基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102903617A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102903617A(43)申请公布日2013.01.30(21)申请号201210408272.6(22)申请日2012.10.22(71)申请人西安电子科技大学地址710065陕西省西安市雁塔区太白南路2号(72)发明人宁静王东韩砀闫景东柴正张进成郝跃(51)Int.Cl.H01L21/205(2006.01)C30B25/02(2006.01)C30B25/18(2006.01)C30B29/02(2006.01)权利要求书权利要求书1页1页说明书说明书33页页附图附图22页(54)发明名称基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件(57)摘要本发明公开了一种基于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。CN1029367ACN102903617A权利要求书1/1页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1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5～10min，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℃以下，关闭CH4、H2，通入Ar，打开反应室，取出样品。3.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，向反应室内通入高纯Ar，排出衬底表面吸附气体时，温度150～250℃，保持10～30min，然后抽真空至10-5～10-6Torr。4.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量1～20sccm，反应室真空度0.1～1Torr，衬底温度900～1000℃，处理时间1～10min。5.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，向反应室中通入H2和CH4，保持H2和CH4的流量比为10∶1～2∶1，H2流量20～200sccm，CH4流量1～20sccm，气压维持在0.1～1atm，温度1000～1200℃，升温时间20～60min，保持时间20～60min。6.如权利要求2所述的石墨烯CVD直接外延方法，其特征在于，自然降温，保持工序(5)中的H2和CH4流量不变，气压0.1～1atm，完成石墨烯的生长。7.一种利用权利要求1所述的基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法制造的器件。2CN102903617A说明书1/3页基于GaN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件技术领域[0001]本发明属于半导体材料与器件制造技术领域，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。背景技术[0002]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。[0003]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。[0004]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、