在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法

摘要

本发明涉及一种在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法，该方法包括如下步骤：(1)在铜衬底上通过金属有机物化学气相淀积MOCVD生长石墨烯；(2)在覆盖石墨烯层的铜衬底上采用磁控溅射生长一层氮化铝薄膜；(3)将得到的氮化铝基板进行一定时间的热处理；(4)将进行热处理之后的样品放入金属有机物化学气相淀积MOCVD中依次外延低V/III比氮化镓外延层和高V/III比氮化镓外延层。该方法易在覆盖石墨烯层的铜衬底上得到质量较好的氮化镓外延层。

权利要求

1.一种在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法，包括步骤如下：(1)生长石墨烯：

(1a)将清洗后的铜箔放管式炉石英管中，抽真空10min；

(1b)通入氢气，将管式炉加热至1000℃后退火2小时；

(1c)通入碳源气体生长2小时，关闭碳源，将管式炉石英管快速降至室温，得到覆盖石墨烯的铜箔；

(2)磁控溅射氮化铝：

(2a)将覆盖石墨烯的铜衬底置于磁控溅射系统中，反应室压力为1Pa，通入氮气和氩气

5min；

(2b)以5N纯度的铝为靶材，采用射频磁控溅射，在覆盖石墨烯的铜衬底上溅射氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝的基板；

(3)热处理：

(3a)将溅射氮化铝的基板置于金属有机物化学气相淀积反应室中，向反应室通入氢气与氨气的混合气体5min；

(3b)通入氢气与氨气的混合气体5min后，将反应室加热到600℃，对溅射氮化铝的基板进行20min热处理，得到热处理后的基板；

(4)生长低V-Ш比氮化镓层：

(4a)将反应室压力降为20Torr，依次通入氢气、氨气和镓源；

(4b)在氢气、氨气和镓源的气氛下，保持反应室温度为1000℃，采用化学气相淀积法在氮化铝基板上生长氮化镓外延层，得到低V-Ш比氮化镓外延层；

(5)生长高V-Ш比氮化镓层：

(5a)保持反应室温度为1000℃，将压力升高到为40Torr，依次通入氢气、氨气和镓源；

(5b)在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用化学气相淀积法在低V-Ш比氮化镓外延层上生长氮化镓外延层；

(5c)将反应室温度降至室温后取出样品，得到在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓。

2.根据权利要求1所述的在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法，其特征在于，步骤(1c)中所述的石墨烯的厚度为0.34nm。

3.根据权利要求1所述的在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的磁控溅射氮化铝的厚度为30-100nm。

4.根据权利要求1所述的在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法，其特征在于，步骤(4b)中所述的低V-Ш比氮化镓外延层的厚度50-200nm。

5.根据权利要求1所述的在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法，其特征在于，步骤(5b)中所述的氨气流量为4000-10000sccm；镓源流量为10-200μmol/min。

6.根据权利要求1所述的在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法，其特征在于，步骤(5b)中所述的高V-Ш比氮化镓外延层的厚度为500-3000nm。

说明书

在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法

技术领域

[0001] 本发明属于电子技术领域，更进一步涉及微电子技术领域中的一种在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法。本发明可用于在石墨烯上生长氮化镓薄膜，获得的氮化镓薄膜可进一步制作成半导体器件。

背景技术

[0002] 氮化镓由于禁带宽度大、电子迁移率高、击穿电场大等优势在光电器件和电子器件等领域有广泛的应用。所以，生长高质量氮化镓薄膜是制作微波功率器件的关键。

[0003] 石墨烯是一种新颖的二维材料。其迁移率非常高。石墨烯和氮化镓的晶格失配不超过3％。因此，非常适合在其上面生长III族氮化物。

[0004] 苏州纳维科技有限公司和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所共同申请的专利“一种III族氮化物衬底的生长方法、衬底以及LED”(申请号：201110078131.8，公布号：CN 102201503 A)中公开了一种III族氮化物衬底的生长方法。该方法的具体步骤如下：(1)在支撑衬底(铜)表面生长石墨烯层；(2)在石墨烯层通过MOCVD外延III族氮化物半导体层，此步骤中III族氮化物半导体层的最高生长温度低于铜的熔点。该专利具有生长工艺简单，不会在生长中引入杂质的优点。但是，该方法仍然存在的不足之处是：由于该方法是在铜衬底上进行外延，使得后续生长的氮化物材料温度不能高于铜的熔点。而氮化铝作为常用的成核层，其适宜生长温度高于该熔点，因此该方法无法生长较好的AlN层从而使得获得的氮化物材料质量较差。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的存在不足，提供一种在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法，以提高氮化镓薄膜质量。

[0006] 为实现上述目的，本发明的具体思路是：首先，在铜衬底上生长一层石墨烯；然后，磁控溅射一层氮化铝薄膜，以缓解衬底与氮化镓之间由于晶格失配产生的应力；最后，再将样品放入金属有机物化学气相淀积MOCVD中依次外延氮化铝过渡层、低V/III比GaN外延层和高V/III比GaN外延层。

[0007] 实现本发明目的技术关键是：采用石墨烯、磁控溅射氮化铝成核层和金属有机物化学气相淀积MOCVD脉冲法外延氮化铝的方式，首先在铜衬底上生长石墨烯，然后磁控溅射氮化铝成核层、最后在通过金属有机物化学气相淀积MOCVD外延氮化镓外延层；通过调节各层生长的压力、流量、温度以及厚度生长条件，提高氮化镓薄膜的质量。

[0008] 本发明的具体步骤包括如下：

[0009] (1)生长石墨烯：

[0010] (1a)将清洗后的铜箔放管式炉石英管中，抽真空10min；

[0011] (1b)通入氢气，将管式炉加热至1000℃后退火2小时；

[0012] (1c)通入碳源气体生长2小时，关闭碳源，将管式炉石英管快速降至室温，得到覆盖石墨烯的铜箔；

[0013] (2)磁控溅射氮化铝：

[0014] (2a)将覆盖石墨烯的铜衬底置于磁控溅射系统中，反应室压力为1Pa，通入氮气和氩气5min；

[0015] (2b)以5N纯度的铝为靶材，采用射频磁控溅射，在覆盖石墨烯的铜衬底上溅射氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝的基板；

[0016] (3)热处理：

[0017] (3a)将溅射氮化铝的基板置于金属有机物化学气相淀积金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD反应室中，向反应室通入氢气与氨气的混合气体5min；

[0018] (3b)通入氢气与氨气的混合气体5min后，将反应室加热到600℃，对溅射氮化铝的基板进行20min热处理，得到热处理后的基板；

[0019] (4)生长低V-Ш比氮化镓层：

[0020] (4a)将反应室压力降为20Torr，温度降到1000℃，依次通入氢气、氨气和镓源；

[0021] (4b)在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用化学气相淀积法在氮化铝外延层上生长氮化镓外延层，得到低V-Ш比氮化镓外延层；

[0022] (5)生长高V-Ш比氮化镓层：

[0023] (5a)保持反应室温度为1000℃，将压力升高到为40Torr，依次通入氢气、氨气和镓源；

[0024] (5b)在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用化学气相淀积法在低V-Ш比氮化镓外延层上生长氮化镓外延层；

[0025] (5c)将反应室温度降至室温后取出样品，得到氮化镓薄膜。

[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0027] 第一，由于本发明采用磁控溅射生长氮化铝，克服了现有技术后续生长的氮化物材料温度不能高于铜的熔点影响氮化物材料质量的不足，使得本发明具有氮化物材料的生长温度上限低的优点。

[0028] 第二，由于本发明采用磁控溅射生长氮化铝，克服了其氮化物材料只能在晶格失配较小的衬底上生长的不足，使得本发明具有氮化镓可以在晶格失配较大的衬底上进行生长的优点。

附图说明

[0029] 图1是本发明的流程图；

[0030] 图2是本发明的剖面结构示意图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案和效果做进一步的说明。

[0032] 参照附图1，本发明的具体步骤如下：

[0033] 步骤1：生长石墨烯。

[0034] 首先，将清洗后的铜箔放管式炉石英管中，抽真空10min；然后，通入氢气将管式炉加热至1000℃后退火2小时；最后，通入碳源气体生长2小时，关闭碳源，将管式炉石英管快速降至室温，得到覆盖石墨烯的铜箔。

[0035] 步骤2：磁控溅射氮化铝。

[0036] 将覆盖石墨烯的铜衬底置于磁控溅射系统中，反应室压力为1Pa，通入氮气和氩气5min。以5N纯度的铝为靶材，采用射频磁控溅射，在覆盖石墨烯的硅衬底上溅射30-100nm的氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝的基板，其中氨气流量为1000sccm；铝源流量为5-100μmol/min。

[0037] 步骤3：热处理。

[0038] 将溅射氮化铝的基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，向反应室通入氢气与氨气的混合气体5min，通入氢气与氨气的混合气体5min后，将反应室加热到600℃，对溅射氮化铝的基板进行20min热处理，得到热处理后的基板。

[0039] 步骤4：低V-Ш比氮化镓层。

[0040] 将反应室压力降为20Torr，温度降到1000℃，依次通入氢气、氨气和镓源，在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用化学气相淀积法在氮化铝基板上生长50-200nm的氮化镓外延层，得到低V-Ш比氮化镓外延层,其中镓源流量为10-200μmol/min；氨气流量为1000-3500sccm。

[0041] 步骤5：生长高V-Ш比氮化镓层。

[0042] 保持反应室温度为1000℃，将压力升高到为40Torr，依次通入氢气、氨气和镓源，在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用化学气相淀积法在低V-Ш比氮化镓外延层上生长500-3000nm的氮化镓外延层，其中镓源流量为10-200μmol/min；氨气流量为4000-10000sccm。然后将反应室温度降至室温后取出样品，得到c面氮化镓薄膜。

[0043] 参照附图2，本发明上述方法制作的基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的氮化镓，它自下而上依次是铜衬底层1、石墨烯层2、磁控溅射氮化铝成核层3、低V-Ш比氮化镓层4和高V-Ш比氮化镓层5。

[0044] 为了说明本发明易在石墨烯上制备出质量较好的氮化镓薄膜，本发明基于在石墨烯上通过磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法，给出如下实施例，对本发明在石墨烯上通过磁控溅射氮化铝的氮化镓生长进行说明。参照附图2，磁控溅射氮化铝成核层的厚度为30-80nm，低V-Ш比氮化镓层的厚度为50-200nm，高V-Ш比氮化镓层的厚度为500-3000nm。

[0045] 实施例1：在石墨烯上通过磁控溅射氮化铝生长氮化镓薄膜。

[0046] 步骤一：生长石墨烯。

[0047] 首先，将清洗后的铜箔放管式炉石英管中，抽真空10min；然后，通入氢气将管式炉加热至1000℃后退火2小时；最后，通入碳源气体生长2小时，关闭碳源，将管式炉石英管快速降至室温，得到石墨烯。

[0048] 步骤二：磁控溅射氮化铝。

[0049] 将覆盖石墨烯的铜衬底置于磁控溅射系统中，反应室压力为1Pa，通入氮气和氩气5min，以5N纯度的铝为靶材，采用射频磁控溅射，在覆盖石墨烯的铜衬底上溅射30nm的氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝的基板，如图2中3所示。

[0050] 步骤三：热处理。

[0051] 将溅射氮化铝的基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，向反应室通入氢气与氨气的混合气体5min,通入氢气与氨气的混合气体5min后，将反应室加热到600℃，对溅射氮化铝的基板进行20min热处理，得到热处理后的基板。

[0052] 步骤四：生长低V-Ш比氮化镓层。

[0053] 将反应室压力降为20Torr，温度降到1000℃，依次通入氢气、氨气和镓源,在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用化学气相淀积法在氮化铝基板上生长100nm的氮化镓外延层，得到低V-Ш比氮化镓外延层,其中镓源流量为120μmol/min；氨气流量为3000sccm.如图2中4所示。

[0054] 步骤五：生长高V-Ш比氮化镓层。

[0055] 保持反应室温度为1000℃，将压力升高到为40Torr，依次通入氢气、氨气和镓源,在氢气、氨气和镓源的气氛下，采用化学气相淀积法在低V-Ш比氮化镓外延层上生长1500nm的氮化镓外延层，其中镓源流量为120μmol/min；氨气流量为5000sccm.如图2中5所示。最后将反应室温度降至室温后取出样品，得到c面氮化镓薄膜。