[发明专利]一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法

说明书

本发明属GaN薄膜制备技术领域，为解决目前GaN和异质衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，在GaN薄膜中产生大量的穿透位错，严重影响设备性能等问题，提供一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法。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或Si衬底上形成石墨衬底，石墨衬底进行氧等离子处理，置于MOCVD反应室内反应形成AlGaN形核层，退火处理，生长GaN外延薄膜。获得的石墨厚度可控，实现了制备和转移一体化，避免中间过程带来的损伤，制备的晶体质量更好，且容易与外延层分离。制备的GaN薄膜受晶格匹配约束小，质量高，光电性能优异，能用于可转移的GaN基器件中。

技术领域

本发明属于GaN薄膜制备技术领域，具体涉及一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法，属于在纯二维衬底材料上生长高质量GaN薄膜的制备方法。

背景技术

目前，金属有机化学气相沉积（MOCVD）异质外延生长已成为制备GaN半导体薄膜的主要途径。通常生长GaN薄膜的异质衬底有蓝宝石、SiC、Si等，但由于GaN和异质衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，从而在GaN薄膜中产生大量的穿透位错，严重影响设备的性能。

层状石墨由于其优异的性能成为一种新的外延生长的衬底材料，石墨层状结构特有的层间范德华力，可以降低材料体系对晶格匹配的要求，到目前为止已经有很多在石墨烯上成功生长GaN薄膜的研究，但他们使用的石墨烯几乎都是由化学气相沉积（CVD）（参考文献，Chung K, Park S I, Baek H, et al. High-quality GaN films grown onchemical vapor-deposited graphene films[J]. Npg Asia Materials, 2012, 4:e24.）或外延生长SiC制备的（参考文献，Kim J, Bayram C, Park H, et al. Principle ofdirect van der Waals epitaxy of single-crystalline films on epitaxialgraphene.[J]. Nature Communications, 2014, 5(5):4836.）。CVD石墨烯在转移过程中容易对衬底材料造成破坏，在SiC基片上直接外延生长的石墨烯虽然不用面临转移过程中带来的损伤，但是制得的石墨烯晶体本身有很多缺陷，这些都会对后续生长在衬底材料上的GaN薄膜产生影响，且在这种二维材料上直接利用传统两步法生长的GaN晶体最终呈现大的晶粒状态，难以成膜。

石墨烯是一种理想的二维材料，国家纳米科学中心孙连峰研究员及其合作者发现，当金蒸镀到不同层数的石墨烯上后，金膜的形貌与石墨烯层数密切相关。通过一系列实验，他们提出由于量子尺寸效应，金在不同层数的石墨烯表面扩散系数及扩散势垒与层数密切相关，并由此计算出扩散势垒和石墨烯层数之间的关系（参考文献，Zhou H, Qiu C,Liu Z, et al. Thickness-Dependent Morphologies of Gold on N-Layer Graphenes[J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(3):944.）。该项相关研究成果已经被发表在著名期刊《美国化学学会杂志》（JACS 132,944（2010））上。并被ChemicalEngineering News于2010年1月11日以“Gilded Graphene”为题给与了报道。这项工作对于开展石墨烯及其器件研究具有重要的指导意义。

发明内容

本发明为了解决目前GaN和异质衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，从而在GaN薄膜中产生大量的穿透位错，严重影响设备的性能等问题，提供了一种在二维石墨衬底上制备GaN薄膜的方法，利用石墨厚度与表面扩散系数及扩散势垒的关系，在理想二维衬底上生长高质量GaN薄膜的方法。