CN102903617A - 基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法,采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底,通过对GaN衬底进行合理的预处理,调节生长压力,流量以及温度,实现了石墨烯生长的最优化,在GaN上面直接生长石墨烯,无需金属作为催化剂,生长的石墨烯无需转移过程,便可以直接用于制造各种器件,为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料,提高了器件的电学特性,可靠性,降低了器件制造的复杂性。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料与器件制造技术领域,涉及半导体材料的生长方法,特别是一种基于III-V族半导体氮化镓衬底的石墨烯CVD外延生长方法,可用于无需转移的大面积石墨烯材料的生长制备,并为氮化镓-石墨烯器件的制造提供材料。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体,是目前已知最轻最薄的材料,具有非常奇特的物理化学性质,具有突出的产业优势,有望替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。
过渡族金属催化化学气象沉积(CVD)外延是国际上广泛采用的大面积石墨烯制备的方法,它不受衬底尺寸的限制,设备简单,可以大批量生产。但是,CVD外延制备的原生石墨烯下方的金属衬底导电性使得其无法直接应用,必须依赖衬底转移技术,将金属衬底去除然后转移至合适的衬底上,而在转移过程中不可避免地会对石墨烯薄膜产生污染和损坏,影响石墨烯材料和器件的性能。
氮化镓(GaN)作为一种宽禁带材料,具有良好的多种性能,成为电子、光电研究领域的热门研究课题。可用于制备高电子迁移率晶体管、太阳能电池、紫外探测器、发光器件等。特别是石墨烯发现之后,作为六方纤锌矿晶体,氮化镓和石墨烯的结合能够有效减少晶格失配、提高石墨烯的质量和面积,具有独特的优势。氮化镓-石墨烯器件结构已经成为研究热点。因此,在氮化镓衬底上直接利用CVD方法外延生长石墨烯,能够减小晶格失配,避免转移过程中残胶引起的性能退化,提高石墨烯和氮化镓衬底接触质量,具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术问题,提供一种基于氮化镓衬底的石墨烯气相化学沉积(CVD)方法,以在氮化镓衬底上直接生长石墨烯薄膜,为氮化镓-石墨烯结构器件提供材料。
实现本发明的技术关键是:采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底,通过对GaN衬底进行合理的预处理,调节生长压力,流量以及温度,实现了石墨烯生长的最优化,在GaN上面直接生长石墨烯,无需金属作为催化剂,生长的石墨烯无需转移过程,便可以直接用于制造各种器件,为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料,提高了器件的电学特性,可靠性,降低了器件制造的复杂性。其生长步骤包括如下:
(1)将GaN衬底先后放入丙酮,乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间5~10min,从去离子水中取出衬底,用高纯氮气(99.9999%)吹干。
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中,抽取真空至10-5~10-6Torr,以去除反应室内的残留气体;
(3)向反应室内通入高纯Ar,温度150~250℃,保持10~30min,然后抽真空至10-510-6Torr,排出衬底表面吸附气体。
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理,气体流量1~20sccm,反应室真空度0.1~1Torr,衬底温度900~1000℃,处理时间1~10min;
(5)向反应室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比为10∶1~2∶1,H2流量20~200sccm,CH4流量1~20sccm,气压维持在0.1~1atm,温度1000~1200℃,升温时间20~60min,保持时间20~60min;
(6)自然降温,保持工序(5)中的H2和CH4流量不变,气压0.1~1atm,完成石墨烯的生长。
(7)温度降至100℃以下,关闭CH4、H2,通入Ar,打开反应室,取出样品。
本发明具有如下优点:
1.由于采用基于氮化镓衬底的常压无催化金属的石墨烯CVD外延生长方法,无需在后续步骤中对石墨烯进行转移,避免了对石墨烯材料的破坏。
2.由于采用于氮化镓衬底的石墨烯CVD外延生长方法,可以直接在氮化镓衬底上制造石墨烯器件,为氮化镓-石墨烯器件提供材料基础。
附图说明
图1是本发明的氮化镓衬底上石墨烯薄膜化学气相沉积(CVD)生长流程图;
图2是本发明的氮化镓衬底上石墨烯薄膜化学气相沉积(CVD)生长结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定发明。
具体实施方式
实施例1在氮化镓衬底上制备石墨烯薄膜。
(1)将GaN衬底先后放入丙酮,乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间10min,从去离子水中取出衬底,用高纯氮气(99.9999%)吹干。
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中,抽取真空至10-5Torr,以去除反应室内的残留气体;
(3)向反应室内通入高纯Ar,温度150℃,保持10min,然后抽真空至10-5Torr,排出衬底表面吸附气体。
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理,气体流量1sccm,反应室真空度0.1Torr,衬底温度900℃,处理时间1min;
(5)向反应室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比为10:1,H2流量20sccm,CH4流量2sccm,气压维持在0.1atm,温度1200℃,升温时间20min,保持时间50min;
(6)自然降温,保持工序(5)中的H2和CH4流量不变,气压0.1atm,完成石墨烯的生长。
(7)温度降至100℃以下,关闭CH4、H2,通入Ar,打开反应室,取出样品。
实施例2在氮化镓衬底上制备石墨烯薄膜。
(1)将GaN衬底先后放入丙酮,乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间8min,从去离子水中取出衬底,用高纯氮气(99.9999%)吹干。
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中,抽取真空至10-6Torr,以去除反应室内的残留气体;
(3)向反应室内通入高纯Ar,温度250℃,保持30min,然后抽真空至10-6Torr,排出衬底表面吸附气体。
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理,气体流量20sccm,反应室真空度1Torr,衬底温度1000℃,处理时间10min;
(5)向反应室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比为2∶1,H2流量200sccm,CH4流量100sccm,气压维持在1atm,温度1100℃,升温时间60min,保持时间20min;
(6)自然降温,保持工序(5)中的H2和CH4流量不变,气压1atm,完成石墨烯的生长。
(7)温度降至100℃以下,关闭CH4、H2,通入Ar,打开反应室,取出样品。
实施例3在氮化镓衬底上制备石墨烯薄膜。
(1)将GaN衬底先后放入丙酮,乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间5min,从去离子水中取出衬底,用高纯氮气(99.9999%)吹干。
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中,抽取真空至10-6Torr,以去除反应室内的残留气体;
(3)向反应室内通入高纯Ar,温度100℃,保持20min,然后抽真空至10-6Torr,排出衬底表面吸附气体。
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理,气体流量10sccm,反应室真空度0.5Torr,衬底温度950℃,处理时间10min;
(5)向反应室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比为5∶1,H2流量100sccm,CH4流量20sccm,气压维持在0.5atm,温度1100℃,升温时间40min,保持时间30min;
(6)自然降温,保持工序(5)中的H2和CH4流量不变,气压0.5atm,完成石墨烯的生长。
(7)温度降至100℃以下,关闭CH4、H2,通入Ar,打开反应室,取出样品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于氮化镓衬底的石墨烯CVD直接外延方法,其特征在于,
采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底,通过对GaN衬底进行合理的预处理,调节生长压力,流量以及温度,实现了石墨烯生长的最优化,在GaN上面直接生长石墨烯,无需金属作为催化剂,生长的石墨烯无需转移过程,为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料,可直接用于制造各种器件。
2.如权利要求1所述的石墨烯CVD直接外延方法,其特征在于,其生长方法实现步骤包括如下:
(1)将GaN衬底先后放入丙酮,乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间5~10min,从去离子水中取出衬底,用高纯氮气吹干;
(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中,抽取真空至10-5~10-6Torr,以去除反应室内的残留气体;
(3)向反应室内通入高纯Ar,排出衬底表面吸附气体;
(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理;
(5)向反应室中通入H2和CH4;
(6)自然降温,保持工序(5)中的H2和CH4流量不变,完成石墨烯的生长;
(7)温度降至100℃以下,关闭CH4、H2,通入Ar,打开反应室,取出样品。
3.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法,其特征在于,向反应室内通入高纯Ar,排出衬底表面吸附气体时,温度150~250℃,保持10~30min,然后抽真空至10-5~10-6Torr。
4.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法,其特征在于,向反应室内通入H2进行衬底表面预处理,气体流量1~20sccm,反应室真空度0.1~1Torr,衬底温度900~1000℃,处理时间1~10min。
5.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法,其特征在于,向反应室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比为10∶1~2∶1,H2流量20~200sccm,CH4流量1~20sccm,气压维持在0.1~1atm,温度1000~1200℃,升温时间20~60min,保持时间20~60min。
6.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法,其特征在于,自然降温,保持工序(5)中的H2和CH4流量不变,气压0.1~1atm,完成石墨烯的生长。
7.一种利用权利要求1所述的基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法制造的器件。
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Addressee: Xidian University Document name: Notification of Termination of Patent Right |
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Addressee: Xidian University Document name: Notification of Passing Examination on Formalities |
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Granted publication date: 20150909 |