基于石墨烯與磁控濺射氮化鋁的硅基氮化鎵生長方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子技術領域，更進一步涉及微電子技術領域中的一種基于石墨烯與磁控濺射氮化鋁的硅基氮化鎵生長方法。本發明可用于生長硅基氮化鎵，獲得的硅基氮化鎵可進一步制作成半導體器件。
【背景技術】
[0002]氮化鎵由于禁帶寬度大、電子迀移率高、擊穿電場大等優勢在光電器件和電子器件等領域有廣泛的應用。所以，生長高質量氮化鎵是制作微波功率器件的關鍵。
[0003]硅在微電子領域有極其成熟的發展與應用，硅的單晶質量高，成本低，尺寸大，且可以實現光電集成，因此非常適合在其上制備III族氮化物的外延薄膜。但是，由于較大的晶格適配和熱適配，直接在硅襯底上生長III族氮化物薄膜，存在較高的晶格缺陷，嚴重影響薄膜質量。
[0004]石墨烯是一種新穎的二維材料。其迀移率非常高。石墨烯和氮化鎵的晶格失配不超過3%。因此，非常適合在其上面生長III族氮化物。
[0005]中國科學院半導體所在其申請的專利“一種以石墨烯作為緩沖層外延氮化鎵的結構及其制備方法”(申請號:201110112819.3，公布號:CN102769081A)中公開了一種石墨烯作為緩沖層外延氮化鎵的結構和制備方法。該方法通過采用石墨烯層作為襯底與氮化鎵外延層之間的緩沖層，在石墨烯層和氮化鎵層之間插有氮化物薄層，以獲得低應力、高質量的氮化鎵外延層，有效緩解了襯底與氮化鎵之間的晶格失配和熱膨脹系數失配的難題。但是，該方法仍然存在的不足之處是:1、該方法采用碳化硅作為襯底，襯底成本太高。2、該方法直接在碳化硅襯底上生長石墨烯，生長困難，并且石墨烯質量較差。3、該方法在石墨烯層和氮化鎵層之間直接插入的氮化物薄層成核困難，結晶質量差，影響下一步氮化鎵的生長。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服上述現有技術的存在不足，提供一種基于石墨烯和磁控濺射氮化鋁的硅襯底上氮化鎵的金屬有機物化學氣相淀積MOCVD生長方法，以提高氮化鎵質量。
[0007]為實現上述目的，本發明的具體思路是:首先，將單層石墨烯進行轉移到硅襯底上;然后，磁控濺射一層氮化鋁，以緩解襯底與氮化鎵之間由于晶格失配產生的應力;接下來，用金屬有機物化學氣相淀積MOCVD采用脈沖法外延一層氮化鋁作為過渡層，以提升材料的質量;最后，再將樣品放入金屬有機物化學氣相淀積MOCVD中依次外延氮化鋁過渡層、低V/III比GaN外延層和高V/111比GaN外延層。
[0008]實現本發明目的技術關鍵是:采用石墨烯、磁控濺射氮化鋁成核層和金屬有機物化學氣相淀積MOCVD脈沖法外延氮化鋁的方式，首先在硅襯底上制備石墨烯，然后磁控濺射氮化鋁成核層、最后在通過金屬有機物化學氣相淀積MOCVD外延氮化鋁緩沖層和氮化鎵外延層;通過調節各層生長的壓力、流量、溫度以及厚度生長條件，提高氮化鎵的質量。
[0009]本發明的具體步驟包括如下:
[0010](I)轉移石墨烯:
[0011 ] (la)采用化學氣相淀積法，在金屬襯底上生長單層石墨烯；
[0012](Ib)將單層石墨烯置于IM氯化鐵和2M鹽酸的混合溶液中12小時；
[0013](Ic)去除金屬襯底后將單層石墨烯轉移到硅襯底上，得到覆蓋石墨烯的硅襯底；
[0014](2)磁控濺射氮化鋁:
[0015](2a)將覆蓋石墨烯的硅襯底置于磁控濺射系統中，反應室壓力為IPa，通入氮氣和氬氣5min;
[0016](2b)以5N純度的鋁為靶材，采用射頻磁控濺射，在覆蓋石墨烯的硅襯底上濺射氮化鋁，得到濺射氮化鋁的基板；
[0017](3)熱處理:
[0018](3a)將濺射氮化鋁的基板置于金屬有機物化學氣相淀積金屬有機化合物化學氣相沉淀MOCVD反應室中，向反應室通入氫氣與氨氣的混合氣體5min;
[0019](3b)通入氫氣與氨氣的混合氣體5min后，將反應室加熱到600 °C，對濺射氮化鋁的基板進行20min熱處理，得到熱處理后的基板；
[0020](4)生長氮化鋁過渡層:
[0021 ] (4a)保持反應室壓力為40TOrr，將溫度升到650 V，依次通入氫氣、氨氣和鋁源，低溫生長7nm的氮化鋁緩沖層；
[0022](4b)在氫氣、氨氣和鋁源的氣氛下，將溫度升到1050°C，采用脈沖式的MOCVD生長方法，得到氮化鋁基板；
[0023](5)生長低V-1II比氮化鎵層:
[0024](5a)將反應室壓力降為20TOrr，溫度降到1000°C，依次通入氫氣、氨氣和鎵源；
[0025](5b)在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，采用化學氣相淀積法在氮化鋁基板上生長氮化鎵外延層，得到低V-1II比氮化鎵基板；
[0026](6)生長高V-1II比氮化鎵層:
[0027](6a)保持反應室溫度為1000°C，將壓力升高到為40Torr，依次通入氫氣、氨氣和鎵源；
[0028](6b)在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，采用化學氣相淀積法在低V-1II比氮化鎵基板上生長氮化鎵外延層；
[0029](6c)將反應室溫度降至室溫后取出樣品，得到基于石墨烯和磁控濺射氮化鋁的氮化鎵。
[0030]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0031]第一，由于本發明采用石墨烯轉移技術在硅襯底上制備石墨烯，克服了現有技術直接在硅襯底上石墨烯生長困難，質量差的不足，使得本發明具有易得到覆蓋石墨烯的硅襯底的優點。
[0032]第二，由于本發明采用磁控濺射生長氮化鋁，克服了現有技術氮化物材料在石墨烯上成核困難的不足，使得本發明具有氮化物材料在石墨烯上成核易的優點。
[0033]第三，由于本發明采用脈沖法生長氮化鋁，克服了現有技術生長氮化鋁位錯密度大，質量差的不足，使得本發明具有易得到高質量的氮化鋁插入層的優點。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發明的流程圖；
[0035]圖2是本發明的剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案和效果做進一步的說明。
[0037]參照附圖1，本發明的具體步驟如下:
[0038]步驟1:轉移石墨烯。
[0039]采用化學氣相淀積法，在金屬襯底上生長0.34nm的單層石墨烯，然后將單層石墨烯置于IM氯化鐵和2M鹽酸的混合溶液中12小時，最后去除金屬襯底后將單層石墨烯轉移到硅襯底上，得到覆蓋石墨烯的硅襯底。
[0040]步驟2:磁控濺射氮化鋁。
[0041 ]將覆蓋石墨烯的硅襯底置于磁控濺射系統中，反應室壓力為IPa，通入氮氣和氬氣5min。以5N純度的鋁為靶材，采用射頻磁控濺射，在覆蓋石墨烯的硅襯底上濺射30-100nm的氮化招，得到派射氮化招的基板，其中氨氣流量為100sccm;招源流量為5-100ymol/min。
[0042]步驟3:熱處理。
[0043]將濺射氮化鋁的基板置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，向反應室通入氫氣與氨氣的混合氣體5min，通入氫氣與氨氣的混合氣體5min后，將反應室加熱到600°C，對濺射氮化鋁的基板進行20min熱處理，得到熱處理后的基板。
[0044]步驟4:生長氮化鋁過渡層。
[0045]保持反應室壓力為40TOrr，將溫度升到650 V，依次通入氫氣、氨氣和鋁源，低溫生長7nm的氮化鋁緩沖層。在氫氣、氨氣和鋁源的氣氛下，將溫度升到1050°C，采用脈沖式的MOCVD生長方法，得到氮化鋁基板。脈沖式金屬有機化合物化學氣相沉淀MOCVD生長方法是指，在生長氮化鋁的一個脈沖周期T1+T2內，在Tl時間內通入氨氣，在T2時間內不通入氨氣；所述的Tl時間設置為12s，T2時間設置為6s，脈沖周期重復的次數200次，其中鋁源流量為5-100ymol/min;氨氣流量為800-1500sccm。
[0046]步驟5:低V-1II比氮化鎵層。
[0047]將反應室壓力降為20TOrr，溫度降到1000°C，依次通入氫氣、氨氣和鎵源，在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，采用化學氣相淀積法在氮化鋁基板上生長50-200nm的氮化鎵外延層，得到低V-ΠI比氮化鎵基板，其中鎵源流量為10-200μmOl/min;氨氣流量為1000-3500sccmo
[0048]步驟6:生長高V-1II比氮化鎵層。
[0049]保持反應室溫度為1000°C，將壓力升高到為40Torr，依次通入氫氣、氨氣和鎵源，在氫氣、氨氣和鎵源的氣氛下，采用化學氣相淀積法在低V-1II比氮化鎵基板上生長500-3000nm的氮化鎵外延層，其中鎵源流量為10-200ymol/min;氨氣流量為4000-10000sccm。然后將反應室溫度降至室溫后取出樣品，得到c面氮化鎵。
[0050]為了說明本發明易制備出質量較好的硅基氮化鎵，本發明基于石墨烯與磁控濺射氮化鋁的硅襯底上氮化鎵的生長，給出如下兩種實施例，對本發明基于石墨烯與磁控濺射氮化鋁的氮化鎵在不同晶向(100)和(111)的硅襯底上生長進行說明。
[0051]參照附圖2，本發明上述方法制作的基于石墨烯與磁控濺射氮化鋁的硅基氮化鎵，它自下而上依次是硅襯底層1、石墨烯層2、磁控濺射氮化鋁成核層3、氮化鋁過渡層4、低乂_111比氮化鎵層5和高V-111比氮化鎵層6。
[0052]實施例1:基于石墨烯與磁控濺射氮化鋁的硅(100)襯底上氮化鎵的生長。
[0053]步驟一:轉移石墨烯。
[0054]采用化學氣相淀積法，在銅襯底上生長0.34nm的單層石墨烯，然后將單層石墨烯置于IM氯化鐵和2M鹽酸的混合溶液中12小時，最后去除金屬襯底后將單層石墨烯轉移到硅(100)襯底上，得到覆蓋厚度為0.34nm石墨烯的硅(100)襯