[发明专利]一种适用于Ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种适用于Ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底。

背景技术

Ⅲ族氮化物包含氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)及其合金等具有直接带隙的半导体。由于禁带宽度可调且理论上发光波段可覆盖整个可见光区，以及其化学性质稳定、抗辐照性强、击穿电压高等特点广泛被应用于发光二极管、激光器以及高速电子器件。目前传统的制备工艺主要是用金属有机化学气相沉积(Metal organic chemical vapor deposition，MOCVD)方法在蓝宝石衬底上采用两步法沉积制备，过程耗时较长。并且传统蓝宝石衬底的导热性差，在将其加工成LED等器件使用时，会产生大量的热量无法散掉，特别是对面积较大的大功率器件，将导致整个器件量子效率降低，性能变差；与此同时在蓝宝石衬底上生长的Ⅲ族氮化物与衬底之间作用力很强，难以实现向其他衬底转移，限制了其在柔性器件中的应用。

石墨烯是由碳原子以sp²杂化形成的六角蜂窝状平面薄膜材料，具有非常好的导热性、良好的机械强度、超高的载流子迁移率、优异的导电性和与层数相关的高透光性等独特性能。与此同时，石墨烯与纤锌矿GaN或AlN结构相似，且多层石墨烯层间作用力弱。近几年石墨烯一直被用作外延Ⅲ族氮化物的缓冲层研究，特别是应用在新型衬底以及转移器件的研究中。但石墨烯表面缺乏悬键，原子不宜附着成核，限制了Ⅲ族氮化物的高效成核生长；且石墨烯薄膜的制备工艺主要是在铜箔衬底上，需要将其转移至蓝宝石等衬底上方可使用，此过程操作繁琐、良品率低下，因此目前在石墨烯薄膜上外延高质量的Ⅲ族氮化物材料仍存在很大的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于Ⅲ族氮化物外延生长的石墨烯蓝宝石衬底。

本发明提供的制备石墨烯蓝宝石衬底的方法，包括对蓝宝石衬底进行石墨烯化学气相沉积的步骤；其中，所述方法还包括：在所述化学气相沉积步骤之后对体系进行等离子体处理的步骤。

上述方法中，所述等离子体处理具体可为氧等离子体处理、氮等离子体处理或氩等离子体处理。

再具体的，所述氧等离子体处理中，温度为常温；

压强为10-2000Pa，具体为200Pa；

氧气的流量为10-100sccm，具体为15sccm；

功率为50-200W，具体为90W；

时间为5-30s，具体为20s；

所述氮等离子体处理中，温度为常温；

压强为10-2000Pa；

氮气的流量为10-100sccm，具体为15sccm；

功率为50-200W，具体为90W；

时间5-60s，具体为30s；

所述氩等离子体处理中，温度为常温；

压强为10-2000Pa；

氩气的流量为10-100sccm，具体为15sccm；

功率为50-200W，具体为90W；

时间5-60s，优选10s。

所述石墨烯化学气相沉积中，化学气相沉积的方法具体可为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。

更具体的，所述常压化学气相沉积中，碳源为甲烷或乙烯；

沉积温度为1000℃-1100℃，具体为1050℃；

沉积压强为常压；

载气为由氩气和氢气组成的混合气，其中氩气与氢气的流量比为1-10：1，具体为5：1；氩气的流量具体为100-1000sccm，具体为500sccm；氢气的流量为50-500sccm，具体为100sccm；

碳源的流量为10-50sccm，具体可为20sccm；

沉积时间为0.5h-5h，具体为3h；

所述低压化学气相沉积中，碳源为乙醇蒸汽；

沉积温度为1000℃-1100℃，具体可为1080℃；

沉积压强为200-5000Pa，具体为250Pa；

载气为由氩气和氢气组成的混合气，其中氩气与氢气的流量比为1-10:1，具体可为5：1；氩气的流量具体可为100-1000sccm，具体为500sccm；氢气的流量为50-500sccm，具体为100sccm；

碳源的流量为500sccm；碳源的分压为250Pa；

沉积时间为0.5h-5h，具体为1h；

所述等离子体增强化学气相沉积中，碳源为甲烷或乙烯；