利用石墨烯或氧化石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法
【專(zhuān)利摘要】一種利用石墨烯或氧化石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法，包括以下步驟：（1）配制濃度為0.005-0.1mg/ml的石墨烯納米片分散液或濃度為0.001-0.02mg/ml的氧化石墨烯納米片分散液；（2）將配好的石墨烯納米片分散液或氧化石墨烯納米片分散液直接涂于用于制備GaN晶體的襯底上，烘干后待用，烘干方法是在真空干燥箱內(nèi)80℃-200℃干燥1-8小時(shí)；（3）將制備好的襯底放入氫化物氣相外延系統(tǒng)中進(jìn)行GaN晶體外延生長(zhǎng)。該方法減小了GaN單晶的位錯(cuò)密度，GaN晶體質(zhì)量有明顯的提高，無(wú)需采用復(fù)雜、昂貴的工藝制備具有特殊結(jié)構(gòu)的氮化鎵基板，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，且生長(zhǎng)溫度低，適用于批量生產(chǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】利用石墨烯或氧化石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用石墨烯或氧化石墨烯納米片二維材料獲得高質(zhì)量氮化鎵晶體的生長(zhǎng)方法，旨在提高外延生長(zhǎng)的GaN晶體質(zhì)量，屬于氮化鎵晶體生長(zhǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來(lái)，石墨烯和氧化石墨烯以其特有的優(yōu)異性質(zhì)越來(lái)越受到人們的重視。國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家都在努力開(kāi)拓其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]以氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具有寬禁帶寬度，高擊穿電壓、高電子遷移率、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，適于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件以及藍(lán)、綠光和紫外光電子器件。在半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、紫外探測(cè)器以及高能高頻電子器件等方面有廣闊的應(yīng)用前景。由于氮化鎵單晶生長(zhǎng)非常困難，成本極高，又由于缺乏氮化鎵體塊單晶，因此目前氮化鎵材料往往都是生長(zhǎng)在異質(zhì)襯底上如藍(lán)寶石、碳化硅和硅等。異質(zhì)襯底上生長(zhǎng)晶體需要材料襯底和外延層之間的成核問(wèn)題；此外，由于不同材料之間存在晶格常數(shù)以及其他物理性質(zhì)的差異，導(dǎo)致襯底材料和氮化鎵單晶之間的晶格失配和熱失配較大，在外延的GaN單晶生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和較高的位錯(cuò)密度，嚴(yán)重影響了氮化鎵基器件的性能，因此降低氮化鎵單晶的位錯(cuò)密度是制備高質(zhì)量GaN基器件的如提。
[0004]目前，降低異質(zhì)外延GaN單晶的位錯(cuò)密度的方法有以下幾種:空位輔助分離 法(Void-assisted separation)[參見(jiàn) Y.0shima, et al,phys.stat.sol.(a)，194 (2002) 554-558]、側(cè)向外延過(guò)生長(zhǎng)法(ELOG)[參見(jiàn) H.H.Huang, et al, J.Cryst.Growth311 (2009) 3029 - 3032]以及制備納米結(jié)構(gòu)的襯底[參見(jiàn) C.L.Chao, Appl.Phys.Lett.95(2009)051905]等方法。采用這些方法生長(zhǎng)出GaN單晶的質(zhì)量都有一定程度的提高，相應(yīng)的位錯(cuò)密度也有一定程度的減小，但是這些方法大都需要復(fù)雜的光刻工藝或者生長(zhǎng)工藝。
[0005]中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN102769081A公開(kāi)了一種利用石墨烯作為緩沖層外延GaN的結(jié)構(gòu)和制備方法，該方法通過(guò)采用石墨烯層作為襯底與氮化鎵外延層之間的緩沖層，在石墨烯層和GaN層之間插入氮化物薄層，獲得低應(yīng)力、高質(zhì)量的GaN外延層。但是該方法操作過(guò)程復(fù)雜，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有降低GaN單晶位錯(cuò)密度的方法所存在的問(wèn)題，提供一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉的利用在襯底上涂有石墨烯或氧化石墨烯納米片生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法，該方法利用氫化物氣相外延(HVPE)直接在部分覆蓋二維材料的襯底上生長(zhǎng)GaN單晶。
[0007]本發(fā)明的利用石墨烯或氧化石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法，是將石墨烯或氧化石墨烯涂于襯底上后，得到被石墨烯或氧化石墨烯部分覆蓋的襯底，進(jìn)一步在這種襯底上進(jìn)行HVPE外延生長(zhǎng)GaN晶體；具體包括以下步驟:[0008](I)配制濃度為0.005-0.lmg/ml的石墨烯納米片分散液，或濃度為
0.001-0.02mg/ml的氧化石墨烯納米片分散液；石墨烯納米片分散液是將石墨烯納米片分散在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)中；氧化石墨烯納米片分散液是將氧化石墨烯納米片分散在超純水中；
[0009]分散液的濃度不宜太大，否則石墨烯或氧化石墨烯納米片將覆蓋整個(gè)襯底，這樣將不利于GaN晶體的成核、生長(zhǎng)以及質(zhì)量提高。石墨烯納米片分散液優(yōu)選的濃度為
0.01-0.05mg/ml。氧化石墨烯納米片分散液優(yōu)選的濃度為0.005-0.008mg/mL.[0010](2)將配好的石墨烯納米片分散液或氧化石墨烯納米片分散液直接涂于用于制備GaN晶體的襯底上,烘干后待用，烘干方法是在真空干燥箱內(nèi)80°C _200°C干燥1_8小時(shí)；
[0011]所述襯底是用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝(MOCVD)在藍(lán)寶石、碳化硅或硅片上生長(zhǎng)的氮化鎵膜的襯底(2微米-5微米)厚，以下所述“襯底”均指這種襯底。
[0012]石墨烯或氧化石墨烯納米片分散液在襯底上整個(gè)區(qū)域的分布應(yīng)盡量均勻，這樣有利于后續(xù)步驟中GaN晶體質(zhì)量的提聞。
[0013]烘干時(shí)選擇的溫度要與對(duì)于的溶劑相適應(yīng)，對(duì)于高沸點(diǎn)的溶劑，所選擇的溫度要高一些，必要時(shí)可做高溫退火處理。步驟(2)中對(duì)于石墨烯納米片分散液優(yōu)選的烘干方法是在真空干燥箱內(nèi)120°C-180°C干燥2-4小時(shí)。對(duì)于氧化石墨烯納米片分散液烘干方法是在真空干燥箱內(nèi)40°C -120°C干燥1-8小時(shí)，優(yōu)選的烘干方法是在真空干燥箱內(nèi)80°C -120°C干燥2-3小時(shí)。
[0014](3)將制備好的襯底放入氫化物氣相外延(HVPE)系統(tǒng)中進(jìn)行GaN晶體外延生長(zhǎng)。
[0015]本發(fā)明采用在MOCVD生長(zhǎng)的GaN外延薄膜層上涂有石墨烯或氧化石墨烯二維材料，得到了部分被納米片覆蓋、部分區(qū)域露出的襯底，露出的襯底部分作用在于提供HVPE階段的成核和生長(zhǎng)，而被覆蓋的區(qū)域則阻斷了位錯(cuò)的延伸，從而減小了 GaN單晶的位錯(cuò)密度，GaN晶體質(zhì)量有明顯的提高。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜昂貴的儀器設(shè)備，成本低廉，且生長(zhǎng)溫度低(10000C -1050°C )，適合于批量生產(chǎn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明中將石墨烯納米片涂在襯底上的掃描電子顯微鏡照片。
[0017]圖2是本發(fā)明中將氧化石墨烯納米片涂在襯底上的掃描電子顯微鏡照片。
[0018]圖3是本發(fā)明得到的在涂有石墨烯納米片的襯底上生長(zhǎng)GaN晶體的高分辨XRD圖，其中左邊是GaN晶體沿著(002)面的衍射峰，右邊是GaN晶體沿著(102)面的衍射峰。
[0019]圖4是本發(fā)明得到的在涂有氧化石墨烯納米片的襯底上生長(zhǎng)GaN晶體的高分辨XRD圖，其中左邊是GaN晶體沿著(002)面的衍射峰，右邊是GaN晶體沿著(102)面的衍射峰。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1
[0021](I)配制濃度0.05mg/ml石墨烯與N-甲基吡咯烷酮的分散液。
[0022](2)將襯底放在旋涂?jī)x上，逐滴將石墨烯與N-甲基吡咯烷酮分散液滴在襯底上，待分散液在襯底上分布均勻后，襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。如圖1所示。[0023](3)將步驟(2)中的襯底放入真空干燥箱內(nèi)120°C干燥4小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)(生長(zhǎng)過(guò)程與現(xiàn)有GaN晶體外延生長(zhǎng)過(guò)程一樣)，得到在涂有石墨烯納米片的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體，如圖3所示。
[0024]實(shí)施例2
[0025]本實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處在于:配制的石墨烯與N-甲基吡咯烷酮分散液的濃度為0.0 lmg/ml。步驟(2)中的襯底在真空干燥箱內(nèi)180°C干燥2小時(shí)。
[0026]實(shí)施例3
[0027](I)配制濃度0.lmg/ml石墨烯與N，N- 二甲基甲酰胺的分散液。
[0028](2)將襯底放在旋涂?jī)x上，逐滴將石墨烯與二甲基甲酰胺分散液滴在襯底上，待分散液在襯底上分布均勻后，襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。
[0029](3)將步驟(2)中的襯底放入真空干燥箱內(nèi)160°C干燥4個(gè)小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)，得到在涂有石墨烯納米片的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體。
[0030]實(shí)施例4
[0031]本實(shí)施例與實(shí)施例3不同之處在于:配制的石墨烯與N，N_ 二甲基甲酰胺分散液的濃度為0.005mg/mL.步驟 (2)中的襯底在真空干燥箱內(nèi)80°C干燥8小時(shí)。
[0032]實(shí)施例5
[0033](I)配制濃度0.08mg/ml石墨烯與N-甲基吡咯烷酮混合的分散液。
[0034](2)用噴槍將所配溶液直接噴涂在襯底上。襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。
[0035](3)將步驟(2)中的襯底放入真空干燥箱內(nèi)200°C干燥I個(gè)小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)，得到在涂有石墨烯納米片的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體
[0036]實(shí)施例6
[0037]本實(shí)施例與實(shí)施例5不同之處在于:配制的石墨烯與N-甲基吡咯烷酮分散液的濃度為0.0 lmg/ml。步驟(2)中的襯底在真空干燥箱內(nèi)200°C干燥3小時(shí)。
[0038]實(shí)施例7
[0039](I)配制濃度0.lmg/ml石墨烯與二甲基甲酰胺混合的分散液。
[0040](2)用噴槍將所配溶液直接噴涂在襯底上。襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。
[0041](3)將步驟(2)中的襯底放入真空干燥箱內(nèi)160°C干燥4個(gè)小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)，得到在涂有石墨烯納米片的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體
[0042]實(shí)施例8
[0043]本實(shí)施例與實(shí)施例3不同之處在于:配制的石墨烯與N，N_ 二甲基甲酰胺分散液的濃度為0.008mg/mL.步驟(2)中的襯底在真空干燥箱內(nèi)160°C干燥2小時(shí)。
[0044]實(shí)施例9
[0045](I)配制濃度0.02mg/ml的氧化石墨烯與超純水的分散液。
[0046](2)將襯底放在旋涂?jī)x上，逐滴將分散液滴在襯底上，待分散液在襯底上分布均勻后，襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。如圖2所示。
[0047](3)將步驟(2)中的襯底放入真空干燥箱內(nèi)120°C干燥5個(gè)小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)，得到在涂有氧化石墨烯的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體。如圖4所示。
[0048]實(shí)施例10
[0049](I)配制濃度0.00lmg/ml的氧化石墨烯與超純水的分散液。[0050](2)將襯底放在旋涂?jī)x上，逐滴將分散液滴在襯底上，待分散液在襯底上分布均勻后，襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。
[0051](3)將步驟(2)中的襯底放入真空干燥箱內(nèi)120°C干燥I個(gè)小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)，得到在涂有氧化石墨烯的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體。
[0052]實(shí)施例11
[0053](I)配制濃度0.005mg/ml的氧化石墨烯與超純水混合的分散液。
[0054](2)將所配分散液直接噴涂在襯底上，襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。
[0055](3)將步驟(2)中的襯底在真空干燥箱內(nèi)80°C干燥3小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)，得到在涂有氧化石墨烯的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體。
[0056]實(shí)施例12
[0057](I)配制濃度0.008mg/ml的氧化石墨烯與超純水混合的分散液。
[0058](2)將所配分散液直接噴涂在襯底上，襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。
[0059](3)將步驟(2)中的襯底在真空干燥箱內(nèi)120°C干燥2小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)，得到在涂有氧化石墨烯的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體。
[0060]實(shí)施例13
[0061](I)配制濃度0.0 lmg/ml的氧化石墨烯與超純水混合的分散液。
[0062](2)將所配分散液直接噴涂在襯底上。襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。
[0063](3)將步驟(2)中的襯底在真空干燥箱內(nèi)40°C干燥8小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)，得到在涂有氧化石墨烯的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體。
[0064]實(shí)施例14
[0065](I)配制濃度0.015mg/ml的氧化石墨烯與超純水混合的分散液。
[0066](2)將所配分散液直接噴涂在襯底上。襯底上可看見(jiàn)一薄層的膜。
[0067](3)將步驟(2)中的襯底在真空干燥箱內(nèi)100°C干燥6小時(shí)后，將襯底放入HVPE系統(tǒng)中外延生長(zhǎng)，得到在涂有氧化石墨烯的襯底上生長(zhǎng)的GaN晶體。
【權(quán)利要求】
1.一種利用石墨烯或氧化石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法，其特征是，包括以下步驟: (O配制濃度為0.005-0.lmg/ml的石墨烯納米片分散液，或濃度為0.001-0.02mg/ml的氧化石墨烯納米片分散液；石墨烯納米片分散液是將石墨烯納米片分散在N，N- 二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中；氧化石墨烯納米片分散液是將氧化石墨烯納米片分散在超純水中； (2)將配好的石墨烯納米片分散液或氧化石墨烯納米片分散液直接涂于用于制備GaN晶體的襯底上，烘干后待用，烘干方法是在真空干燥箱內(nèi)80°C -200°C干燥1-8小時(shí)； (3)將制備好的襯底放入氫化物氣相外延系統(tǒng)中進(jìn)行GaN晶體外延生長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯或氧化石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法，其特征是，所述步驟(1)中石墨烯分散液的濃度為0.01-0.05mg/mlo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯或氧化石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法，其特征是，所述步驟(1)中氧化石墨烯納米片分散液優(yōu)選的濃度為0.005-0.008mg/mlo
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法，其特征是，所述步驟(2)中對(duì)于石墨烯納米片分散液優(yōu)選的烘干方法是在真空干燥箱內(nèi)120°C _180°C干燥2-4小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯或氧化石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法，其特征是，所述步驟(2)中對(duì)于氧化石墨烯納米片分散液烘干方法是在真空干燥箱內(nèi)400C -120。。干燥 1-8 小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用石墨烯或氧化石墨烯生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵晶體的方法，其特征是，所述步驟(2)中對(duì)于氧化石墨烯納米片分散液烘干方法是在真空干燥箱內(nèi)800C -120。。干燥 2-3 小時(shí)。
【文檔編號(hào)】C30B29/40GK103741220SQ201410024654
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】郝霄鵬, 李先磊, 張雷, 邵永亮, 吳擁中, 戴元濱, 田媛, 霍勤 申請(qǐng)人:山東大學(xué)