本发明专利技术公开了一种基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法，采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底，通过对GaN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，实现了石墨烯生长的最优化，在GaN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体材料与器件制造
，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种基于III-V族半导体氮化镓衬底的石墨烯CVD外延生长方法，可用于无需转移的大面积石墨烯材料的生长制备，并为氮化镓-石墨烯器件的制造提供材料。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，具有非常奇特的物理化学性质，具有突出的产业优势，有望替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。·过渡族金属催化化学气象沉积(CVD)外延是国际上广泛采用的大面积石墨烯制备的方法，它不受衬底尺寸的限制，设备简单，可以大批量生产。但是，CVD外延制备的原生石墨烯下方的金属衬底导电性使得其无法直接应用，必须依赖衬底转移技术，将金属衬底去除然后转移至合适的衬底上，而在转移过程中不可避免地会对石墨烯薄膜产生污染和损坏，影响石墨烯材料和器件的性能。氮化镓(GaN)作为一种宽禁带材料，具有良好的多种性能，成为电子、光电研究领域的热门研究课题。可用于制备高电子迁移率晶体管、太阳能电池、紫外探测器、发光器件等。特别是石墨烯发现之后，作为六方纤锌矿晶体，氮化镓和石墨烯的结合能够有效减少晶格失配、提高石墨烯的质量和面积，具有独特的优势。氮化镓-石墨烯器件结构已经成为研究热点。因此，在氮化镓衬底上直接利用CVD方法外延生长石墨烯，能够减小晶格失配，避免转移过程中残胶引起的性能退化，提高石墨烯和氮化镓衬底接触质量，具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了克服现有技术问题，提供一种基于氮化镓衬底的石墨烯气相化学沉积(CVD)方法，以在氮化镓衬底上直接生长石墨烯薄膜，为氮化镓-石墨烯结构器件提供材料。实现本专利技术的技术关键是采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底，通过对GaN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，实现了石墨烯生长的最优化，在GaN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。其生长步骤包括如下(I)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间5 lOmin，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999%)吹干。(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10_5 10_6Torr，以去除反应室内的残留气体；(3)向反应室内通入高纯Ar，温度150 250°C，保持10 30min，然后抽真空至I O-5IO-6Torr，排出衬底表面吸附气体。(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量I 20sccm，反应室真空度O. I ITorr,衬底温度900 1000°C,处理时间I IOmin ；(5)向反应室中通入HjPCH4,保持HjPCH4的流量比为10 : I 2 : 1，H2流量20 2008(3011，014流量I 20sccm，气压维持在O. I latm，温度1000 1200°C，升温时间20 60min，保持时间20 60min ；(6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压O. I latm，完成石墨烯的生长。(7)温度降至100°C以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。本专利技术具有如下优点I.由于采用基于氮化镓衬底的常压无催化金属的石墨烯CVD外延生长方法，无需在后续步骤中对石墨稀进打转移，避免了对石墨稀材料的破坏。2.由于采用于氮化镓衬底的石墨烯CVD外延生长方法，可以直接在氮化镓衬底上制造石墨稀器件，为氣化嫁_石墨稀器件提供材料基础。附图说明·图I是本专利技术的氮化镓衬底上石墨烯薄膜化学气相沉积(CVD)生长流程图；图2是本专利技术的氮化镓衬底上石墨烯薄膜化学气相沉积(CVD)生长结构示意图。具体实施例方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定专利技术。具体实施例方式实施例I在氮化镓衬底上制备石墨烯薄膜。(I)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间lOmin，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999% )吹干。(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10_5Torr，以去除反应室内的残留气体；(3)向反应室内通入高纯Ar，温度150°C，保持lOmin，然后抽真空至10_5Torrd_出衬底表面吸附气体。(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量lsccm，反应室真空度O. ITorr，衬底温度900°C，处理时间Imin ；(5)向反应室中通入HjPCH4,保持HJPCH4的流量比为10 :1，H2流量20sccm，CH4流量2sccm,气压维持在O. latm,温度1200°C,升温时间20min,保持时间50min ；(6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压O. latm，完成石墨烯的生长。(7)温度降至100°C以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。实施例2在氮化镓衬底上制备石墨烯薄膜。(I)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间8min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999% )吹干。(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反应室内的残留气体；(3)向反应室内通入高纯Ar，温度250°C，保持30min，然后抽真空至KT6Torr，排出衬底表面吸附气体。(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量20sccm，反应室真空度ITorr，衬底温度1000°C，处理时间IOmin ；(5)向反应室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比为2 1，H2流量200sccm,CH4流量IOOsccm,气压维持在latm,温度1100°C,升温时间60min,保持时间20min ； (6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压latm，完成石墨烯的生长。(7)温度降至100°C以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。实施例3在氮化镓衬底上制备石墨烯薄膜。(I)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间5min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气(99.9999% )吹干。(2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反应室内的残留气体；(3)向反应室内通入高纯Ar，温度100°C，保持20min，然后抽真空至KT6Torr，排出衬底表面吸附气体。(4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量lOsccm，反应室真空度O. 5Torr，衬底温度950°C，处理时间IOmin ；(5)向反应室中通入H2和CH4,保持H2和CH4的流量比为5 1，H2流量IOOsccm,CH4流量20sccm，气压维持在O. 5atm，温度1100°C，升温时间40min，保持时间30min ；(6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压O. 5atm,完成石墨烯的生长。(7)温度降至1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于氮化镓衬底的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，采用III？V族化合物半导体GaN作为衬底，通过对GaN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，实现了石墨烯生长的最优化，在GaN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，为氮化镓？石墨烯结构器件提供了材料，可直接用于制造各种器件。
【技术特征摘要】
1.一种基于氮化镓衬底的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于， 采用III-V族化合物半导体GaN作为衬底，通过对GaN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，实现了石墨烯生长的最优化，在GaN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，为氮化镓-石墨烯结构器件提供了材料，可直接用于制造各种器件。2.如权利要求I所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，其生长方法实现步骤包括如下 (1)将GaN衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗,每次时间5 lOmin，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气吹干； (2)将GaN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10_5 10_6Torr，以去除反应室内的残留气体； (3)向反应室内通入高纯Ar，排出衬底表面吸附气体； (4)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理； (5)向反应室中通入H2和CH4; (6)自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，完成石墨烯的生长； (7)温度降至100°C以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。...
【专利技术属性】
技术研发人员：宁静，王东，韩砀，闫景东，柴正，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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