本發明專利技術公開了一種基于GaN襯底的石墨烯CVD直接外延生長方法，采用III-V族化合物半導體GaN作為襯底，通過對GaN襯底進行合理的預處理，調節生長壓力，流量以及溫度，實現了石墨烯生長的最優化，在GaN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯無需轉移過程，便可以直接用于制造各種器件，為氮化鎵-石墨烯結構器件提供了材料，提高了器件的電學特性，可靠性，降低了器件制造的復雜性。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于半導體材料與器件制造
，涉及半導體材料的生長方法，特別是一種基于III-V族半導體氮化鎵襯底的石墨烯CVD外延生長方法，可用于無需轉移的大面積石墨烯材料的生長制備，并為氮化鎵-石墨烯器件的制造提供材料。
技術介紹
石墨烯是一種由碳原子組成的二維晶體，是目前已知最輕最薄的材料，具有非常奇特的物理化學性質，具有突出的產業優勢，有望替代Si成為下一代基礎半導體材料的新材料。·過渡族金屬催化化學氣象沉積(CVD)外延是國際上廣泛采用的大面積石墨烯制備的方法，它不受襯底尺寸的限制，設備簡單，可以大批量生產。但是，CVD外延制備的原生石墨烯下方的金屬襯底導電性使得其無法直接應用，必須依賴襯底轉移技術，將金屬襯底去除然后轉移至合適的襯底上，而在轉移過程中不可避免地會對石墨烯薄膜產生污染和損壞，影響石墨烯材料和器件的性能。氮化鎵(GaN)作為一種寬禁帶材料，具有良好的多種性能，成為電子、光電研究領域的熱門研究課題。可用于制備高電子遷移率晶體管、太陽能電池、紫外探測器、發光器件等。特別是石墨烯發現之后，作為六方纖鋅礦晶體，氮化鎵和石墨烯的結合能夠有效減少晶格失配、提高石墨烯的質量和面積，具有獨特的優勢。氮化鎵-石墨烯器件結構已經成為研究熱點。因此，在氮化鎵襯底上直接利用CVD方法外延生長石墨烯，能夠減小晶格失配，避免轉移過程中殘膠引起的性能退化，提高石墨烯和氮化鎵襯底接觸質量，具有重要的意義。
技術實現思路
本專利技術的目的在于為了克服現有技術問題，提供一種基于氮化鎵襯底的石墨烯氣相化學沉積(CVD)方法，以在氮化鎵襯底上直接生長石墨烯薄膜，為氮化鎵-石墨烯結構器件提供材料。實現本專利技術的技術關鍵是采用III-V族化合物半導體GaN作為襯底，通過對GaN襯底進行合理的預處理，調節生長壓力，流量以及溫度，實現了石墨烯生長的最優化，在GaN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯無需轉移過程，便可以直接用于制造各種器件，為氮化鎵-石墨烯結構器件提供了材料，提高了器件的電學特性，可靠性，降低了器件制造的復雜性。其生長步驟包括如下(I)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗,每次時間5 lOmin，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣(99.9999%)吹干。(2)將GaN襯底放入化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10_5 10_6Torr，以去除反應室內的殘留氣體；(3)向反應室內通入高純Ar，溫度150 250°C，保持10 30min，然后抽真空至I O-5IO-6Torr，排出襯底表面吸附氣體。(4)向反應室內通入H2進行襯底表面預處理，氣體流量I 20sccm，反應室真空度O. I ITorr,襯底溫度900 1000°C,處理時間I IOmin ；(5)向反應室中通入HjPCH4,保持HjPCH4的流量比為10 : I 2 : 1，H2流量20 2008(3011，014流量I 20sccm，氣壓維持在O. I latm，溫度1000 1200°C，升溫時間20 60min，保持時間20 60min ；(6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，氣壓O. I latm，完成石墨烯的生長。(7)溫度降至100°C以下，關閉CH4、H2，通入Ar，打開反應室，取出樣品。本專利技術具有如下優點I.由于采用基于氮化鎵襯底的常壓無催化金屬的石墨烯CVD外延生長方法，無需在后續步驟中對石墨稀進打轉移，避免了對石墨稀材料的破壞。2.由于采用于氮化鎵襯底的石墨烯CVD外延生長方法，可以直接在氮化鎵襯底上制造石墨稀器件，為氣化嫁_石墨稀器件提供材料基礎。附圖說明·圖I是本專利技術的氮化鎵襯底上石墨烯薄膜化學氣相沉積(CVD)生長流程圖；圖2是本專利技術的氮化鎵襯底上石墨烯薄膜化學氣相沉積(CVD)生長結構示意圖。具體實施例方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定專利技術。具體實施例方式實施例I在氮化鎵襯底上制備石墨烯薄膜。(I)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗,每次時間lOmin，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣(99.9999% )吹干。(2)將GaN襯底放入化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10_5Torr，以去除反應室內的殘留氣體；(3)向反應室內通入高純Ar，溫度150°C，保持lOmin，然后抽真空至10_5Torrd_出襯底表面吸附氣體。(4)向反應室內通入H2進行襯底表面預處理，氣體流量lsccm，反應室真空度O. ITorr，襯底溫度900°C，處理時間Imin ；(5)向反應室中通入HjPCH4,保持HJPCH4的流量比為10 :1，H2流量20sccm，CH4流量2sccm,氣壓維持在O. latm,溫度1200°C,升溫時間20min,保持時間50min ；(6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，氣壓O. latm，完成石墨烯的生長。(7)溫度降至100°C以下，關閉CH4、H2，通入Ar，打開反應室，取出樣品。實施例2在氮化鎵襯底上制備石墨烯薄膜。(I)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗,每次時間8min，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣(99.9999% )吹干。(2)將GaN襯底放入化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反應室內的殘留氣體；(3)向反應室內通入高純Ar，溫度250°C，保持30min，然后抽真空至KT6Torr，排出襯底表面吸附氣體。(4)向反應室內通入H2進行襯底表面預處理，氣體流量20sccm，反應室真空度ITorr，襯底溫度1000°C，處理時間IOmin ；(5)向反應室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比為2 1，H2流量200sccm,CH4流量IOOsccm,氣壓維持在latm,溫度1100°C,升溫時間60min,保持時間20min ； (6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，氣壓latm，完成石墨烯的生長。(7)溫度降至100°C以下，關閉CH4、H2，通入Ar，打開反應室，取出樣品。實施例3在氮化鎵襯底上制備石墨烯薄膜。(I)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗,每次時間5min，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣(99.9999% )吹干。(2)將GaN襯底放入化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反應室內的殘留氣體；(3)向反應室內通入高純Ar，溫度100°C，保持20min，然后抽真空至KT6Torr，排出襯底表面吸附氣體。(4)向反應室內通入H2進行襯底表面預處理，氣體流量lOsccm，反應室真空度O. 5Torr，襯底溫度950°C，處理時間IOmin ；(5)向反應室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比為5 1，H2流量IOOsccm,CH4流量20sccm，氣壓維持在O. 5atm，溫度1100°C，升溫時間40min，保持時間30min ；(6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，氣壓O. 5atm,完成石墨烯的生長。(7)溫度降至1本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于氮化鎵襯底的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，采用III？V族化合物半導體GaN作為襯底，通過對GaN襯底進行合理的預處理，調節生長壓力，流量以及溫度，實現了石墨烯生長的最優化，在GaN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯無需轉移過程，為氮化鎵？石墨烯結構器件提供了材料，可直接用于制造各種器件。
【技術特征摘要】
1.一種基于氮化鎵襯底的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于， 采用III-V族化合物半導體GaN作為襯底，通過對GaN襯底進行合理的預處理，調節生長壓力，流量以及溫度，實現了石墨烯生長的最優化，在GaN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯無需轉移過程，為氮化鎵-石墨烯結構器件提供了材料，可直接用于制造各種器件。2.如權利要求I所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，其生長方法實現步驟包括如下 (1)將GaN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗,每次時間5 lOmin，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣吹干； (2)將GaN襯底放入化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10_5 10_6Torr，以去除反應室內的殘留氣體； (3)向反應室內通入高純Ar，排出襯底表面吸附氣體； (4)向反應室內通入H2進行襯底表面預處理； (5)向反應室中通入H2和CH4; (6)自然降溫，保持工序(5)中的H2和CH4流量不變，完成石墨烯的生長； (7)溫度降至100°C以下，關閉CH4、H2，通入Ar，打開反應室，取出樣品。...
【專利技術屬性】
技術研發人員：寧靜，王東，韓碭，閆景東，柴正，張進成，郝躍，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：
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