[發明專利]一種氮化鎵薄膜及其制備方法和石墨烯薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201710192463.6
• 申請日: 2017-03-28
• 公開（公告）號: CN106960781A
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發明（設計）人: 劉志斌
• 申請（專利權）人: 劉志斌
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 孟金喆,胡彬

技術領域

本發明實施例涉及薄膜制備技術，尤其涉及一種氮化鎵薄膜及其制備方法和石墨烯薄膜及其制備方法。

背景技術

氮化鎵(GaN)具有禁帶寬度大、擊穿場強高、電子漂移速率快和鍵合能高等優點，在高溫、高功率、高壓、高頻等器件領域有著廣闊的前景和應用，因此合成與制備氮化鎵是制造電力電子功率器件、微波功率器件和光電器件的關鍵。

C軸(0001)晶面的氮化鎵是迄今為止市場應用最廣泛的氮化鎵材料，可應用在各種氮化鎵基器件中，如場效應晶體管(FETs)和硅基的發光器件(LEDs)。硅(Si)襯底在微電子領域有極其成熟的發展與應用，其單晶質量高、成本低、尺寸大且可以實現光電集成，因此非常適合在硅上制備III族氮化物的外延薄膜，同時還能夠滿足大規模生產III族氮化物半導體材料及工業化器件應用的需求，目前合成與制備氮化鎵的襯底是(111)晶體取向Si襯底。然而，(100)晶體取向的Si襯底相比(111)晶體取向Si襯底，在技術上更成熟且能夠使用在大多數電子設備中，因此現有氮化鎵基器件的電子和光電設備商業化受到了嚴重限制。顯然在(100)晶體取向的Si襯底上生長氮化鎵薄膜是至關重要的，能使氮化鎵基電子和光電設備商業化。

然而現有技術中，若采用(100)晶體取向Si襯底合成與制備氮化鎵，因為立方Si(100)晶面和六方GaN(0001)晶面存在不同的對稱性，高質量外延生長氮化鎵薄膜在Si(100)晶面非常困難。即使采用業內普遍采用的(111)晶體取向Si襯底生長氮化鎵薄膜，兩種材料之間仍存在超過17％的大晶格失配及熱膨脹系數失配。因此直接在(100)或(111)晶體取向Si襯底上生長氮化鎵薄膜非常困難，且會導致存在較高的晶格缺陷，嚴重影響氮化鎵薄膜質量。

石墨烯(Graphene)是一種由sp2雜化碳原子組成的六角型呈蜂巢狀的二維納米材料，具有新穎的二維材料特性，具有很高的載流子遷移率、高導電性能和高導熱性。目前，普遍采用的工業化生產石墨烯薄膜方法為轉移制程，其轉移過程復雜且易受污染，不易于大規模生產，容易造成石墨烯薄膜缺陷與堆疊，影響石墨烯薄膜的整體完整性和穩定性。

發明內容

本發明實施例提供一種氮化鎵薄膜及其制備方法和石墨烯薄膜及其制備方法，以提高氮化鎵薄膜的成膜質量，以及提高石墨烯薄膜的穩定性。

第一方面，本發明實施例提供了一種氮化鎵薄膜的制備方法，該制備方法包括：

提供一半導體襯底，在所述半導體襯底上形成氮化鎵緩沖層；

在所述氮化鎵緩沖層上依次形成具有第一孔隙結構的石墨烯催化層和具有第二孔隙結構的石墨烯掩膜層，所述第一孔隙結構和所述第二孔隙結構相同；

在所述石墨烯掩膜層的表面上以及在所述石墨烯掩膜層的孔隙中裸露的所述氮化鎵緩沖層的表面上外延生長氮化鎵層。

進一步地，所述半導體襯底為硅襯底，所述硅襯底的晶面指數為(100)或(111)。

進一步地，所述氮化鎵緩沖層的厚度小于或等于2μm；

所述石墨烯催化層的厚度大于或等于0.2nm且小于或等于10nm；

所述石墨烯掩膜層的厚度大于或等于0.2nm且小于或等于2nm；

從所述氮化鎵緩沖層面向所述半導體襯底的一側表面至所述氮化鎵層背離所述半導體襯底的一側表面的厚度大于或等于5μm。

進一步地，在所述半導體襯底上形成氮化鎵緩沖層的具體執行過程包括：

將所述半導體襯底放置在溫度環境超過900℃的反應室中，在所述反應室中通入TMGa氣體和NH₃氣體，載流氣體為H₂氣，采用金屬有機化合物化學氣相沉積法在所述半導體襯底上外延生長厚度小于或等于2μm的所述氮化鎵緩沖層。

進一步地，所述石墨烯催化層的組成材料包含Cu、Ni、Pt、Co、Ti和Fe中的任意一種，或者，所述石墨烯催化層的組成材料包含Cu、Ni、Pt、Co、Ti和Fe中的任意多種組成的合金。

進一步地，形成所述石墨烯掩膜層的具體執行過程包括：

將形成有所述石墨烯催化層的第一基底放置在溫度環境處于800～1000℃的反應室中，在所述反應室中通入含碳氣體，采用化學氣相沉積法在所述第一基底的具有所述石墨烯催化層的區域上生長厚度大于或等于0.2nm且小于或等于2nm的所述石墨烯掩膜層，使所述石墨烯掩膜層具有與所述第一孔隙結構相同的第二孔隙結構。