[發明專利]一種表面改性的氮化物半導體及其制備方法

有效

• 申請號: 201611229170.2
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106847667B
• 公開（公告）日: 2020-02-11
• 發明（設計）人: 曹冰;李宗堯;趙恩;楊松;劉伊;吳竹慧;王欽華
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;C23C16/34;C23C16/505;C23C16/513
• 代理公司: 32103 蘇州創元專利商標事務所有限公司
• 代理人: 陶海鋒

本發明公開了一種表面改性的氮化物半導體及其制備方法。采用射頻等離子體增強化學氣相沉積方法直接在氮化物半導體表面生長二維或三維垂直結構石墨烯，能夠連續調制氮化物半導體表面的疏水性，使氮化物半導體對水的接觸角從原來的60°提高到140°，實現親疏水的可控轉換。本發明對氮化物半導體表面改性的方法簡單、可控性強，不僅不影響氮化物半導體材料自身的優異性能，還為其附加了表面自清潔能力，在生物電子領域有應用潛力。能夠實現連續、可控地改善氮化物半導體表面疏水性。

技術領域

本發明涉及一種氮化物半導體的表面改性技術，特別涉及一種利用射頻等離子體增強化學氣相沉積方法，以石墨烯對氮化物半導體進行表面改性，屬于半導體材料技術領域。

背景技術

氮化物半導體是一種具有代表性的第三代寬禁帶半導體材料，其發光效率高、導熱性能好、強度高、硬度高、抗腐蝕，并且具備生物相容性，在照明、通信和生物等領域有重要的應用。特別是隨著近年來氮化物半導體在生物電子器件方面的發展，越來越需要提供適合工業化規模應用的能調節氮化物半導體表面疏水性、提供具有自清潔能力的表面技術。

目前，改變氮化物半導體表面疏水性的方法有表面激光構型、表面化學刻蝕、表面化學修飾等。在本發明做出之前，中國發明專利（CN 101219770B）“半導體材料微納多尺度功能表面激光造型方法”提出了利用飛秒激光器在氮化鎵、硅、二氧化鈦等多種半導體材料表面造型，以改善材料疏水性的方法，主要利用了高能量的飛秒激光在材料表面刻蝕出微結構；文獻（I.Dzie Rcielewski, et al. On the hydrophobicity of modified Ga-polar GaN surfaces Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 043704）提出了先用腐蝕劑刻蝕氮化鎵表面，然后再在表面鍍金或者利用氯硅烷處理表面以提高氮化鎵疏水性的方法；以上兩種方法都會對氮化物半導體表面造成損傷，影響材料性能。中國發明專利（CN105039975A）“一種不銹鋼基底仿生超疏水石墨烯薄膜的制備方法”提出了在不銹鋼上電鍍鎳并利用鎳滲碳析碳形成的石墨烯膜來實現不銹鋼的疏水。該方法需要在襯底上先電鍍金屬層，利用金屬催化作用形成石墨烯，工藝步驟相對繁瑣。

發明內容

本發明針對現有技術存在的不足，提供一種表面疏水性可控的表面改性的氮化物半導體及其制備方法。

為實現上述發明目的，本發明所采用的技術方案提供一種表面改性的氮化物半導體的制備方法，采用射頻等離子體增強化學氣相沉積方法（r-PECVD），在氮化物半導體表面直接生長石墨烯，包括如下步驟：

1、將氮化物半導體襯底置于距等離子體發生器中心20～60cm位置處，以5～20℃/min的升溫速率升溫至600～800℃；

2、以氫氣為等離子體工作氣體對襯底表面處理1～20min；

3、以甲烷為反應氣體,等離子體電源的功率為50～100W，沉積溫度為600～800℃的條件下，在氮化物半導體表面直接生長二維或三維垂直結構石墨烯,沉積時間為30～400min；

4、以2～4℃/min的降溫速率降溫至室溫,得到一種表面改性的氮化物半導體。

所述的氮化物半導體襯底材料包括氮化鎵、氮化鋁、氮化銦及其三元或四元合金。

在本發明技術方案中，當沉積溫度為600～700℃, 等離子體電源的功率為50～80W條件下，在氮化物半導體表面生長得到二維石墨烯；在沉積溫度為大于700～800℃, 等離子體電源的功率為50～100W條件下，在氮化物半導體表面生長得到三維垂直結構石墨烯。

本發明技術方案還包括按上述制備方法得到的一種表面改性的氮化物半導體，它對水的接觸角為60～140°。