CN107808819A - 一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法，属于半导体技术领域。本发明的液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法通过液态石墨烯滴定或者旋涂的方式实现将石墨烯应用于GaN基光电子和微电子器件，石墨烯既可以作为GaN基器件的接触电极，又可以作为光吸收层或电流传导层。本方法操作简单，重复性强，避免传统石墨烯转移的损伤问题；并且可以通过光刻的方式，实现转移后的石墨烯尺寸可控，实现石墨烯与GaN基材料相结合，优化及拓展GaN基光电子和微电子器件的性能。本发明提供的利用液态石墨烯转移石墨烯的方法，为石墨烯应用于GaN基材料及器件，实现石墨烯与GaN基材料相结合提供了新思路。该方法还具有工艺简单，效果显著，应用前景广阔的优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法。
背景技术
GaN基材料属于直接宽带隙半导体材料，键合能很大，具有良好的化学稳定性和热稳定性。技术上可以实现与AlN、InN等形成组分连续可变的三元或多元固溶体合金：AlxGa1-xN、InxGa1-x N、四元固溶体合金AlxInyGa1-x-y N。其禁带宽度从0.7eV到6.2eV连续可调，对应的波长从近红外覆盖到紫外波段，因此GaN基材料是制备发光二极管、光电探测器、太阳能电池等光电子器件的理想材料。此外，GaN基材料的高电子迁移率，高电子饱和速率以及高击穿电场特性使得其在研制高频大功率器件、耐高温，抗辐照半导体微电子器件上也具有先天优势。
然而，如何进一步提高及拓展GaN基光电子器件及微电子器件的性能依然是人们追求的目标。如何解决GaN基光电子及微电子器件的工作速度有待提高、散热性不良、集成与互联难度大等问题依然是制约GaN基光电子器件及微电子器件发展及进一步应用的重要问题。石墨烯的发现，为解决这些问题，优化及拓展GaN基光电子及微电子器件的发展和应用提供了新的途径。其主要体现在以下几个方面：
1)石墨烯的高透光性能有望成为GaN基光电子器件的透明电极：石墨烯在可见光范围内的透光性为97.7％，且透光分布均匀，与传统的ITO电极相比具有很大优势，如果可以用石墨烯作为GaN材料激光器、LED、探测器等光电器件的透明电极，可以有望大大提高GaN材料器件的透光性。
2)石墨烯的导热系数为5300Wm-1k-1是铜的十倍，因此，石墨烯的优良导热性有望解决GaN基微电子器件的散热问题。
3)石墨烯的电子迁移率非常高——200000cm2/Vs，是硅电子迁移率的100倍以上，同时石墨烯的电导率也可高达106S/m，这些性能远远超过人类之前用来制造电子器件的绝大部分导电材料，因此，石墨烯优良的导电性有望提高GaN材料器件的工作速度，解决GaN材料器件存在工作速度不足的问题。
4)石墨烯超强的机械强度有望改善GaN材料器件的集成互联问题：石墨烯的抗拉强度可以达到42N/m2，是钢铁拉伸强度的100倍，可以用此性能有效改善GaN材料制备的光电子器件和微电子器件存在的集成互联问题。
到目前为止，关于将石墨烯应用于GaN基器件中，石墨烯的转移问题在很大程度上限制了石墨烯应用于GaN基光电子和微电子器件。目前的石墨烯转移方法如下：
1)利用化学气相沉积(CVD)的方法在Cu基板衬底上生长石墨烯；
2)利用腐蚀液腐蚀掉Cu基板衬底；
3)将与Cu衬底分离的石墨烯转移到GaN基材料表面。
不难发现，利用上述方法转移石墨烯过程复杂，难度大，不但石墨烯在转移过程中很容易受到损伤，而且，很难控制转移的石墨烯的尺寸和转移后的位置。因此，石墨烯的转移问题一直是人们关注的问题，如何简化石墨烯的转移过程是将石墨烯应用于GaN基器件的重要环节。此问题的解决，将在很大程度上推动将石墨烯应用于GaN基光电子和微电子器件。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法，该方法通过液态石墨烯滴定或者旋涂的方式实现将石墨烯应用于GaN基光电子和微电子器件，本方法操作简单，重复性强，避免了传统石墨烯转移的损伤问题；并且可以通过光刻的方式，实现转移后的石墨烯尺寸可控，实现石墨烯与GaN基材料相结合，优化及拓展GaN基光电子和微电子器件的性能。本发明提供的利用液态石墨烯转移石墨烯的方法，为石墨烯应用于GaN基材料及器件，实现石墨烯与GaN基材料相结合提供了新思路。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法，包括以下步骤：
步骤1、生长GaN基材料；
步骤2、配置石墨烯溶液；
步骤3、在GaN基材料表面界定石墨烯窗口；
步骤4、通过旋涂或者滴定的方式，将步骤2配置的石墨烯溶液滴加到GaN基材料表面界定石墨烯窗口中；
步骤5、挥发溶剂，实现基于石墨烯的GaN基器件。
优选的，步骤1具体为：在基底上利用MOCVD方法，通过两步生长法生长GaN基材料。
优选的，所述基底为蓝宝石、硅或碳化硅。
优选的，GaN基材料为GaN、AlN、InN以及他们所构成的三元或多元合金材料中的一种。
优选的，步骤2配置石墨烯溶液的具体步骤为，选用固态石墨烯，溶剂为去离子水、酒精或者二甲基甲酰胺，通过恒温超声波振动的方式配置得到石墨烯溶液。
优选的，所述石墨烯溶液的浓度为0.1mg/mL的石墨烯水溶液，是选用固态石墨烯，溶剂为去离子水，在35度恒温下，超声波振动72小时得到的。
优选的，步骤3具体为：利用光刻的方式在GaN基材料表面界定石墨烯窗口的位置和尺寸。
优选的，步骤4中所述旋涂的速度为300r/s。
优选的，步骤5中所述挥发溶剂具体步骤为：利用自然风干、热板加热或者烤箱烘烤的方式挥发石墨烯中的溶剂。
优选的，所述石墨烯既可以作为GaN基器件的接触电极，又可以作为光吸收层或电流传导层。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法利用液态石墨烯实现将石墨烯应用于GaN基材料及器件，有效解决了传统方法转移石墨烯时难度大，石墨烯尺寸及转移后位置难以控制等问题，为实现石墨烯与GaN基材料相结合，发挥石墨烯和GaN两种材料体系的优势，优化及拓展GaN基光电子器件及微电子器件性能提供了新方法。
2、本发明提供的一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法通过液态石墨烯滴定或者旋涂的方式实现将石墨烯应用于GaN基光电子和微电子器件，石墨烯既可以作为GaN基器件的接触电极，又可以作为光吸收层或电流传导层。本方法操作简单，重复性强，避免了传统石墨烯转移的损伤问题；并且可以通过光刻的方式，实现转移后的石墨烯尺寸可控，实现石墨烯与GaN基材料相结合，优化及拓展GaN基光电子和微电子器件的性能。本发明提供的利用液态石墨烯转移石墨烯的方法，为石墨烯应用于GaN基材料及器件，实现石墨烯与GaN基材料相结合提供了新思路。
3、本发明提供的一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法具有工艺简单，效果显著，应用前景广阔的优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明提供的液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法流程图；
图2为本发明提供的液态石墨烯实现石墨烯/GaN肖特基结构双色探测器结构示意图。
图中的附图标记表示为：
21-旋转台，22-GaN基材料，23-介电膜，24-石墨烯溶液。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以详细说明。
本发明提供的一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法，具体包括以下步骤：
步骤1、生长GaN基材料；
步骤2、配置石墨烯溶液；
步骤3、利用光刻的方式在GaN基材料表面界定石墨烯窗口的位置和尺寸；
步骤4、通过旋涂或者滴定的方式，将步骤2配置的石墨烯溶液滴加到GaN基材料表面界定石墨烯窗口中；优选旋涂的速度为300r/s。
步骤5、利用自然风干、热板加热或者烤箱烘烤的方式挥发石墨烯中的溶剂，实现基于石墨烯的GaN基器件。
所述石墨烯既可以作为GaN基器件的接触电极，又可以作为光吸收层或电流传导层。所需石墨烯的层数由石墨烯溶液和浓度和旋涂转速或滴定剂量决定。本方法适用于石墨烯应用于其他所有半导体材料及器件。
其中步骤1生长GaN基材料所用的衬底为蓝宝石、硅、碳化硅等常规衬底，生长方法为金属有机化合物气相沉积法(MOCVD)，通过“两步生长法”生长GaN基材料，生长的GaN基材料包括GaN、AlN、InN以及他们所构成的三元或多元合金材料中的一种。
其中步骤2配置石墨烯溶液，根据质量比配置一定浓度的石墨烯溶液，所用溶剂为去离子水、酒精或者二甲基甲酰胺等溶剂，石墨烯为固态片状石墨烯。通过恒温超声波振荡的方式，实现石墨烯在溶剂中的充分分散，获得石墨烯溶液。
如所述石墨烯溶液的浓度为0.1mg/mL的石墨烯水溶液，是选用固态石墨烯10mg，溶剂为去离子水100mL，在35度恒温下，超声波振动72小时得到的。
其中步骤3中光刻所用的光刻胶为通用光刻胶，根据不同GaN基光电子及微电子器件需求，界定石墨烯窗口。
其中步骤4中利用旋涂或者滴定的方式将石墨烯溶液滴加到GaN基材料表面界定石墨烯窗口中，如果利用旋涂法旋涂石墨烯，根据石墨烯溶液的浓度和所需石墨烯的层数调整石墨烯溶液旋涂转速；在利用滴定法将石墨烯转移到GaN基材料表面界定石墨烯窗口中时，根据石墨烯溶液的浓度和所需石墨烯的层数调整石墨烯溶液滴定的剂量。
其中步骤5中利用自然风干或者热板加热或者烤箱烘烤的方法，挥发石墨烯溶液的溶剂，其中用热板加热或者烤箱烘烤挥发溶剂，热板温度或烤箱温度不宜超过60度，防止石墨烯在空气中氧化。
结合附图说明本实施方式，图1为液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法流程图，包括：
(1)生长GaN基材料。其中GaN基材料包括GaN，AlN，InN以及他们组成的三元或者多元合金材料中的一种。生长过程利用“两步生长法”，即先生长缓冲层，再生长GaN基材料外延层。所生长的GaN基材料包括GaN、AlN、InN以及他们所构成的三元或多元合金材料中的一种。
(2)配置石墨烯溶液。其中石墨烯为固态石墨烯，溶剂为去离子水，或者酒精或者二甲基甲酰胺等溶剂。将一定剂量的石墨烯溶于溶剂中，利用恒温超声波振动，实现石墨烯在溶剂中的充分扩散。配置的石墨烯溶液浓度不宜太大，浓度过大，石墨烯容易发生团聚；同时，石墨烯浓度不宜过小，浓度过低GaN基材料表面的石墨烯容易不连续。
(3)界定GaN基材料表面石墨烯窗口。根据GaN基光电子或微电子器件的实际需求，界定石墨烯的窗口。如果石墨烯作为欧姆接触或者肖特基接触电极，则将石墨烯界定在光电子器件或者微电子器件电极位置；如果石墨烯作为GaN基器件的光吸收层或者电流传导层，则将石墨烯界定在光敏面或者其他所需位置。
(4)石墨烯溶液滴加到GaN基材料表面。利用旋涂法或者滴定法将石墨烯溶液滴加到界定窗口。在利用旋涂法旋涂石墨烯的过程中，根据石墨烯溶液的浓度和所需石墨烯的层数，调整旋涂速率；在利用滴定法实现石墨烯与GaN基材料结合的过程中，根据石墨烯溶液的浓度和所需石墨烯的层数，调整液态石墨烯的剂量。
(5)挥发溶剂，成功实现利用液态石墨烯完成石墨烯转移至GaN基材料表面，完成基于石墨烯的GaN基光电子或微电子器件。其中，利用热板加热或者烤箱烘干，或者自然风干的方式挥发GaN基材料表面液态石墨烯的溶剂。其中利用热板加热或者烤箱烘干石墨烯溶剂时，加热温度不宜超过60度，防止石墨烯在空气中氧化。当石墨烯溶剂挥发完全，成功实现将石墨烯应用于GaN基材料及器件。
参照图2，结合具体的实施例对本发明提供的液态石墨烯实现石墨烯/GaN肖特基结构探测器进行详细说明如下：
利用金属有机化学气相沉积方法(MOCVD)生长GaN基材料22，通过“两步生长法”生长GaN，首先在550℃下生长25nmGaN成核层，然后将***的温度升高到1050℃，生长约3μm的GaN本征外延层。
利用光刻，在GaN表面获得部分窗口区，然后通过等离子体增强化学气相沉积的方法(PECVD)，在GaN基材料22表面的窗口区生长SiO2或者Al2O3等介电膜23。本介电膜23主要用于在石墨烯端施加电压时，防止电场影响到GaN基材料22表面。
配置石墨烯溶液24，将10mg石墨烯100ml去离子水中，在35度恒温下，超声振动72小时，实现石墨烯水溶液的充分扩散。
将部分GaN基材料22表面沉积SiO2介电膜23的样品放置在旋转台21上，滴加一定剂量的石墨烯溶液24，调整旋转台转速，获得液态石墨烯与GaN接触。如用移液管滴加0.1mg/mL的石墨烯，旋转台转速300r/s，旋转10s，实现石墨烯溶液薄层覆盖在GaN基材料22和SiO2介电膜23表面。进而在空气中放置2小时，再自然风干条件下，成功获得石墨烯/GaN肖特基结构探测器，其中，石墨烯作为透明肖特基接触电极。
在SiO2介电膜23上的石墨烯表面做石墨烯肖特基接触电极测试点。在GaN表面制备欧姆电极测试点。测试结果表明，本石墨烯/GaN探测器电学特性呈现出肖特基接触特性，当在石墨烯端施加正向偏压时，探测器呈现正向导通特性；当在石墨烯端施加反向电压时，探测器呈现出反向饱和特性；在光学特性方面，本探测器除了在紫外波段具有响应外，在红外波段880nm处也有光响应。其中紫外波段的光响应来源于GaN的本征吸收，而在红外波段的光响应则来源于石墨烯。因此，利用液态石墨烯实现石墨烯/GaN探测器，不仅增加了透光性，改善了GaN肖特基结构探测器的光响应，而且，还拓展了GaN肖特基结构探测器的性能，实现了紫外-红外双色探测。
本发明方法不限于上述实施例，本发明通过液态石墨烯，成功实现将石墨烯应用于GaN基光电子和微电子器件，适用于实现石墨烯与GaN基材料以及其他所有半导体材料相结合的光电子及微电子器件。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种液态石墨烯应用于GaN基材料及器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、生长GaN基材料；
步骤2、配置石墨烯溶液；
步骤3、在GaN基材料表面界定石墨烯窗口；
步骤4、通过旋涂或者滴定的方式，将步骤2配置的石墨烯溶液滴加到GaN基材料表面界定石墨烯窗口中；
步骤5、挥发溶剂，实现基于石墨烯的GaN基器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1具体为：在基底上利用MOCVD方法，通过两步生长法生长GaN基材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底为蓝宝石、硅或碳化硅。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，GaN基材料为GaN、AlN、InN以及他们所构成的三元或多元合金材料中的一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2配置石墨烯溶液的具体步骤为，选用固态石墨烯，溶剂为去离子水、酒精或者二甲基甲酰胺，通过恒温超声波振动的方式配置得到石墨烯溶液。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述石墨烯溶液的浓度为0.1mg/mL的石墨烯水溶液，是选用固态石墨烯，溶剂为去离子水，在35度恒温下，超声波振动72小时得到的。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3具体为：利用光刻的方式在GaN基材料表面界定石墨烯窗口的位置和尺寸。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中所述旋涂的速度为300r/s。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5中所述挥发溶剂具体步骤为：利用自然风干、热板加热或者烤箱烘烤的方式挥发石墨烯中的溶剂。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的方法，其特征在于，所述石墨烯既可以作为GaN基器件的接触电极，又可以作为光吸收层或电流传导层。
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