[发明专利]基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法

说明书

本发明涉及一种基于石墨烯和磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法，该方法包括如下步骤：(1)通过铜衬底上石墨烯的转移技术，将单层石墨烯转移到硅衬底上；(2)在覆盖石墨烯层的硅衬底上采用磁控溅射生长一层氮化铝薄膜；(3)热处理；(4)用金属有机物化学气相淀积MOCVD脉冲法外延一层氮化铝薄膜作为过渡层；(5)将样品放入金属有机物化学气相淀积MOCVD中依次外延低V/III比GaN外延层和高V/III比GaN外延层。该方法易在覆盖石墨烯层的硅衬底上得到质量较好的氮化镓外延层。

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及微电子技术领域中的一种基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法。本发明可用于生长硅基氮化镓，获得的硅基氮化镓可进一步制作成半导体器件。

背景技术

氮化镓由于禁带宽度大、电子迁移率高、击穿电场大等优势在光电器件和电子器件等领域有广泛的应用。所以，生长高质量氮化镓是制作微波功率器件的关键。

硅在微电子领域有极其成熟的发展与应用，硅的单晶质量高，成本低，尺寸大，且可以实现光电集成，因此非常适合在其上制备III族氮化物的外延薄膜。但是，由于较大的晶格适配和热适配，直接在硅衬底上生长III族氮化物薄膜，存在较高的晶格缺陷，严重影响薄膜质量。

石墨烯是一种新颖的二维材料。其迁移率非常高。石墨烯和氮化镓的晶格失配不超过3％。因此，非常适合在其上面生长III族氮化物。

中国科学院半导体所在其申请的专利“一种以石墨烯作为缓冲层外延氮化镓的结构及其制备方法”(申请号：201110112819.3，公布号：CN102769081A)中公开了一种石墨烯作为缓冲层外延氮化镓的结构和制备方法。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，在石墨烯层和氮化镓层之间插有氮化物薄层，以获得低应力、高质量的氮化镓外延层，有效缓解了衬底与氮化镓之间的晶格失配和热膨胀系数失配的难题。但是，该方法仍然存在的不足之处是：1、该方法采用碳化硅作为衬底，衬底成本太高。2、该方法直接在碳化硅衬底上生长石墨烯，生长困难，并且石墨烯质量较差。3、该方法在石墨烯层和氮化镓层之间直接插入的氮化物薄层成核困难，结晶质量差，影响下一步氮化镓的生长。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的存在不足，提供一种基于石墨烯和磁控溅射氮化铝的硅衬底上氮化镓的金属有机物化学气相淀积MOCVD生长方法，以提高氮化镓质量。

为实现上述目的，本发明的具体思路是：首先，将单层石墨烯进行转移到硅衬底上；然后，磁控溅射一层氮化铝，以缓解衬底与氮化镓之间由于晶格失配产生的应力；接下来，用金属有机物化学气相淀积MOCVD采用脉冲法外延一层氮化铝作为过渡层，以提升材料的质量；最后，再将样品放入金属有机物化学气相淀积MOCVD中依次外延氮化铝过渡层、低V/III比GaN外延层和高V/III比GaN外延层。

实现本发明目的技术关键是：采用石墨烯、磁控溅射氮化铝成核层和金属有机物化学气相淀积MOCVD脉冲法外延氮化铝的方式，首先在硅衬底上制备石墨烯，然后磁控溅射氮化铝成核层、最后在通过金属有机物化学气相淀积MOCVD外延氮化铝缓冲层和氮化镓外延层；通过调节各层生长的压力、流量、温度以及厚度生长条件，提高氮化镓的质量。

本发明的具体步骤包括如下：

(1)转移石墨烯：

(1a)采用化学气相淀积法，在金属衬底上生长单层石墨烯；

(1b)将单层石墨烯置于1M氯化铁和2M盐酸的混合溶液中12小时；

(1c)去除金属衬底后将单层石墨烯转移到硅衬底上，得到覆盖石墨烯的硅衬底；

(2)磁控溅射氮化铝：

(2a)将覆盖石墨烯的硅衬底置于磁控溅射系统中，反应室压力为1Pa，通入氮气和氩气5min；