CN107706274A - 一种基于六方氮化硼‑石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于六方氮化硼‑石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，属于光电子技术领域。该方法包括将铜衬底抛光、清洗；在铜衬底上生长h‑BN‑石墨烯复合层；利用原子层沉积法在h‑BN‑石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层等步骤。本发明通过采用h‑BN‑石墨烯复合层作为铜衬底与GaN外延层之间的缓冲层，可以解决衬底和外延层之间大的晶格失配和热失配引起的缺陷位错，龟裂等问题，有效降低衬底与外延材料之间的应力、提高GaN外延层质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓外延结构的制备方法，更具体地说，本发明涉及一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
氮化镓材料作为一种新型的半导体材料受到了越来越多的关注。作为第三代半导体的代表性材料，氮化镓具有优异的电学和光学性质，其具有较宽带隙、直接带隙的优点，耐高温高压，电子迁移率高等优势在电子器件和光电子器件等领域中具有广泛的应用，因此制备高质量的氮化镓是制备上述器件的关键。
石墨烯是新型二维纳米材料它们的原子之间通过sp2电子轨道链接在一起，并且由于石墨烯具有六角密排的原子格位，与氮化物晶体中各层原子的排布情形相同，因此以石墨烯作为缓冲层能够提高氮化物外延层的晶体质量。
六方氮化硼（h-BN）具有和石墨烯相同的六方晶体结构，它的晶格常数 a=0.2504nm，c=0.6661nm，是由多层结构堆叠起来的，层间 B-N-B 是靠范德华作用力连接，易于剥离，且质量较轻，不导电 ,具有很宽的带隙（5.1eV），由于六方氮化硼和石墨烯有着相似的性质，而且他们之间的晶格失配相对于他们和其它材料的晶格失配只有很小的 1.6%，且没有悬挂键及势阱，不会束缚电子， h-BN可以对石墨烯的能带进行调控。
重庆师范大学的万红兵发表的硕士学位论文（“六方氮化硼-石墨烯复合材料的制备及导热性能研究”）中公开了一种六方氮化硼-石墨烯复合材料的制备。该方法用磁控溅射方法制备六方氮化硼、气相沉积（CVD）制备石墨烯形成六方氮化硼和石墨烯复合薄膜。
然而现有技术中并没有公开以h-BN-石墨烯复合层作为缓冲层外延氮化镓的制备。
国家知识产权局于2015.4.22公开了一件公开号为CN104538526A，名称为“一种基于铜衬底的氮化物LED外延片结构及其制备方法”的发明，该发明涉及一种基于铜衬底的氮化物LED外延片结构及其制备方法，包括铜衬底、二维衍生膜及氮化物外延层，所述二维衍生膜位于所述铜衬底及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜附着在所述铜衬底的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜上。制备步骤包括在铜衬底上制备一层或两层以上的二维衍生膜层以及在所述具有二维衍生膜层的铜衬底上生长氮化物外延层。采用本发明所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构后，可以实现在金属铜衬底上进行具有较高晶体质量的氮化物外延生长，不仅节约了成本，而且改善了器件光、电、热学性能。
上述文件文件结构上来说，是在铜衬底上化学气相沉积一次生长h-BN-石墨烯复合层，并采用原子层沉积的方法制备氮化铝缓冲层，进而生长氮化镓基激光器结构。该技术方案需要多次生长，并且生长两种或以上的二维衍生膜时，不易调控生长条件。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，该方法可以有效降低衬底与外延材料之间的应力，明显提高外延层质量。
为了实现上述发明目的，其具体的技术方案如下：
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
本发明优选的，在步骤A中，具体为：
首先将铜衬底进行清洗去除表面的油污和氧化层，再经机械抛光和电化学抛光的双重抛光之后，依次用乙醇和去离子水清洗三次，稀盐酸清洗5-10min，去离子水清洗，氮气吹干得到铜衬底。
本发明优选的，在步骤B中，具体为：
将经过步骤A处理的铜衬底放管式炉石英管中，抽真空5-7min；通入流量为10-100sccm的氢气，将管式炉加热至800-1200℃后退火0.5-3小时；通入NH3−BH3气体以及体积比为20:1-10:1的氩气和氢气混合气体，流量为10-100sccm，进行生长0.5-3小时，完成后关闭NH3−BH3气体；通入碳源气体甲烷以及体积比为20:1-10:1的氩气和氢气混合气体，流量为10-100sccm，进行生长0.5-3小时，完成后关闭碳源气体甲烷和氢气，将管式炉石英管在氩气气氛下随炉冷却至室温，铜衬底上生长得到h-BN-石墨烯复合层。
本发明优选的，在步骤C中，具体为：
将步骤B得到的生长了h-BN-石墨烯复合层的铜衬底放置于原子层沉积设备反应腔中，抽真空，气压保持在0.2-0.4Torr；向所述原子层沉积设备反应腔中通入气体，TMA作为铝源，等离子体化的N2/H2作为氮源，氮气或惰性气体作为载气；重复循环上述原子层沉积步骤，即可在所述h-BN-石墨烯复合层表面上形成氮化铝膜。
上述步骤C中优选的，N2/H2的体积比为5:1-3:1；N2作为载气，载气流量为40-80sccm，使所述原子层沉积设备反应腔内的真空度保持在0.1-0.3Torr。
上述步骤C中优选的，在原子层沉积之前首先向所述原子层沉积设备反应腔内通入氮气清洗腔室，在每次原子层沉积之后通入氮气清洗腔室，清洗时间都为30-60s。
上述步骤C中优选的，每个原子层沉积循环为0.2-0.4s的TMA脉冲，30-60s的吹扫时间，30-50s N2/H2混合物气脉冲，30-50s的吹扫时间，此为一个原子层沉积步骤的周期；等离子体发生器的功率为50-200w，生长温度为100-400℃。
本发明优选的，在步骤D中，所述氮化镓层的生长速率为0.4-4μm/h，生长温度为800-1200℃，使用的载气为氮气和氢气混合气。
本发明的技术方案还提供一种基于上述方法制备得到的结构，其中所述结构从下到上依次为：铜衬底、h-BN-石墨烯复合层、氮化铝层和氮化镓层；h-BN-石墨烯复合层中，h-BN的厚度为20-100nm，优选的h-BN的厚度为90nm；石墨烯层的厚度为1-30层，优选的石墨烯层的厚度为1-10层；氮化铝层的厚度为20-100nm，优选的氮化铝层的厚度为90nm；氮化镓层的厚度为0.4-5μm，优选的氮化镓层厚度为2μm。
本发明的技术方案还提供一种基于上述方法制备的结构的激光器，所述激光器的结构为：在铜衬底上依次生长h-BN-石墨烯复合层、氮化铝层、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、N型覆盖层、N型波导层、有源区多量子阱层、P型波导层、P型覆盖层、P型氮化镓层，形成氮化镓激光器结构。
本发明带来的有益技术效果：
1、本发明通过采用h-BN-石墨烯复合层作为铜衬底与GaN外延层之间的缓冲层，可以解决衬底和外延层之间大的晶格失配和热失配引起的缺陷位错，龟裂等问题，有效降低衬底与外延材料之间的应力、提高GaN外延层质量。
2、本发明通过原子层沉积方法制备的氮化铝层，可以实现材料的原子层的逐层生长，良好的厚度可控性和高精度的薄膜的生长质量。
3、由于h-BN-与石墨烯之间的晶格常数极为相似，失配只有1.6%，且没有悬挂键及势阱，不会束缚电子，因此h-BN可以对石墨烯的能带进行调控。
4、本发明所述的制备方法，有效地缓解了衬底层与GaN层之间的晶格失配和热膨胀系数失配的问题。
5、本发明步骤A中，机械抛光和电化学抛光的双重抛光可以更加有效地清除表面的氧化硅层和颗粒沾污，然后再采用稀盐酸清洗去除表面金属颗粒。
6、本发明步骤B的优选技术方案设备简单，易操作，能一次得到高质量六方氮化硼-石墨烯复合层。
附图说明
图1是本发明的制备方法的流程图；
图2是本发明的制备的产品的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例23中的对比图。
具体实施方式
实施例1
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
实施例2
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤A中，具体为：
首先将铜衬底进行清洗去除表面的油污和氧化层，再经机械抛光和电化学抛光的双重抛光之后，依次用乙醇和去离子水清洗三次，稀盐酸清洗5min，去离子水清洗，氮气吹干得到铜衬底。
实施例3
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤A中，具体为：
首先将铜衬底进行清洗去除表面的油污和氧化层，再经机械抛光和电化学抛光的双重抛光之后，依次用乙醇和去离子水清洗三次，稀盐酸清洗10min，去离子水清洗，氮气吹干得到铜衬底。
实施例4
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤A中，具体为：
首先将铜衬底进行清洗去除表面的油污和氧化层，再经机械抛光和电化学抛光的双重抛光之后，依次用乙醇和去离子水清洗三次，稀盐酸清洗7.5min，去离子水清洗，氮气吹干得到铜衬底。
实施例5
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤A中，具体为：
首先将铜衬底进行清洗去除表面的油污和氧化层，再经机械抛光和电化学抛光的双重抛光之后，依次用乙醇和去离子水清洗三次，稀盐酸清洗8min，去离子水清洗，氮气吹干得到铜衬底。
实施例6
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤B中，具体为：
将经过步骤A处理的铜衬底放管式炉石英管中，抽真空5min；通入流量为10sccm的氢气，将管式炉加热至800℃后退火0.5小时；通入NH3−BH3气体以及体积比为10:1的氩气和氢气混合气体，流量为10sccm，进行生长0.5小时，完成后关闭NH3−BH3气体；通入碳源气体甲烷以及体积比为10:1的氩气和氢气混合气体，流量为10sccm，进行生长0.5小时，完成后关闭碳源气体甲烷和氢气，将管式炉石英管在氩气气氛下随炉冷却至室温，铜衬底上生长得到h-BN-石墨烯复合层。
实施例7
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤B中，具体为：
将经过步骤A处理的铜衬底放管式炉石英管中，抽真空7min；通入流量为100sccm的氢气，将管式炉加热至1050℃后退火3小时；通入NH3−BH3气体以及体积比为20:1的氩气和氢气混合气体，流量为100sccm，进行生长3小时，完成后关闭NH3−BH3气体；通入碳源气体甲烷以及体积比为20:1的氩气和氢气混合气体，流量为100sccm，进行生长3小时，完成后关闭碳源气体甲烷和氢气，将管式炉石英管在氩气气氛下随炉冷却至室温，铜衬底上生长得到h-BN-石墨烯复合层。
实施例8
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤B中，具体为：
将经过步骤A处理的铜衬底放管式炉石英管中，抽真空6min；通入流量为55sccm的氢气，将管式炉加热至925℃后退火1.75小时；通入NH3−BH3气体以及体积比为15:1的氩气和氢气混合气体，流量为55sccm，进行生长1.75小时，完成后关闭NH3−BH3气体；通入碳源气体甲烷以及体积比为15:1的氩气和氢气混合气体，流量为55sccm，进行生长1.75小时，完成后关闭碳源气体甲烷和氢气，将管式炉石英管在氩气气氛下随炉冷却至室温，铜衬底上生长得到h-BN-石墨烯复合层。
实施例9
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤B中，具体为：
将经过步骤A处理的铜衬底放管式炉石英管中，抽真空6.5min；通入流量为99sccm的氢气，将管式炉加热至900℃后退火1小时；通入NH3−BH3气体以及体积比为12:1的氩气和氢气混合气体，流量为26sccm，进行生长1.5小时，完成后关闭NH3−BH3气体；通入碳源气体甲烷以及体积比为17:1的氩气和氢气混合气体，流量为85sccm，进行生长2小时，完成后关闭碳源气体甲烷和氢气，将管式炉石英管在氩气气氛下随炉冷却至室温，铜衬底上生长得到h-BN-石墨烯复合层。
实施例10
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤C中，具体为：
将步骤B得到的生长了h-BN-石墨烯复合层的铜衬底放置于原子层沉积设备反应腔中，抽真空，气压保持在0.2Torr；向所述原子层沉积设备反应腔中通入气体，TMA作为铝源，等离子体化的N2/H2作为氮源，氮气或惰性气体作为载气；重复循环上述原子层沉积步骤，即可在所述h-BN-石墨烯复合层表面上形成氮化铝膜。
上述步骤C中优选的，N2/H2的体积比为3:1；N2作为载气，载气流量为40sccm，使所述原子层沉积设备反应腔内的真空度保持在0.1Torr。
上述步骤C中优选的，在原子层沉积之前首先向所述原子层沉积设备反应腔内通入氮气清洗腔室，在每次原子层沉积之后通入氮气清洗腔室，清洗时间都为30s。
上述步骤C中优选的，每个原子层沉积循环为0.2s的TMA脉冲，30s的吹扫时间，30sN2/H2混合物气脉冲，30s的吹扫时间，此为一个原子层沉积步骤的周期；等离子体发生器的功率为50w，生长温度为100℃。
实施例11
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤C中，具体为：
将步骤B得到的生长了h-BN-石墨烯复合层的铜衬底放置于原子层沉积设备反应腔中，抽真空，气压保持在0.4Torr；向所述原子层沉积设备反应腔中通入气体，TMA作为铝源，等离子体化的N2/H2作为氮源，氮气或惰性气体作为载气；重复循环上述原子层沉积步骤，即可在所述h-BN-石墨烯复合层表面上形成氮化铝膜。
上述步骤C中优选的，N2/H2的体积比为5:1；N2作为载气，载气流量为80sccm，使所述原子层沉积设备反应腔内的真空度保持在0.3Torr。
上述步骤C中优选的，在原子层沉积之前首先向所述原子层沉积设备反应腔内通入氮气清洗腔室，在每次原子层沉积之后通入氮气清洗腔室，清洗时间都为60s。
上述步骤C中优选的，每个原子层沉积循环为0.4s的TMA脉冲，60s的吹扫时间，50sN2/H2混合物气脉冲，50s的吹扫时间，此为一个原子层沉积步骤的周期；等离子体发生器的功率为200w，生长温度为400℃。
实施例12
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤C中，具体为：
将步骤B得到的生长了h-BN-石墨烯复合层的铜衬底放置于原子层沉积设备反应腔中，抽真空，气压保持在0.3Torr；向所述原子层沉积设备反应腔中通入气体，TMA作为铝源，等离子体化的N2/H2作为氮源，氮气或惰性气体作为载气；重复循环上述原子层沉积步骤，即可在所述h-BN-石墨烯复合层表面上形成氮化铝膜。
上述步骤C中优选的，N2/H2的体积比为4:1；N2作为载气，载气流量为60sccm，使所述原子层沉积设备反应腔内的真空度保持在0.2Torr。
上述步骤C中优选的，在原子层沉积之前首先向所述原子层沉积设备反应腔内通入氮气清洗腔室，在每次原子层沉积之后通入氮气清洗腔室，清洗时间都为45s。
上述步骤C中优选的，每个原子层沉积循环为0.3s的TMA脉冲，45s的吹扫时间，40sN2/H2混合物气脉冲，40s的吹扫时间，此为一个原子层沉积步骤的周期；等离子体发生器的功率为125w，生长温度为250℃。
实施例13
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤C中，具体为：
将步骤B得到的生长了h-BN-石墨烯复合层的铜衬底放置于原子层沉积设备反应腔中，抽真空，气压保持在0.25Torr；向所述原子层沉积设备反应腔中通入气体，TMA作为铝源，等离子体化的N2/H2作为氮源，氮气或惰性气体作为载气；重复循环上述原子层沉积步骤，即可在所述h-BN-石墨烯复合层表面上形成氮化铝膜。
上述步骤C中优选的，N2/H2的体积比为3.5:1；N2作为载气，载气流量为66sccm，使所述原子层沉积设备反应腔内的真空度保持在0.25Torr。
上述步骤C中优选的，在原子层沉积之前首先向所述原子层沉积设备反应腔内通入氮气清洗腔室，在每次原子层沉积之后通入氮气清洗腔室，清洗时间都为52s。
上述步骤C中优选的，每个原子层沉积循环为0.35s的TMA脉冲，32s的吹扫时间，45s N2/H2混合物气脉冲，37s的吹扫时间，此为一个原子层沉积步骤的周期；等离子体发生器的功率为100w，生长温度为200℃。
实施例14
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤D中，所述氮化镓层的生长速率为0.4μm/h，生长温度为800℃，使用的载气为氮气和氢气混合气。
实施例15
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤D中，所述氮化镓层的生长速率为4μm/h，生长温度为1200℃，使用的载气为氮气和氢气混合气。
实施例16
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤D中，所述氮化镓层的生长速率为2.2μm/h，生长温度为1000℃，使用的载气为氮气和氢气混合气。
实施例17
一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
在步骤D中，所述氮化镓层的生长速率为1.2μm/h，生长温度为900℃，使用的载气为氮气和氢气混合气。
实施例18
步骤C：优选结果：N2/H2的体积比为4:1，N2作为载气，载气流量为60sccm，使所述原子层沉积设备反应腔内的真空度保持在0.2Torr。每个原子层沉积循环为0.3s的TMA脉冲，45s的吹扫时间，40s N2/H2混合物气脉冲，40s的吹扫时间，此为一个原子层沉积步骤的周期；等离子体发生器的功率为150w，生长温度为300℃。
步骤D：优选结果：氮化镓层的生长速率为2.5μm/h，生长温度为1050℃，便于释放应力。
实施例19
A、将铜衬底抛光、清洗
首先将铜衬底进行清洗去除表面的油污和氧化层，再经机械抛光和电化学抛光的双重抛光之后，依次用乙醇和去离子水清洗三次，稀盐酸清洗7min，去离子水清洗数次，N2吹干得到铜衬底。
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层
将经过步骤A处理的铜衬底放管式炉石英管中，抽真空6min；
通入氢气，流量100sccm，将管式炉加热至800℃后退火1小时；
通入NH3−BH3气体以及体积比为20:1的氩气和氢气混合气体，流量10sccm生长，关闭NH3−BH3气体；
通入碳源气体甲烷以及体积比为20:1的氩气和氢气混合气体，流量10sccm生长，关闭碳源气体甲烷和氢气，将管式炉在氩气气氛下随炉冷却至室温，得到铜衬底/h-BN-石墨烯复合层。
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层
将经过步骤B处理的铜衬底/h-BN-石墨烯复合层放置于原子层沉积设备反应腔中，抽真空，气压保持在0.2Torr；
向腔室内通入氮气清洗腔室，TMA作为铝源，等离子体化的N2/H2作为氮源，N2/H2的体积比为4:1，氮气作为载气，载气流量为40sccm，以使腔室内的真空度保持在0.2Torr；每个ALD循环依次为0.2 s TAM脉冲，50s的氮气吹扫时间，40s N2/H2混合物气脉冲，40s的氮气吹扫时间，此为一个ALD周期，等离子体发生器的功率在100w，生长温度在100℃。
D、在氮化铝层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层
生长速率为0.5μm/h，生长温度为800℃，使用的载气为氮气和氢气混合气。
本发明制作的以h-BN-石墨烯复合层作为缓冲层外延氮化镓的结构如图2所述，从下到上依次为：铜衬底、h-BN-石墨烯复合层、氮化铝层、氮化镓层。
实施例20
A、将铜衬底抛光、清洗
首先将铜衬底进行清洗去除表面的油污和氧化层，再经机械抛光和电化学抛光的双重抛光之后，依次用乙醇和去离子水清洗三次，稀盐酸清洗8min，去离子水清洗数次，N2吹干得到铜衬底。
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层
将经过步骤A处理的铜衬底放管式炉石英管中，抽真空5min；
通入氢气，流量100sccm，将管式炉加热至1000℃后退火2小时；
通入NH3−BH3气体以及体积比为20:1的氩气和氢气混合气体，流量50sccm生长，关闭NH3−BH3气体；
通入碳源气体甲烷以及体积比为20:1的氩气和氢气混合气体，流量50sccm生长，关闭碳源气体甲烷和氢气，将管式炉石英管在氩气气氛下随炉冷却至室温，得到铜衬底/h-BN-石墨烯复合层。
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层
将经过S2步骤处理的铜衬底/h-BN-石墨烯复合层放置于原子层沉积设备反应腔中，抽真空，气压保持在0.2Torr；
向腔室内通入氮气清洗腔室，TMA作为铝源，等离子体化的N2/H2作为氮源，N2/H2的体积比为4:1，氮气作为载气，载气流量为60sccm，以使腔室内的真空度保持在0.2Torr；每个ALD循环依次为0.3 s TMA脉冲，50s的氮气吹扫时间，40s N2/H2混合物气脉冲，40s的氮气吹扫时间，此为一个ALD周期，等离子体发生器的功率在100w，生长温度在250℃。
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层
生长速率为2μm/h，生长温度为1000℃，使用的载气为氮气和氢气混合气。
实施例21
A、将铜衬底抛光、清洗
首先将铜衬底进行清洗去除表面的油污和氧化层，再经机械抛光和电化学抛光的双重抛光之后，依次用乙醇和去离子水清洗三次，稀盐酸清洗9min，去离子水清洗数次，N2吹干得到铜衬底。
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层。
将经过A步骤处理的铜衬底放管式炉石英管中，抽真空7min；
通入氢气，流量100sccm，将管式炉加热至1050℃后退火3小时；
通入NH3−BH3气体以及体积比为20:1的氩气和氢气混合气体，流量100sccm生长，关闭NH3−BH3气体；
通入碳源气体甲烷以及体积比为20:1的氩气和氢气混合气体，流量100sccm生长，关闭碳源气体甲烷和氢气，将管式炉石英管在氩气气氛下随炉冷却至室温，得到铜衬底/h-BN-石墨烯复合层。
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层
将经过步骤B处理的铜衬底/h-BN-石墨烯复合层放置于原子层沉积设备反应腔中，抽真空，气压保持在0.2Torr；
向腔室内通入氮气清洗腔室，TMA作为铝源，等离子体化的N2/H2作为氮源，N2/H2的体积比为4:1，氮气作为载气，载气流量为70sccm，以使腔室内的真空度保持在0.2Torr；每个ALD循环依次为0.4 s TMA脉冲，50s的氮气吹扫时间，40s N2/H2混合物气脉冲，40s的氮气吹扫时间，此为一个ALD周期，等离子体发生器的功率在100w，生长温度在300℃。
D、在氮化铝层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层
生长速率为4μm/h，生长温度为1200℃，使用的载气为氮气和氢气混合气。
实施例22
本发明的技术方案还提供一种基于上述方法制备得到的结构，其中所述结构从下到上依次为：铜衬底、h-BN-石墨烯复合层、氮化铝层和氮化镓层；h-BN-石墨烯复合层中，h-BN的厚度为20-100nm，优选的h-BN的厚度为90nm；石墨烯层的厚度为1-30层，优选的石墨烯层的厚度为1-10层；氮化铝层的厚度为20-100nm，优选的氮化铝层的厚度为90nm；氮化镓层的厚度为0.4-5μm，优选的氮化镓层厚度为2μm。
本发明还制备了一种基于上述方法制备结构的激光器，激光器的结构为：在铜衬底上依次生长h-BN-石墨烯复合层、氮化铝层、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、N型覆盖层、N型波导层、有源区多量子阱层、P型波导层、P型覆盖层、P型氮化镓层，形成氮化镓激光器结构。
实施例23
根据说明书附图的图3可知，采用磁控溅射和CVD方法在硅片上制备的六方氮化硼-石墨烯复合层（左图），采用本发明方法工艺优化后得到的六方氮化硼-石墨烯复合层（右图）对比可以看出本方法制备的六方氮化硼-石墨烯复合层表面平整，均匀性好，有利于后续材料的生长。
Claims (10)
1.一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
A、将铜衬底抛光、清洗；
B、在铜衬底上生长h-BN-石墨烯复合层；
C、利用原子层沉积法在h-BN-石墨烯复合层上生长一层氮化铝层；
D、在氮化铝薄层上采用金属有机物化学气相沉积法生长氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：在步骤A中，具体为：
首先将铜衬底进行清洗去除表面的油污和氧化层，再经机械抛光和电化学抛光的双重抛光之后，依次用乙醇和去离子水清洗三次，稀盐酸清洗5-10min，去离子水清洗，氮气吹干得到铜衬底。
3.根据权利要求1所述的一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：在步骤B中，具体为：
将经过步骤A处理的铜衬底放管式炉石英管中，抽真空5-7min；通入流量为10-100sccm的氢气，将管式炉加热至800-1050℃后退火0.5-3小时；通入NH3−BH3气体以及体积比为20:1-10:1的氩气和氢气混合气体，流量为10-100sccm，进行生长0.5-3小时，完成后关闭NH3−BH3气体；通入碳源气体甲烷以及体积比为20:1-10:1的氩气和氢气混合气体，流量为10-100sccm，进行生长0.5-3小时，完成后关闭碳源气体甲烷和氢气，将管式炉石英管在氩气气氛下随炉冷却至室温，铜衬底上生长得到h-BN-石墨烯复合层。
4.根据权利要求1所述的一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：在步骤C中，具体为：
将步骤B得到的生长了h-BN-石墨烯复合层的铜衬底放置于原子层沉积设备反应腔中，抽真空，气压保持在0.2-0.4Torr；向所述原子层沉积设备反应腔中通入气体，TMA作为铝源，等离子体化的N2/H2作为氮源，氮气或惰性气体作为载气；重复循环上述原子层沉积步骤，即可在所述h-BN-石墨烯复合层表面上形成氮化铝膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：所述N2/H2的体积比为5:1-3:1；N2作为载气，载气流量为40-80sccm，使所述原子层沉积设备反应腔内的真空度保持在0.1-0.3Torr。
6.根据权利要求4所述的一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：在原子层沉积之前首先向所述原子层沉积设备反应腔内通入氮气清洗腔室，在每次原子层沉积之后通入氮气清洗腔室，清洗时间都为30-60s。
7.根据权利要求4所述的一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：每个原子层沉积循环为0.2-0.4s的TMA脉冲，30-60s的吹扫时间，30-50s N2/H2混合物气脉冲，30-50s的吹扫时间，此为一个原子层沉积步骤的周期；等离子体发生器的功率为50-200w，生长温度为100-400℃。
8.根据权利要求1所述的一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：在步骤D中，所述氮化镓层的生长速率为0.4-4μm/h，生长温度为800-1200℃，使用的载气为氮气和氢气混合气。
9.根据权利要求1所述的一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：所述基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构从下到上依次为：铜衬底、h-BN-石墨烯复合层、氮化铝层和氮化镓层。
10.根据权利要求1或9所述的一种基于六方氮化硼-石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法，其特征在于：所述h-BN-石墨烯复合层中，h-BN的厚度为20-100nm；所述石墨烯层的厚度为1-30层；所述氮化铝层的厚度为20-100nm；所述氮化镓层的厚度为0.4-5μm。
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