一种利用石墨烯或氧化石墨烯生长高质量氮化镓晶体的方法，包括以下步骤：（1）配制浓度为0.005-0.1mg/ml的石墨烯纳米片分散液或浓度为0.001-0.02mg/ml的氧化石墨烯纳米片分散液；（2）将配好的石墨烯纳米片分散液或氧化石墨烯纳米片分散液直接涂于用于制备GaN晶体的衬底上，烘干后待用，烘干方法是在真空干燥箱内80℃-200℃干燥1-8小时；（3）将制备好的衬底放入氢化物气相外延系统中进行GaN晶体外延生长。该方法减小了GaN单晶的位错密度，GaN晶体质量有明显的提高，无需采用复杂、昂贵的工艺制备具有特殊结构的氮化镓基板，工艺简单，成本低廉，且生长温度低，适用于批量生产。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种，包括以下步骤：（1）配制浓度为0.005-0.1mg/ml的石墨烯纳米片分散液或浓度为0.001-0.02mg/ml的氧化石墨烯纳米片分散液；（2）将配好的石墨烯纳米片分散液或氧化石墨烯纳米片分散液直接涂于用于制备GaN晶体的衬底上，烘干后待用，烘干方法是在真空干燥箱内80℃-200℃干燥1-8小时；（3）将制备好的衬底放入氢化物气相外延系统中进行GaN晶体外延生长。该方法减小了GaN单晶的位错密度，GaN晶体质量有明显的提高，无需采用复杂、昂贵的工艺制备具有特殊结构的氮化镓基板，工艺简单，成本低廉，且生长温度低，适用于批量生产。【专利说明】
本专利技术涉及一种利用石墨烯或氧化石墨烯纳米片二维材料获得高质量氮化镓晶体的生长方法，旨在提高外延生长的GaN晶体质量，属于氮化镓晶体生长
。
技术介绍
近几年来，石墨烯和氧化石墨烯以其特有的优异性质越来越受到人们的重视。国内外的科学家都在努力开拓其在不同领域的应用。以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料，具有宽禁带宽度，高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定等特点，适于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。在半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外探测器以及高能高频电子器件等方面有广阔的应用前景。由于氮化镓单晶生长非常困难，成本极高，又由于缺乏氮化镓体块单晶，因此目前氮化镓材料往往都是生长在异质衬底上如蓝宝石、碳化硅和硅等。异质衬底上生长晶体需要材料衬底和外延层之间的成核问题；此外，由于不同材料之间存在晶格常数以及其他物理性质的差异，导致衬底材料和氮化镓单晶之间的晶格失配和热失配较大，在外延的GaN单晶生长过程中会产生较大的应力和较高的位错密度，严重影响了氮化镓基器件的性能，因此降低氮化镓单晶的位错密度是制备高质量GaN基器件的如提。 目前，降低异质外延GaN单晶的位错密度的方法有以下几种:空位辅助分离 法(Void-assisted separation)、侧向外延过生长法(ELOG)以及制备纳米结构的衬底等方法。采用这些方法生长出GaN单晶的质量都有一定程度的提高，相应的位错密度也有一定程度的减小，但是这些方法大都需要复杂的光刻工艺或者生长工艺。中国专利文献CN102769081A公开了一种利用石墨烯作为缓冲层外延GaN的结构和制备方法，该方法通过采用石墨烯层作为衬底与氮化镓外延层之间的缓冲层，在石墨烯层和GaN层之间插入氮化物薄层，获得低应力、高质量的GaN外延层。但是该方法操作过程复杂，成本高。
技术实现思路
本专利技术针对现有降低GaN单晶位错密度的方法所存在的问题，提供一种操作简单、成本低廉的利用在衬底上涂有石墨烯或氧化石墨烯纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法，该方法利用氢化物气相外延(HVPE)直接在部分覆盖二维材料的衬底上生长GaN单晶。本专利技术的，是将石墨烯或氧化石墨烯涂于衬底上后，得到被石墨烯或氧化石墨烯部分覆盖的衬底，进一步在这种衬底上进行HVPE外延生长GaN晶体；具体包括以下步骤:(I)配制浓度为0.005-0.lmg/ml的石墨烯纳米片分散液，或浓度为0.001-0.02mg/ml的氧化石墨烯纳米片分散液；石墨烯纳米片分散液是将石墨烯纳米片分散在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)中；氧化石墨烯纳米片分散液是将氧化石墨烯纳米片分散在超纯水中；分散液的浓度不宜太大，否则石墨烯或氧化石墨烯纳米片将覆盖整个衬底，这样将不利于GaN晶体的成核、生长以及质量提高。石墨烯纳米片分散液优选的浓度为0.01-0.05mg/ml。氧化石墨烯纳米片分散液优选的浓度为0.005-0.008mg/mL.(2)将配好的石墨烯纳米片分散液或氧化石墨烯纳米片分散液直接涂于用于制备GaN晶体的衬底上,烘干后待用，烘干方法是在真空干燥箱内80°C _200°C干燥1_8小时；所述衬底是用金属有机化学气相沉积工艺(MOCVD)在蓝宝石、碳化硅或硅片上生长的氮化镓膜的衬底(2微米-5微米)厚，以下所述“衬底”均指这种衬底。石墨烯或氧化石墨烯纳米片分散液在衬底上整个区域的分布应尽量均匀，这样有利于后续步骤中GaN晶体质量的提闻。烘干时选择的温度要与对于的溶剂相适应，对于高沸点的溶剂，所选择的温度要高一些，必要时可做高温退火处理。步骤(2)中对于石墨烯纳米片分散液优选的烘干方法是在真空干燥箱内120°C-180°C干燥2-4小时。对于氧化石墨烯纳米片分散液烘干方法是在真空干燥箱内40°C -120°C干燥1-8小时，优选的烘干方法是在真空干燥箱内80°C -120°C干燥2-3小时。(3)将制备好的衬底放入氢化物气相外延(HVPE)系统中进行GaN晶体外延生长。本专利技术采用在MOCVD生长的GaN外延薄膜层上涂有石墨烯或氧化石墨烯二维材料，得到了部分被纳米片覆盖、部分区域露出的衬底，露出的衬底部分作用在于提供HVPE阶段的成核和生长，而被覆盖的区域则阻断了位错的延伸，从而减小了 GaN单晶的位错密度，GaN晶体质量有明显的提高。本专利技术操作简单，不需要复杂昂贵的仪器设备，成本低廉，且生长温度低(10000C -1050°C )，适合于批量生产。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术中将石墨烯纳米片涂在衬底上的扫描电子显微镜照片。图2是本专利技术中将氧化石墨烯纳米片涂在衬底上的扫描电子显微镜照片。图3是本专利技术得到的在涂有石墨烯纳米片的衬底上生长GaN晶体的高分辨XRD图，其中左边是GaN晶体沿着(002)面的衍射峰，右边是GaN晶体沿着(102)面的衍射峰。图4是本专利技术得到的在涂有氧化石墨烯纳米片的衬底上生长GaN晶体的高分辨XRD图，其中左边是GaN晶体沿着(002)面的衍射峰，右边是GaN晶体沿着(102)面的衍射峰。【具体实施方式】实施例1(I)配制浓度0.05mg/ml石墨烯与N-甲基吡咯烷酮的分散液。(2)将衬底放在旋涂仪上，逐滴将石墨烯与N-甲基吡咯烷酮分散液滴在衬底上，待分散液在衬底上分布均匀后，衬底上可看见一薄层的膜。如图1所示。(3)将步骤(2)中的衬底放入真空干燥箱内120°C干燥4小时后，将衬底放入HVPE系统中外延生长(生长过程与现有GaN晶体外延生长过程一样)，得到在涂有石墨烯纳米片的衬底上生长的GaN晶体，如图3所示。实施例2本实施例与实施例1不同之处在于:配制的石墨烯与N-甲基吡咯烷酮分散液的浓度为0.0 lmg/ml。步骤(2)中的衬底在真空干燥箱内180°C干燥2小时。实施例3(I)配制浓度0.lmg/ml石墨烯与N，N- 二甲基甲酰胺的分散液。(2)将衬底放在旋涂仪上，逐滴将石墨烯与二甲基甲酰胺分散液滴在衬底上，待分散液在衬底上分布均匀后，衬底上可看见一薄层的膜。(3)将步骤(2)中的衬底放入真空干燥箱内160°C干燥4个小时后，将衬底放入HVPE系统中外延生长，得到在涂有石墨烯纳米片的衬底上生长的GaN晶体。实施例4本实施例与实施例3不同之处在于:配制的石墨烯与N，N_ 二甲基甲酰胺分散液的浓度为0.005mg/mL.步骤 (2)中的衬底在真空干燥箱内80°C干燥8小时。实施例5(I)配制浓度0.08mg/ml石墨烯与N-甲基吡咯烷酮混本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用石墨烯或氧化石墨烯生长高质量氮化镓晶体的方法，其特征是，包括以下步骤：（1）配制浓度为0.005‑0.1mg/ml的石墨烯纳米片分散液，或浓度为0.001‑0.02mg/ml的氧化石墨烯纳米片分散液；石墨烯纳米片分散液是将石墨烯纳米片分散在N，N‑二甲基甲酰胺或N‑甲基吡咯烷酮中；氧化石墨烯纳米片分散液是将氧化石墨烯纳米片分散在超纯水中；（2）将配好的石墨烯纳米片分散液或氧化石墨烯纳米片分散液直接涂于用于制备GaN晶体的衬底上，烘干后待用，烘干方法是在真空干燥箱内80℃‑200℃干燥1‑8小时；（3）将制备好的衬底放入氢化物气相外延系统中进行GaN晶体外延生长。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郝霄鹏，李先磊，张雷，邵永亮，吴拥中，戴元滨，田媛，霍勤，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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