石墨烯作为插入层的GaN/AlGaN异质结构及其制备方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114759088A(43)申请公布日2022.07.15(21)申请号202110039389.0(22)申请日2021.01.12(71)申请人中国科学院半导体研究所地址100083北京市海淀区清华东路甲35号(72)发明人刘志强冯涛梁萌伊晓燕张硕王军喜李晋闽(74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司11021专利代理师吴梦圆(51)Int.Cl.H01L29/778(2006.01)H01L29/205(2006.01)H01L29/165(2006.01)H01L21/336(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图3页(54)发明名称石墨烯作为插入层的GaN/AlGaN异质结构及其制备方法(57)摘要一种石墨烯作为插入层的GaN/AlGaN异质结构及其制备方法，该GaN/AlGaN异质结构包括：衬底，氮化镓层设置在衬底上，石墨烯插入层，设置在氮化镓层上；势垒层，设置在石墨烯插入层上；帽层，设置在势垒层上。本发明为GaN基高迁移率晶体管提供了一种新型结构，利用石墨烯0.3至1.2nm超薄厚度，以及10000至15000cm2/V·s的超高迁移率特性，提高GaN/AlGaN异质结中二维电子气的迁移率，从而解决器件逻辑电压的摆幅与缩短传输时间问题，以及降低开关能量之间矛盾的关键问题，使GaN基高迁移率晶体管在高频、高速器件领域发挥重大作用。CN114759088ACN114759088A权利要求书1/2页1.一种石墨烯作为插入层的GaN/AlGaN异质结构，其特征在于，包括：一衬底(1)；一氮化镓层(2)，设置在衬底(1)上；一石墨烯插入层(3)，设置在氮化镓层(2)上；一势垒层(4)，设置在石墨烯插入层(3)上；一帽层(5)，设置在势垒层上(4)。2.根据权利要求1所述的GaN/AlGaN异质结构，其特征在于，所述衬底(1)采用的材料包括蓝宝石、硅、氮化镓、碳化硅中的任一种；所述势垒层(4)采用的材料包括氮化镓铝；所述势垒层(4)的厚度为25至50nm；所述势垒层(4)中铝的质量组分为10至30％；所述帽层(5)采用的材料包括氮化镓；所述石墨烯插入层(3)的厚度为0.3至1.2nm；所述石墨烯插入层(3)采用的材料包括单层石墨烯、双层石墨烯、三层石墨烯中的任一种或多种组合；所述石墨烯插入层(3)的二维电子迁移率为10000至15000cm2/V·s。3.一种石墨烯作为插入层的GaN/AlGaN异质结构的制备方法，其特征在于，在衬底(1)上制备氮化镓层(2)；在氮化镓层(2)上制备石墨烯插入层(3)；在石墨烯插入层(3)上制备势垒层(4)；在势垒层(4)上制备帽层(5)，完成所述GaN/AlGaN异质结构的制备。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述GaN/AlGaN异质结构是在高真空生长室中制备的；所述衬底(1)的制备方法包括氮化处理法；其中，所述氮化处理法的温度为1000至1100℃；其中，所述氮化处理的时间为3至5min；其中，所述氮化处理包括在所述高真空生长室中通氨气和氢气。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述氮化镓层(2)的制备方法包括分子束外延法或金属有机化合物化学气相沉淀法。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，制备所述石墨烯插入层(3)采用的原材料包括石墨烯材料；其中，所述石墨烯材料的第一表面覆盖的支撑材料包括铜箔或镍箔；其中，所述石墨烯材料的第二表面覆盖的覆盖材料包括聚甲基丙烯酸甲酯。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯插入层(3)的制备方法，包括：去除所述石墨烯材料第一表面的支撑材料；将所述石墨烯材料第一表面转移至所述氮化镓层(2)上；风干所述石墨烯材料和所述氮化镓层(2)；去除所述石墨烯材料第二表面的覆盖材料，完成所述石墨烯插入层(3)的制备。2CN114759088A权利要求书2/2页8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，去除所述支撑材料的制备方法包括溶液腐蚀法；所述溶液腐蚀法中采用的溶液包括氯化铁溶液、过硫酸铵溶液或硝酸与盐酸的混合溶液中的任一种。9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，使用中间片将所述石墨烯材料转移至所述衬底上；去除所述覆盖材料的方法包括溶液腐蚀法；所述溶液腐蚀法中的溶液选自丙酮、乙醇、去离子水中的任一种或多种组合；其中，依次选取丙酮、乙醇、去离子水浸泡所述覆盖材料；其中，所述覆盖材料在丙酮中浸泡时间为5至15min；其中，所述丙酮的温度为55至80℃；其中，所述覆盖材料在乙醇中浸泡时间为5至15min；其中，所述覆盖材料在去离子水中浸泡时间为5至15min。10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述势垒层(4)或所述帽层(5)的