[发明专利]基于石墨烯的氮化镓外延层剥离方法

摘要

本发明公开了一种基于石墨烯的氮化镓外延层的剥离方法，主要解决现今剥离技术复杂，成本昂贵以及剥离的氮化镓薄膜质量不高的问题。其实现方案是：首先在抛光好的铜箔上CVD生长石墨烯；然后在蓝宝石衬底上转移多层石墨烯；接着再使用金属有机物化学气相沉积MOCVD的方法在转移了多层石墨烯的蓝宝石衬底上生长氮化镓外延层；最后将生长的氮化镓外延层使用热释胶带剥离转移至目标衬底。本发明通过石墨烯缓解了衬底和外延层之间由于晶格失配产生的应力，而且通过外延层和石墨烯之间存在的较弱范德华力，使外延层易于被剥离并转移至目标衬底，可用于实现原衬底的重复利用，也可用于制作氮化镓自支撑衬底和柔性器件。

主权项

1.一种基于石墨烯的氮化镓外延层剥离方法，其特征在于：(1)在抛光好的铜箔上生长石墨烯：(1a)将抛光好的铜箔折叠成大小适中的荷包，放入石英舟中，并推至石英管中心恒温区，打开真空泵抽真空至0.6‑2Pa；(1b)给石英管中通入20‑25sccm的H₂，同时给石英管加热升温，当其温度达到700℃时，再给石英管中同时通入20‑25sccm H₂和700‑720sccm的Ar，继续加热，直至石英管温度达到1045‑1050℃；(1c)温度保持不变，关闭所有进气阀门，使真空泵将石英管内的气压抽至0.6‑2Pa；(1d)温度保持不变，给石英管通入2sccm的O₂，维持2min；(1e)温度保持不变，关闭所有进气阀门，使真空泵将石英管内抽至1Pa左右；(1f)温度保持不变，同时通入100sccm的H₂和700sccm的Ar，维持60min；(1g)温度保持不变，关断Ar阀门，再同时通入0.1‑1sccm的CH₄及400‑600sccm的H₂，维持60min；(1h)保持H₂和CH₄流量不变，将石英管快速降温至室温，取出生长在铜箔上的石墨烯，其厚度为0.34nm；(2)将生长在铜箔上的石墨烯转移到蓝宝石衬底上：(2a)在生长有石墨烯的Cu箔表面手动涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜，并使用匀胶机将PMMA旋涂均匀，得到旋涂好PMMA的铜箔；(2b)将旋涂好PMMA的铜箔放在加热台上，设置加热台温度为50‑70℃，烘干20min，以使PMMA薄膜固化；(2c)将固化有PMMA的铜箔剪成多个大小相同的小片置于64‑68g/L的过硫酸铵溶液中，且将石墨烯的一面朝上，浸泡4‑12小时，去除金属衬底，得到多片带有PMMA的单层石墨烯薄膜；(2d)用干净的玻璃片将多片过硫酸铵溶液中的PMMA/石墨烯转移至去离子水中，浸泡30min后，用蓝宝石衬底捞出其中一小片PMMA/单层石墨烯，得到覆盖PMMA/单层石墨烯的蓝宝石衬底；(2e)在玻璃容器中加入100‑200ml的丙酮溶液，将PMMA/单层石墨烯/衬底完全淹没，浸泡12‑24小时来溶解并充分去除PMMA，得到去除了PMMA的单层石墨烯/衬底；(2f)将去除了PMMA的单层石墨烯/衬底从丙酮溶液转移至乙醇溶液中静置30min，随后将单层石墨烯/衬底捞出，自然晾干，完成单层石墨烯的转移；(2g)使用转移了单层石墨烯的蓝宝石衬底再去捞第二片PMMA/单层石墨烯薄膜，得到覆盖PMMA/双层石墨烯的衬底，再重复(2e)‑(2f)，完成第二层石墨烯的转移，以此类推，去捞第三片到最后一片PMMA/石墨烯薄膜，完成第三层到最后一层石墨烯薄膜的转移；(3)金属有机物化学气相淀积MOCVD生长氮化镓外延层：(3a)将转移了石墨烯的衬底放入反应室中，并通入氨气，将反应室温度升高至900℃，反应室压力调为300mbar；(3b)保持反应室压力不变，将反应室温度再升高至1100℃，并同时向反应室中通入氢气、氨气、镓源，这三种气体的流量分别为800‑1000sccm、9600‑10500sccm、230‑260sccm，采用MOCVD的方法，在转移了石墨烯的衬底上生长1‑3um的氮化镓；(3d)将反应室温度降至室温后取出样品，得到生长在石墨烯上的氮化镓。(4)剥离氮化镓外延层：(4a)将热释胶带缓慢的粘附在氮化镓外延层上表面，均匀用力将粘有氮化镓外延层的胶带完整的从原衬底剥离；(4b)使热释胶带粘有氮化镓的一面紧紧的贴附目标衬底上，将加热台升温至120℃，然后将目标衬底整体放置在加热台上，加热5分钟后，热释胶带发泡后失去黏性，胶带会自动脱离氮化镓表面；(4c)用镊子将脱离后的胶带取下，氮化镓外延层留在目标衬底上，实现氮化镓外延层的剥离转移。