一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置及方法

摘要

本发明公开了一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置及方法，利用氮化镓‑石墨烯衬底，通过改变给石墨烯层外加的栅极偏压，来控制外延生长模式的选择。若在石墨烯层栅极上外加正向偏压，那么石墨烯中的主要载流子类型为电子，抑制氮化镓的极性，外延生长模式选择的是传统的范德瓦耳斯外延，在石墨烯上只能生长二维范德瓦耳斯氮化镓单晶之外的薄膜。反之，若不对石墨烯层栅极施加外电压或者外加反向偏压，那么就选择远程外延，在石墨烯上将生长出二维范德瓦耳斯氮化镓单晶薄膜。本发明避免了因两种外延模式所需石墨烯厚度不同，而在生产过程中需多次制造衬底的问题。不仅可以生产高质量的氮化镓材料，还显著的节省了时间与制造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及低维薄膜单晶半导体外延生长技术领域，具体涉及一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置及方法。

背景技术

近年来，半导体已经渗透到我们生活的方方面面。与第一、第二代半导体材料相比，第三代宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)具有高饱和电子漂移速度、高热导率、高临界击穿电压等特点，具备高频、耐高压、耐高温等优越性能，是极端环境中大功率器件的首选材料。其能更好的满足5G技术、新能源汽车以及军事探测等领域的需求，同时在高端光电子及电力电子器件领域具有广阔的市场前景，已经成为全球半导体技术和产业竞争的焦点。

然而，目前GaN基紫外光电器件性能仍然不理想，主要原因为：大部分GaN基器件都是在异质衬底(比如硅、碳化硅、蓝宝石等)上制备的。GaN外延层与衬底之间的晶格失配及热失配等问题会导致外延层产生晶格扭曲，从而形成较高的位错密度、镶嵌晶体结构、双轴应力及晶圆翘曲等，严重影响GaN基器件的性能和使用寿命。为了减少外延缺陷和螺纹位错，已经开发了各种用于高度不匹配的材料异质外延，如：低温缓冲层、变质缓冲层等。尽管取得了这些进步，与同质外延层相比，对于高度晶格失配的异质外延层，获得良好的晶体质量仍然是一个挑战。本发明涉及到的两种生长方式(范德瓦耳斯外延和远程外延)，主要用于范德瓦耳斯层状材料的生长，能解决上述传统异质衬底生长方法所导致的热失配与晶格失配等严重影响材料与器件性能的关键问题。

范德瓦耳斯外延是东京大学的Atsushi Koma小组在19世纪80年代中期，通过在碲(Te)衬底上外延生长硒(Se)期间发现的，它是一种在表面具有钝化悬空键的二维衬底材料之上执行二维薄膜材料外延的方法。因为现在已经很好地掌握了石墨烯的制造工艺，所以二维衬底材料通常使用石墨烯材料。在传统的外延工艺中，衬底表面存在悬空键，与被吸附原子层之间发生共价的化学键合，生长的是传统的二维薄膜材料。在范德瓦耳斯外延中，被吸附原子层通过范德瓦耳斯力结合到石墨烯表面，没有转移或共享电子。此范德瓦耳斯键作用不同于离子键或共价键，它不是两种材料之间的化学键，而是源于原子间的偶极相互作用，并且非常的弱，因此范德瓦耳斯外延可以允许生长晶格失配大于60％的异质外延膜。通过范德瓦耳斯外延在石墨烯等衬底上生长出的通过范德瓦耳斯力键合的二维层状外延材料，都被称为范德瓦耳斯薄膜材料。

远程外延，是一种特殊的新范德瓦耳斯外延技术，通过在拟生长的范德瓦耳斯外延薄膜层和传统衬底之间先插入二维石墨烯层发生。由于在临界厚度下的薄层石墨烯层对上层拟生长的外延层原子与下层的传统衬底表面之间的库仑相互作用是透明的，石墨烯层下方的衬底极性可以透过石墨烯层控制上层外延层的生长，实现与衬底具有相同晶体结构与材料性质的二维范德瓦耳斯薄膜的生长。此前，Kim,Y等人已经通过在一个有单层石墨烯涂层(001)砷化镓(GaAs)晶片上生长晶片级(001)GaAs单晶膜，证明了从衬底到石墨烯的远程成核效应。这种远程外延方法也被证实可以用于在具有石墨烯涂层的GaN衬底上生长二维范德瓦耳斯GaN材料，能消除晶格失配的影响，是发展新型器件的基础，是实现高性能器件的根本保障。

这两种外延方式都用到了石墨烯材料。石墨烯具有极高的载流子迁移率和双极性电场效应，是一种零带隙的半金属材料。所谓双极性电场效应，就是石墨烯中载流子的类型(电子或空穴)和密度均可通过外加电场控制。在远程外延中，石墨烯材料厚度必须很薄才能是“透明”的，此时外延生长的范德瓦耳斯层与石墨烯层下的衬底性质相同。而在范德瓦耳斯外延中，石墨烯层必须很厚才能抑制衬底的极性，外延生长的范德瓦耳斯层状材料的晶格结构等由石墨烯层确定，与衬底层性质无关。在上述两种外延生长方法中，石墨烯材料的弱范德瓦键合都有助于从衬底上剥落外延生长的薄膜，得到完美的范德瓦耳斯层状材料，然后转移到任何用户感兴趣的衬底上。

最新研究表明，二维范德瓦耳斯GaN薄膜材料在上述GaN-石墨烯衬底上外延生长的临界厚度为双层石墨烯的厚度。当GaN衬底上石墨烯层的厚度小于临界厚度时，GaN的极性可以穿透石墨烯的势场而影响外延层的生长，此时可适用于选择远程外延技术，而当厚度大于临界厚度时，GaN的极性不足以穿透石墨烯层，则只能使用传统的范德瓦耳斯外延模式，来生长与GaN衬底无关的其它范德瓦耳斯薄膜。虽然范德瓦耳斯外延技术与同质外延技术都能用于生长二维范德瓦耳斯薄膜，由石墨烯在其中所发挥作用的不同可知，这两种技术所成长出来的薄膜的晶体结构与材料性质是不同的。传统技术中，倘若需要在范德瓦耳斯外延和远程外延技术之间进行切换，则需要改变GaN衬底之上石墨烯层的厚度，也就是说需要制作不同的衬底，薄膜材料制备的工艺成本与时间成本将急剧增加。

发明内容

本发明提供了一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置及方法。目前，尚未存在一种可以在同一衬底上自由选择远程外延或范德瓦耳斯外延技术的方法。本发明提出通过改变外加在石墨烯层上的偏压，来改变石墨烯层极性，从而选择生长不同晶体结构和性质的范德瓦耳斯GaN基外延薄膜层。

本发明采用的技术方案是：

一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置，包括氮化镓衬底，单层石墨烯层，栅极，源极，漏极，外加的栅极偏压，外加的源漏电压；所述源极与单层石墨烯层的一端连接在一起，漏极与单层石墨烯层的另一端连接在一起；所述石墨烯层连接在氮化镓衬底的上方，栅极连接在氮化镓衬底的下方；所述外加的栅极偏压为外加在源极与栅极之间的电压；所述外加的源漏电压为外加在源极与漏极之间的电压。

一种控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，采用化学气相沉积法(CVD)生长石墨烯，并在氮化镓衬底上通过“卷对卷”的剥离转移技术获得石墨烯层；

步骤2，在GaN衬底底层沉积金属接触，形成栅极；

步骤3，在石墨烯层的两侧沉积金属接触，形成源极和漏极；

步骤4，在源极和漏极间外加源漏电压，在源极和栅极间外加栅极偏压。

一种使用上述装置控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的方法，在同一衬底上，通过改变外加在石墨烯层上的栅极偏压来实现范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的选择。

进一步的，所述步骤4中，当所述外加的栅极偏压为正向偏压时，外延生长模式选择的是范德瓦耳斯外延，此时外延生长出与氮化镓衬底无关的二维范德瓦耳斯单晶薄膜；当所述外加的栅极偏压为零或者是反向偏压时，外延生长模式选择的是远程外延，此时外延生长出二维范德瓦耳斯氮化镓单晶薄膜。

进一步的，所述步骤4中，当栅极偏压与源漏电压都为零时，外延生长模式选择的是远程外延，此时外延生长出更完美的二维范德瓦耳斯氮化镓单晶薄膜。

进一步的，所述步骤1中的GaN衬底，可以用其它GaN基单晶材料如铝镓氮(AlGaN)、氮化铝(AlN)等来代替，代替后通过远程外延技术来生长的二维范德瓦耳斯薄膜性质由对应的替换衬底来决定。

进一步的，所述步骤2中石墨烯层的制备不仅可以使用化学气相沉积法，还可以利用自限石墨化工艺升华碳化硅(SiC)晶片中的Si原子，或利用热解石墨将石墨烯分离，或其它制备方法，不影响本申请书所提出的控制二维范德瓦耳斯薄膜生长模式方法的有效性。

进一步的，所述步骤5中源极和漏极应尽量远离GaN衬底的中心位置，这是因为在GaN生长的中心位置温度偏高。在远离的同时，还需对源极和漏极电源进行保护措施，防止在高温下失效。

采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

(1)可以在同一衬底上，自由选择范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式以获得不同晶体结构和性质的外延层。当同时需要GaN材料和其他二维材料时，允许重复使用衬底，节约时间的同时还节约了生产成本。

(2)由于二维材料石墨烯极弱的范德华键合，可以利用二维辅助层转移技术，将范德瓦耳斯外延和远程外延产生的外延层，轻易的从石墨烯层上剥落，同时可以精确控制剥落外延层的厚度，剥落速度快，并在剥落后留下纯净的衬底。

(3)GaN-石墨烯衬底中，由于石墨烯具有很好的散热性，在GaN衬底上转移的单层石墨烯在后续外延生长的过程中，可以降低衬底温度。

附图说明

图1为本发明的控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置的结构示意图。

图2为本发明控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的方法流程图。

图3为选择远程外延生长模式的示意图。

图4为选择范德瓦耳斯外延生长模式的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

见图1，本实施例的控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置，包括自支撑氮化镓(GaN)衬底1、单层石墨烯层2、栅极3、源极4、漏极5。

单层石墨烯层2在自支撑GaN衬底1之上，形成GaN-石墨烯衬底。

源极4和漏极5分别置于单层石墨烯层2的两侧，栅极3设置于GaN衬底1底层。在栅极3和源极4之间外加栅极偏压6，在源极4与漏极5之间外加源漏电压7。源极4与漏极5要尽量远离GaN衬底1中心位置，因为中心位置生长温度偏高。即便远离，还需要对4、5电源采取保护措施，防止在高温下失效。

控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的装置的制作方法，包括以下步骤：

步骤1,购买商用的GaN产品作为本发明装置的自支撑GaN衬底1。

步骤2，石墨烯的生长采用化学气相沉积法，选用具有催化生长作用的铜箔作为生长石墨烯的衬底。充分排空石英管中的残余气体后，在10sccm H

步骤3，在单层石墨烯层2两侧和GaN衬底1底部采用电子束蒸发的方法，沉积接触金属Ti/Au，获得良好的欧姆接触，形成装置的源极4、漏极5、栅极3。

步骤4，在源极4和漏极5间外加源漏电压7；

步骤5，在源极4和栅极3之间外加栅极偏压6，通过改变外加栅极偏压6的正负，来控制外延模式的选择。

所述步骤1中自支撑GaN衬底1为600nm厚的2英寸体单晶。

所述步骤2中的热释放带是由独特的粘合剂组成，该粘合剂在室温下具有相对较强的粘合力。而在90–120℃时，其粘合力则迅速丧失。利用这个特点，“卷对卷”转移方法的步骤为：在铜箔上生长好石墨烯后，将铜箔和石墨烯一起通过两个辊，并在这两个辊之间施加软压力(～0.2MPa)，使在铜箔上生长的石墨烯膜被粘附到热释放带上。在装有铜蚀刻剂的容器中蚀刻完铜箔之后，用去离子水冲洗胶带上的已转移石墨烯薄膜，以去除残留的蚀刻剂，然后将热释放带上的石墨烯薄膜与GaN衬底一起插入到辊之间，并使辊加热到约90-120℃，传输速率约150-200mm min

其中热释放带可直接购买。

所述步骤2中使用“卷对卷”转移方法与石墨烯传统的需要使用PMMA的转移方法相比，避免了重金属杂质和PMMA的残留而导致石墨烯电性能的降低的问题，同时使用“卷对卷”转移方法的工艺简单，不需要使用大量有机溶剂，也不涉及高温处理，还能获得清洁度高、平整的大面积石墨烯。

所述步骤4与步骤5中，当外加的源漏电压7与栅极偏压6都为零时，选择的是远程外延模式，此时生长的二维范德瓦耳斯GaN单晶薄膜最为完美。当外加的源漏电压7为-1V时，考虑了GaN衬底厚度与介电常数的影响，若外加237V的正向栅极偏压6时，外延生长模式选择的是范德瓦耳斯外延；若外加-237V的反向栅极偏压6或无栅极偏压6时，那么就选择远程外延。

所述步骤5中，尽管所需外加的栅压高达237V，但是当长出第一层范德瓦尔斯材料后，就不再需要外加高栅压，其时间很短，因此并不会对衬底造成损坏。此外，若仍觉得外加栅压太高，可通过减小GaN衬底的厚度来降低所需的栅压。

见图2，本实施例的控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式的方法的原理在于：

在上述控制范德瓦耳斯外延与远程外延生长模式选择的方法的装置中，对于栅极3和源极4间外加的栅极偏压6，当改变外加栅极偏压6时，由于GaN衬底1不导电，因此，相当于只是给单层石墨烯层2加了一个栅极电场，而不会构成回路。对于Ga面GaN衬底1，最上面一层为Ga离子，此时的Ga离子为阳离子。当外加反向栅极偏压时，石墨烯层2的反型层为空穴，增强了GaN衬底的极性，发生的外延生长模式为远程外延(如图3)，产生的外延层为与GaN衬底晶格结构相同的二维范德瓦耳斯氮化镓单晶薄膜8。同时，若外加的栅极偏压6与源漏电压7都为零时，由于二维范德瓦耳斯GaN薄膜材料在GaN-石墨烯衬底上外延生长的临界厚度为双层石墨烯的厚度，而本发明中所用的石墨烯层厚度为单层，因此若不给GaN衬底上方的石墨烯层外加栅极偏压时，石墨烯层下方GaN衬底的极性可以透过石墨烯层控制上层外延层的生长，选择的仍是远程外延，并且此时远程外延生长二维范德瓦耳斯氮化镓单晶薄膜8的效果最好。若外加正向栅极偏压，则石墨烯的反型层为电子，石墨烯的极性被增强，屏蔽了衬底的势场，此时选择的是范德瓦耳斯外延(如图4)，外延生长的与氮化镓衬底无关的二维范德瓦耳斯单晶薄膜9的晶格结构等由石墨烯层2确定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。