[实用新型]一种复合衬底/三族氮化物微米柱结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种以石墨烯/介质材料为复合衬底的三族氮化物微米柱结构，属于半导体材料技术领域。

背景技术

三族氮化物作为第三代半导体材料，具有直接带隙，禁带宽度大等优点，在照明、显示、紫外探测等光电子领域应用广泛。目前，三族氮化物材料多从蓝宝石衬底外延生长制备，而在二氧化硅等其他介质材料上外延三族氮化物相对困难。

在本实用新型做出之前，中国发明专利（CN 102593294A）“复合式氮化镓基半导体生长衬底及其制作方法”提出了一种复合式氮化镓基半导体生长衬底，其包括：基板、晶格缓冲层，其由类钻石薄膜（Diamond-LikeCarbon 简称DLC）构成，利用DLC与氮化物的组合，克服了石英玻璃或金属基板等普通基板用于生长氮化镓半导体材料存在的晶格不匹配和热失配等问题；中国实用新型专利（CN 203697610U）“氮化铟/氮化镓/玻璃结构”提出了玻璃上沉积氮化镓缓冲层薄膜，氮化镓缓冲层薄膜上沉积氮化铟的结构。中国发明专利（CN 101320686）“HVPE方法生长氮化镓膜中的SiO₂纳米掩膜及方法”提出了先在GaN模板上电子束蒸发一层金属Al，再采用电化学的方法生成多孔状阳极氧化铝(AAO)，接着沉积一层介质SiO₂层，然后用酸或碱溶液去除AAO，在GaN模板上得到了SiO₂纳米粒子的点阵分布，经过清洗后，把这个模板作为衬底，置于HVPE反应腔内生长出GaN 厚膜。采用上述方法，工艺流程相对复杂。

由于三族氮化物在某些介质材料上很难成核生长，因此，现有技术还不能直接在衬底上生长得到质量较高的三族氮化物半导体。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种成本低廉、操作简单、可规模化生产的复合衬底/三族氮化物微米柱结构。

实现本实用新型发明目的的技术方案是：提供一种复合衬底/三族氮化物微米柱结构，所述的复合衬底为在介质材料上生长石墨烯插入层；在石墨烯插入层上生长三族氮化物微米柱。

本实用新型所述微米柱的高度为10～300um，直径为10～300um。

本实用新型提供的一个优选方案是：在介质材料石英上生长石墨烯插入层，在石墨烯插入层上生长GaN微米柱。

本实用新型提供的复合衬底/三族氮化物微米柱结构可采用如下方法制备得到：

1、将介质材料衬底在丙酮中超声清洗2～5分钟，取出后在乙醇中超声清洗2～5分钟，再在去离子水中超声清洗2～5分钟；

2、采用离子束溅射或电子束蒸发在介质材料衬底表面镀50～500nm镍层；

3、将纯度高于99.9%的石墨粉超声分散于乙醇中，涂覆与镍层表面；

4、将涂有石墨粉的介质材料衬底放入反应腔室，氩气气氛、温度为300℃～600℃温度的条件下加热3～10分钟，通过渗碳析碳机制，即在加热过程中，碳渗入金属镍中，当停止加热冷却时，碳从金属镍中析出，在镍层与介质材料界面之间形成石墨烯；

5、从反应腔室取出复合衬底后，放入浓度为0.2mol/l～0.8mol/l的FeCl₃溶液，刻蚀掉镍层，用去离子水反复清洗复合衬底，直至去离子水呈无色状态，得到石墨烯/介质材料复合衬底；

6、将复合衬底放入氢化物气相外延系统或金属有机物化学气相沉积系统腔室内，在氢气气氛、900℃～1000℃条件下处理10～20分钟；

7、在氢化物气相外延系统通入XCl₃ 和NH₃分别作为三族源和氮源,X为三族金属Al、Ga、In，XCl₃由位于氢化物气相外延系统上游的HCl与三族金属Al、Ga、In反应生成，NH₃与XCl₃在氢化物气相外延系统下游反应生成三族氮化物XN并沉积在复合衬底表面。在金属有机物化学气相沉积系统中通入X（CH₃）₃ 和NH₃分别作为三族源和氮源，反应后生成三族氮化物沉积在复合衬底表面。本实用新型所述的复合衬底材料包括石墨烯、介质材料，介质材料主要指二氧化硅、五氧化二钽、二氧化铪、硫化锌、硒化锌等。

本实用新型技术方案中，用高纯石墨粉作为碳源，反应温度为300～600℃，通过金属镍的渗碳析碳机制实现了低温条件下、介质材料上石墨烯的生长制备，随后用制备得到的石墨烯/介质材料复合衬底外延生长出三族氮化物微米柱，微米柱高10～300um，直径10～300um。