一種石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，首先準(zhǔn)備一襯底，在襯底上制備石墨烯薄層；然后在石墨烯薄層上生長GaN緩沖層；所述GaN緩沖層上生長有本征GaN層，所述GaN緩沖層包括低溫GaN緩沖層與高溫GaN緩沖層，所述GaN緩沖層采用間斷式多次重結(jié)晶退火生長的若干厚度相同的低溫GaN緩沖薄層與若干高溫GaN緩沖薄層構(gòu)成。本發(fā)明突出效果為：采用石墨烯作為GaN緩沖層與襯底之間的應(yīng)力釋放基底，可將石墨烯作為基底的功能最大限度的發(fā)揮，有效的突破了兩步生長法所能達(dá)到的晶格位錯密度極限，將原有位錯密度降低一個數(shù)量級以上。
【專利說明】 —種石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于外延生長領(lǐng)域，尤其涉及一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，器件級GaN外延壘晶多采用MOCVD方式制成。由于GaN材料具有寬帶隙，高電子遷移率，高熱導(dǎo)率，高硬度，高穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，較小的介電常數(shù)和耐高溫等一系列優(yōu)點(diǎn)，故而其在商業(yè)化高亮度發(fā)光二極管及半導(dǎo)體激光器等半導(dǎo)體應(yīng)用材料中有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用價值和巨大的市場潛力。GaN外延片多是采用異質(zhì)外延的方式在其他材料的襯底上壘晶而成，常用異質(zhì)外延襯底為藍(lán)寶石(A1203)、碳化硅(SiC)等。而這兩種外延襯底與GaN之間存在大的晶格失配(16%)和熱脹失配系數(shù)(34%)，導(dǎo)致GaN外延層的位錯密度大，晶體質(zhì)量較差，目前常用的長晶辦法是使用低溫GaN或者AlN作為緩沖層的兩步生長法工藝，以達(dá)到有效提聞GaN外延層晶體質(zhì)量的目的。
[0003]GaN外延緩沖層的生長模式及質(zhì)量好壞至關(guān)重要，不但要實(shí)現(xiàn)GaN在高失配的襯底上的成核，還要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)二維的生長以保證其表面適當(dāng)?shù)钠秸?，進(jìn)而有利于基于此緩沖層上生長的外延層趨于更好更低位錯密度的二維生長，從而提高GaN外延層的晶體質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)緩沖層的三維成核需要低的五三比及低的生長溫度，而準(zhǔn)二維生長則相反，需要高的五三比及高的生長溫度，如何平衡好這一生長條件的矛盾關(guān)系，決定了整個外延層的晶格質(zhì)量的高低及位錯密度的量級。
[0004]以藍(lán)寶石襯底為例，先在低溫環(huán)境下(400°C 1(TC)生長一層底層GaN成核層，由于該層在低溫下生長，未能形成二維層狀生長，但可形成GaN成核晶種，為下一步形成高質(zhì)量的二維層狀生長奠定成核條件；接著升高溫度至1000°C以上，配合適當(dāng)?shù)纳L速率及五三比，即可形成較高質(zhì)量的GaN層結(jié)構(gòu)；最后，在此較高質(zhì)量的未摻雜GaN結(jié)構(gòu)層上，繼續(xù)壘晶生長出各種器件級GaN外延功能層，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用目的。GaN緩沖層的長晶質(zhì)量及該層所能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)力釋放效果，對于上層GaN外延層的晶格質(zhì)量提升及位錯密度的降低起著決定性效果，故尋求能更為高效的釋放應(yīng)力，提供生長更高質(zhì)量GaN外延層的緩沖層，是GaN外延生長【技術(shù)領(lǐng)域】里基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目之一。
[0005]專利申請201110112819中揭示了一種以石墨烯為緩沖層外延GaN結(jié)構(gòu)的制作方法，通過以石墨烯為緩沖層以提高外延晶體的質(zhì)量，但此申請中僅只是在原有傳統(tǒng)GaN緩沖層兩步生長法的基礎(chǔ)上，在襯底與緩沖層之間插入石墨烯層作為應(yīng)力釋放基底，仍然不能突破晶格位錯密度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN外延層的制備方法。
[0007]本發(fā)明的目的，將通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn): 一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，首先準(zhǔn)備一襯底，在襯底上制備石墨烯薄層；然后在石墨烯薄層上生長GaN緩沖層；所述GaN緩沖層上生長有本征GaN層，所述GaN緩沖層包括低溫GaN緩沖層與高溫GaN緩沖層，所述GaN緩沖層采用間斷式多次重結(jié)晶退火生長的若干厚度相同的低溫GaN緩沖薄層與若干高溫GaN緩沖薄層構(gòu)成，包括如下步驟，
SI，在氫氣與氮?dú)饣旌戏諊?，將帶有石墨烯薄層的襯底升溫500-700°C，生長厚度范圍為InnTlOnm的第一層低溫GaN緩沖薄層；
S2，關(guān)閉氮?dú)?，停止通入MO源10S-60S，在純氫氣氛圍中進(jìn)行第一層低溫GaN緩沖薄層的退火處理，所述退火處理的時間即是停止通MO源的時間；
S3，待S2結(jié)束后，開啟氮?dú)猓ㄈ隡O源，繼續(xù)生長第二層低溫GaN緩沖薄層；
S4,在第二層低溫GaN緩沖層上重復(fù)生長若干低溫GaN緩沖薄層構(gòu)成低溫GaN緩沖層；S5，升溫至1000-1050°C，在氮?dú)馀c氫氣混合氣的氣氛下，在低溫GaN緩沖層上生長厚度為100nnT200nm的第一層高溫GaN緩沖薄層；
S6，關(guān)閉氮?dú)猓Ｖ雇ㄈ隡O源10S-60S，在純氫氣氛圍中進(jìn)行第一層高溫GaN緩沖薄層的退火處理；
S7，待S6結(jié)束后，開啟氮?dú)?，通入MO源，繼續(xù)生長厚度為100nnT200nm的第二層高溫GaN緩沖薄層；
S8，在第二層高溫GaN緩沖層上重復(fù)生長若干厚度相同的高溫GaN緩沖薄層構(gòu)成高溫GaN緩沖層。
[0008]優(yōu)選地，所述本征GaN層生長高溫GaN緩沖層上，生長溫度為107(Tll20°C。
[0009]優(yōu)選地，所述低溫GaN緩沖層的厚度為10nnT50nm，所述高溫GaN緩沖層的厚度為1000nnT3000nm。
[0010]優(yōu)選地，所述氣氛流量條件為H2為20L?50L，N2為20L?50L。
[0011]優(yōu)選地，所述襯底的石墨烯薄層先采用MOCVD設(shè)備通過化學(xué)氣相沉積方法在襯底上生長，再采用機(jī)械剝離法從生長基底上剝離制得。
[0012]優(yōu)選地，所述襯底為藍(lán)寶石或碳化硅襯底。
[0013]優(yōu)選地，在生長石墨烯薄層時，采用氫氣氛圍，溫度為1100CT1200C，持續(xù)加熱20?40min。
[0014]一種采用以上方法制備的緩沖層結(jié)構(gòu)，包括一襯底，所述襯底上依次生長石墨烯薄層、低溫氮化鎵層、高溫氮化鎵層，本征氮化鎵層，所述低溫氮化鎵層由若干層相同厚度的低溫氮化鎵薄層組成，所述高溫氮化鎵層由若干層相同厚度的高溫氮化鎵薄層組成。
[0015]本發(fā)明突出效果為:采用石墨烯作為GaN緩沖層與襯底之間的應(yīng)力釋放基底，可將石墨烯作為基底的功能最大限度的發(fā)揮，有效的突破了兩步生長法所能達(dá)到的晶格位錯密度極限，將原有位錯密度降低一個數(shù)量級以上。
[0016]以下便結(jié)合實(shí)施例附圖，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳述，以使本發(fā)明技術(shù)方案更易于理解、掌握。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的緩沖層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明低溫GaN緩沖層的制備過程示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明高溫GaN緩沖層的制備過程示意圖。
[0020]圖4是傳統(tǒng)生長方法基于石墨烯緩沖層上生長100nm后的GaN外延層SEM下觀察示意圖。
[0021]圖5為采用本方法生長后的SEM下觀察示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明提供了一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，結(jié)合圖1-圖3所示，本發(fā)明生長采用Aixtron公司MOCVD設(shè)備，使用NH3、TMGa別作為N、Ga源。首先準(zhǔn)備一襯底，在襯底上制備石墨烯薄層；然后在石墨烯薄層上生長GaN緩沖層、本征GaN層。所述襯底為藍(lán)寶石或碳化硅襯底。所述襯底的石墨烯薄層先采用MOCVD設(shè)備通過化學(xué)氣相沉積方法在襯底上生長，再采用機(jī)械剝離法從生長基底上剝離制得。在化學(xué)氣相沉積采用氫氣氛圍，溫度為1100CT1200C，持續(xù)加熱2(T40min。此方法現(xiàn)有技術(shù)中已有揭示，在此不再贅述。
[0023]所述GaN緩沖層包括厚度為10ηπΓ50ηπι低溫GaN緩沖層與厚度為1000nnT3000nm的高溫GaN緩沖層。所述GaN緩沖層采用間斷式多次重結(jié)晶退火生長的若干厚度相同的低溫GaN緩沖薄層與若干高溫GaN緩沖薄層構(gòu)成，包括如下步驟，
SI，在氫氣與氮?dú)饣旌戏諊?，將帶有石墨烯薄層的襯底升溫500-700°C，生長厚度范圍為InnTlOnm的第一層低溫GaN緩沖薄層；所述氣氛流量條件均為H2:20L^50L, N2:20L"50Lo
[0024]S2，關(guān)閉氮?dú)?，停止通入MO源10S-60S，在純氫氣氛圍中進(jìn)行第一層低溫GaN緩沖薄層的退火處理；
S3，待S2結(jié)束后，開啟氮?dú)猓ㄈ隡O源，繼續(xù)生長第二層低溫GaN緩沖薄層；
S4,在第二層低溫GaN緩沖層上重復(fù)生長若干低溫GaN緩沖薄層構(gòu)成低溫GaN緩沖層；本發(fā)明中重復(fù)生長5-10次。
[0025]通過間斷式的多次生長和退火重鑄，使得低溫GaN緩沖層既可以實(shí)現(xiàn)有效的三維成核，同時，在退火重鑄過程中，將原本質(zhì)量較差，晶格物相偏離較大的GaN晶面層，重新解離分解后，被反應(yīng)室內(nèi)載氣帶離，只保留下長晶質(zhì)量較高的部分，使之混相度大大降低至30%以下。相較原有傳統(tǒng)兩步生長法中的低溫GaN緩沖層中的混相度比例降低明顯，更有利于后續(xù)的高溫GaN緩沖層的生長，
S5，升溫至1000-1050°C，在氮?dú)馀c氫氣混合氣的氣氛下，在低溫GaN緩沖層上生長厚度為100nnT200nm的第一層高溫GaN緩沖薄層；所述氣氛流量條件均為H2:20L^50L, N2:20L"50Lo
[0026]S6，關(guān)閉氮?dú)?，停止通入MO源10S-60S，在純氫氣氛圍中進(jìn)行第一層高溫GaN緩沖薄層的退火處理；
S7，待S6結(jié)束后，開啟氮?dú)?，通入MO源，繼續(xù)生長厚度為100nnT200nm的第二層高溫GaN緩沖薄層；
S8，在第二層高溫GaN緩沖層上重復(fù)生長若干厚度相同的高溫GaN緩沖薄層構(gòu)成高溫GaN緩沖層，本發(fā)明中重復(fù)生長5-10次即可。
[0027]在生長高溫GaN緩沖層時，繼續(xù)重復(fù)該制備方法，通過間斷式的多次生長和退火重鑄，將原有質(zhì)量較差的晶格物相偏離較大GaN結(jié)構(gòu)，及時重新解離，清除出GaN外延層，使得高溫GaN緩沖層能在更薄的緩沖層厚度范圍內(nèi)，將原本的存在于低溫GaN緩沖層中的位錯線引導(dǎo)到邊界處，更有效的抑制晶格位錯的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)晶格質(zhì)量提升及位錯密度的降低，生長出的高溫GaN緩沖層表面更為平滑，更趨近于二維生長，為后續(xù)的本征GaN外延層生長提供更好的生長基底。
[0028]所述本征GaN層生長高溫GaN緩沖層上，生長溫度為107(Tll20°C，所述本征GaN層，其晶格質(zhì)量高，位錯密度可以實(shí)現(xiàn)107數(shù)量級。
[0029]石墨烯晶格常數(shù)為0.246nm,藍(lán)寶石晶格常數(shù)為0.4785,而GaN晶格常數(shù)約為
0.319，石墨烯與藍(lán)寶石晶格間距相互互補(bǔ)，具備能有效調(diào)和藍(lán)寶石襯底與GaN之間的晶格失配帶來的應(yīng)力失配。該方法簡單有效，提供了一種新的在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN外延層的制備方法。
[0030]結(jié)合圖4-5所示，從SEM下觀察，表明了其致密性均有較大提高，后續(xù)基于其上的GaN結(jié)構(gòu)層生長后的長晶質(zhì)量會有更大的提升。
[0031]本發(fā)明尚有多種實(shí)施方式，凡采用等同變換或者等效變換而形成的所有技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，首先準(zhǔn)備一襯底，在襯底上制備石墨烯薄層；然后在石墨烯薄層上生長GaN緩沖層；其特征在于:所述GaN緩沖層上生長有本征GaN層，所述GaN緩沖層包括低溫GaN緩沖層與高溫GaN緩沖層，所述GaN緩沖層采用間斷式多次重結(jié)晶退火生長的若干厚度相同的低溫GaN緩沖薄層與若干高溫GaN緩沖薄層構(gòu)成，包括如下步驟， SI，在氫氣與氮?dú)饣旌戏諊?，將帶有石墨烯薄層的襯底升溫500-700°C，生長厚度范圍為InnTlOnm的第一層低溫GaN緩沖薄層； S2，關(guān)閉氮?dú)?，停止通入MO源10S-60S，在純氫氣氛圍中進(jìn)行第一層低溫GaN緩沖薄層的退火處理； S3，待S2結(jié)束后，開啟氮?dú)?，通入MO源，繼續(xù)生長第二層低溫GaN緩沖薄層； S4,在第二層低溫GaN緩沖層上重復(fù)生長若干低溫GaN緩沖薄層構(gòu)成低溫GaN緩沖層； S5，升溫至1000-1050°C，在氮?dú)馀c氫氣混合氣的氣氛下，在低溫GaN緩沖層上生長厚度為100nnT200nm的第一層高溫GaN緩沖薄層； S6，關(guān)閉氮?dú)?，停止通入MO源10S-60S，在純氫氣氛圍中進(jìn)行第一層高溫GaN緩沖薄層的退火處理； S7，待S6結(jié)束后，開啟氮?dú)?，通入MO源，繼續(xù)生長厚度為100nnT200nm的第二層高溫GaN緩沖薄層； S8，在第二層高溫GaN緩沖層上重復(fù)生長若干厚度相同的高溫GaN緩沖薄層構(gòu)成高溫GaN緩沖層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，其特征在于:所述本征GaN層生長高溫GaN緩沖層上，生長溫度為107(Γ?120?。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，其特征在于:所述低溫GaN緩沖層的厚度為10nnT50nm，所述高溫GaN緩沖層的厚度為1000nnT3000nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，其特征在于:所述氣氛流量條件為H2為20L?50L，N2為20L?50L。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，其特征在于:所述襯底的石墨烯薄層先采用MOCVD設(shè)備通過化學(xué)氣相沉積方法在襯底上生長，再采用機(jī)械剝離法從生長基底上剝離制得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，其特征在于:所述襯底為藍(lán)寶石或碳化硅襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種在石墨烯基底上生長高質(zhì)量GaN緩沖層的制備方法，其特征在于:在生長石墨烯薄層時，采用氫氣氛圍，溫度為1100CT1200C，持續(xù)加熱2(T40min。
8.一種采用如權(quán)利要求1所述的方法制備的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括一襯底，所述襯底上依次生長石墨烯薄層、低溫氮化鎵層、高溫氮化鎵層，本征氮化鎵層，所述低溫氮化鎵層由若干層相同厚度的低溫氮化鎵薄層組成，所述高溫氮化鎵層由若干層相同厚度的高溫氮化鎵薄層組成。
【文檔編號】H01L21/02GK104409319SQ201410580296
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】南琦, 王懷兵, 王輝, 吳岳, 傅華 申請人:蘇州新納晶光電有限公司