[发明专利]一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，包括：将单晶石墨烯转移至多晶或非晶衬底上；对单晶石墨烯表面进行预处理，产生悬挂键；生长AlN成核层；外延生长氮化镓单晶薄膜。本发明利用可转移的单晶石墨烯为氮化物生长提供所需的六方模板，大大拓宽氮化物可集成的衬底材料，可应用于GaN基大功率器件和柔性器件。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及基于石墨烯缓冲层在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法。

背景技术

GaN材料为直接带隙半导体且禁带宽度大，填补了蓝绿光波段的空白，带动了半导体照明产业的快速发展。同时，GaN材料具有高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及良好的化学稳定性和强抗辐照能力等优异的性能，使其满足现代电子技术对高温、高频、高功率和抗辐射性能的要求。GaN基器件在改进能效、提高功率密度和减小器件尺寸方面具有明显优势，在微波射频领域和功率电子器件领域具有广阔的应用前景。

传统的异质外延衬底，如蓝宝石、硅和碳化硅等在器件散热和转移等方面存在严重问题，导致大功率GaN器件温度上升较快，降低了器件性能和可靠性，同时限制了GaN器件在柔性显示、智能可穿戴设备方面的应用。石墨烯是由sp²杂化的碳原子相互连接构成的一种二维单层结构，层内原子间六角排列，层间通过微弱的范德瓦尔斯力结合在一起。石墨烯面内原子排列和GaN面内原子排列方式相同，可以作为GaN的生长模板，降低GaN对衬底的依赖，从而提高器件性能并扩大应用范围。

目前，在石墨烯上生长单晶GaN薄膜仍需要支撑衬底为单晶，如文献Jeehwan Kim,et al.,Nat.Commun.5,4836(2014)报道支撑衬底为SiC，需要SiC衬底表面的台阶边缘提供氮化物的成核点。而在非晶支撑衬底上以石墨烯生长GaN时，如文献Kunook Chung,et al.,Science,330,655(2010)报道，需要引入ZnO纳米墙以增加GaN在石墨烯上的成核生长。上述方法虽然可以在石墨烯上得到单晶GaN薄膜，但仍存在不足，比如对支撑衬底的要求，或者复杂的生长工艺，以及在生长过程中引入其他杂质等。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于石墨烯缓冲层在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法。首先将单晶二维石墨烯材料转移至目标衬底上，由石墨烯层内六角排列原子为氮化物的生长提供所需的六方模板，其次对石墨烯进行等离子体轰击或者氮化处理，产生悬挂键以生长氮化物，通过首先沉积AlN成核层实现外延单晶GaN薄膜。本发明工艺简单，可重复性好，可以拓宽生长氮化物的衬底范围，可用于制作GaN基大功率器件和柔性器件。

本发明的技术方案如下：

一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤1：将单晶石墨烯转移至多晶或非晶衬底上；

步骤2：对转移后的单晶石墨烯表面进行预处理，产生悬挂键；

步骤3：在预处理后的单晶石墨烯上生长AlN成核层；

步骤4：在AlN成核层上外延生长氮化镓单晶薄膜。

所述多晶或非晶衬底可以是金属镍、金属钛、金属钼、金刚石、AlN、氧化硅、玻璃中的一种。

优选的，所述单晶石墨烯的层数为1-4层。通常是采用金属有机化合物气相沉积(MOVCD)或化学气相沉积(CVD)方法生长的单晶石墨烯。