[发明专利]一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法

权利要求书

1.一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法，其特征在于：高定向热解石墨HOPG采用机械剥离法进行剥离获得石墨衬底材料，将剥离的石墨衬底材料转移至SiO₂衬底或Si衬底上形成石墨衬底，制备的石墨衬底进行氧等离子处理，然后将其置于金属有机化学气相沉积即MOCVD反应室内反应形成AlGaN形核层，退火处理，生长GaN外延薄膜；

具体步骤如下：

（1）制备石墨衬底：将高定向热解石墨HOPG粘贴到光刻胶上，80-120℃下加热3-8 min后，用透明胶带反复剥离5-8次得到30-100nm厚的石墨，将石墨转移至SiO₂衬底或Si衬底上；

（2）氧等离子处理：对步骤1）制备的石墨衬底进行氧等离子处理，氧等离子处理的压力为20-200mbar，功率为80-600mW，时间为10-30s，从而在转移后的石墨衬底上形成缺陷；

（3）生长AlGaN形核层：将步骤2）处理得到的石墨衬底放入MOCVD反应室中，在≥1100℃，120-200 mbar压力下，在H₂气氛中清洗8-15 min，清洗后，在温度压力保持不变的情况下在NH₃气氛下高温氮化8-12min；然后以高纯H₂或N₂或H₂和N₂的混合气体作为载气，在900-1040℃，100-150 mbar下在石墨衬底表面生长AlGaN形核层，通入的V/III的比为600-800，其中III族元素Ga占80-90%，Al占10%-20%，通入NH₃、三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）的通量分别为0.02-0.027 mol/min，26.64-30μmol/min，3.33-6.66μmol/min，生长时间为100-180s；

（4）退火处理：将步骤3）制备的AlGaN形核层在1100-1280℃，100-150 mbar下进行高温退火2-6 min，退火时通入的NH₃流量为0.036-0.063 mol/min；

（5）生长GaN外延薄膜：步骤4）处理得到的AlGaN形核层，保持Ga源通量不变，在1060-1200℃，100-150mbar下进一步生长GaN外延层，通入的V/III的比为300-800，通入NH₃、三甲基镓TMGa的通量分别0.01-0.021 mol/min、26-30μmol/min，生长时间为800-1000s。

2.根据权利要求1所述的一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法，其特征在于：步骤（1）中SiO₂衬底或Si衬底厚度为300nm。

3.根据权利要求2所述的一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法，其特征在于：步骤（2）中氧等离子处理后石墨衬底表面缺陷占衬底总面积的比例为20-30%。

4.根据权利要求1所述的一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法，其特征在于：步骤（3）中氮化时通入的NH₃流量控制在0.025-0.036 mol/min；形成AlGaN形核层的核岛尺寸为30-50 nm。

5.根据权利要求1所述的一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法，其特征在于：步骤（5）中生长的GaN外延薄膜厚度为0.6-1μm。