[发明专利]一种氮化镓薄膜及其制备方法和石墨烯薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明实施例涉及薄膜制备技术，尤其涉及一种氮化镓薄膜及其制备方法和石墨烯薄膜及其制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)具有禁带宽度大、击穿场强高、电子漂移速率快和键合能高等优点，在高温、高功率、高压、高频等器件领域有着广阔的前景和应用，因此合成与制备氮化镓是制造电力电子功率器件、微波功率器件和光电器件的关键。

C轴(0001)晶面的氮化镓是迄今为止市场应用最广泛的氮化镓材料，可应用在各种氮化镓基器件中，如场效应晶体管(FETs)和硅基的发光器件(LEDs)。硅(Si)衬底在微电子领域有极其成熟的发展与应用，其单晶质量高、成本低、尺寸大且可以实现光电集成，因此非常适合在硅上制备III族氮化物的外延薄膜，同时还能够满足大规模生产III族氮化物半导体材料及工业化器件应用的需求，目前合成与制备氮化镓的衬底是(111)晶体取向Si衬底。然而，(100)晶体取向的Si衬底相比(111)晶体取向Si衬底，在技术上更成熟且能够使用在大多数电子设备中，因此现有氮化镓基器件的电子和光电设备商业化受到了严重限制。显然在(100)晶体取向的Si衬底上生长氮化镓薄膜是至关重要的，能使氮化镓基电子和光电设备商业化。

然而现有技术中，若采用(100)晶体取向Si衬底合成与制备氮化镓，因为立方Si(100)晶面和六方GaN(0001)晶面存在不同的对称性，高质量外延生长氮化镓薄膜在Si(100)晶面非常困难。即使采用业内普遍采用的(111)晶体取向Si衬底生长氮化镓薄膜，两种材料之间仍存在超过17％的大晶格失配及热膨胀系数失配。因此直接在(100)或(111)晶体取向Si衬底上生长氮化镓薄膜非常困难，且会导致存在较高的晶格缺陷，严重影响氮化镓薄膜质量。

石墨烯(Graphene)是一种由sp2杂化碳原子组成的六角型呈蜂巢状的二维纳米材料，具有新颖的二维材料特性，具有很高的载流子迁移率、高导电性能和高导热性。目前，普遍采用的工业化生产石墨烯薄膜方法为转移制程，其转移过程复杂且易受污染，不易于大规模生产，容易造成石墨烯薄膜缺陷与堆叠，影响石墨烯薄膜的整体完整性和稳定性。

发明内容

本发明实施例提供一种氮化镓薄膜及其制备方法和石墨烯薄膜及其制备方法，以提高氮化镓薄膜的成膜质量，以及提高石墨烯薄膜的稳定性。

第一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓薄膜的制备方法，该制备方法包括：

提供一半导体衬底，在所述半导体衬底上形成氮化镓缓冲层；

在所述氮化镓缓冲层上依次形成具有第一孔隙结构的石墨烯催化层和具有第二孔隙结构的石墨烯掩膜层，所述第一孔隙结构和所述第二孔隙结构相同；

在所述石墨烯掩膜层的表面上以及在所述石墨烯掩膜层的孔隙中裸露的所述氮化镓缓冲层的表面上外延生长氮化镓层。

进一步地，所述半导体衬底为硅衬底，所述硅衬底的晶面指数为(100)或(111)。

进一步地，所述氮化镓缓冲层的厚度小于或等于2μm；

所述石墨烯催化层的厚度大于或等于0.2nm且小于或等于10nm；

所述石墨烯掩膜层的厚度大于或等于0.2nm且小于或等于2nm；

从所述氮化镓缓冲层面向所述半导体衬底的一侧表面至所述氮化镓层背离所述半导体衬底的一侧表面的厚度大于或等于5μm。

进一步地，在所述半导体衬底上形成氮化镓缓冲层的具体执行过程包括：

将所述半导体衬底放置在温度环境超过900℃的反应室中，在所述反应室中通入TMGa气体和NH₃气体，载流气体为H₂气，采用金属有机化合物化学气相沉积法在所述半导体衬底上外延生长厚度小于或等于2μm的所述氮化镓缓冲层。

进一步地，所述石墨烯催化层的组成材料包含Cu、Ni、Pt、Co、Ti和Fe中的任意一种，或者，所述石墨烯催化层的组成材料包含Cu、Ni、Pt、Co、Ti和Fe中的任意多种组成的合金。

进一步地，形成所述石墨烯掩膜层的具体执行过程包括：

将形成有所述石墨烯催化层的第一基底放置在温度环境处于800～1000℃的反应室中，在所述反应室中通入含碳气体，采用化学气相沉积法在所述第一基底的具有所述石墨烯催化层的区域上生长厚度大于或等于0.2nm且小于或等于2nm的所述石墨烯掩膜层，使所述石墨烯掩膜层具有与所述第一孔隙结构相同的第二孔隙结构。