利用石墨烯插入层在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用石墨烯插入层在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法及该方法制成的AlN薄膜外延结构。所述方法包括：S1、在一临时衬底上生长单层石墨烯；S2、将所述临时衬底上的生长的单层石墨烯转移到所述玻璃衬底上；S3、在表面具有单层石墨烯的玻璃衬底上生长AlN薄膜。本发明利用石墨烯作为插入层，可以解决外延薄膜和非晶玻璃衬底晶格不匹配问题，为AlN外延提供模版，改善了在非晶衬底上外延AlN的薄膜质量。
【专利说明】
利用石墨烯插入层在玻璃衬底上外延Al N薄膜的方法
技术领域
[0001]本发明属于光电材料沉积领域，尤其涉及一种利用石墨烯插入层在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，以提高在玻璃衬底上外延AlN薄膜的晶体质量。本发明也涉及使用该方法制成的AlN薄膜外延结构。
【背景技术】
[0002]当前，在全球气候变暖、环境污染问题严重的背景下，节约能源、减少污染排放是全人类面临的挑战。LED作为新一代固态光源，具有耗电量低、节能、环保、寿命长、高亮度、稳定性好的特点，是未来照明发展的方向。
[0003]目前，蓝宝石是用于LED外延的主要衬底，但是其价格昂贵，不能够大面积制备。而玻璃衬底价格低廉，可以大面积制备，而且透光、稳定，可以进行剥离转移，因此具有很大的研究价值。
[0004]玻璃属于非晶材料，同氮化物纤锌矿结构无法匹配，因此直接在玻璃上难以形成平坦的单晶薄膜。如果能够实现在玻璃衬底上高质量AlN的外延，那么就可以在此基础上外延高质量GaN基LED，对于降低LED制作成本，制备大面积LED具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明旨在解决如何高质量地在玻璃衬底上外延AlN薄膜的问题。
[0006]为此，本发明提出一种在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，包括如下步骤:
[0007]S1、在一临时衬底上生长单层石墨烯；
[0008]S2、将所述临时衬底上的生长的单层石墨烯转移到所述玻璃衬底上；
[0009]S3、在表面具有单层石墨烯的玻璃衬底上生长AlN薄膜。
[0010]根据本发明的【具体实施方式】，所述临时衬底为金属衬底；
[0011]根据本发明的【具体实施方式】，所述金属衬底为Cu箔。
[0012]根据本发明的【具体实施方式】，所述步骤S2包括:
[0013]S21、将所述单层石墨烯下方的临时衬底去除；
[0014]S22、将去除了临时衬底的单层石墨烯贴附在玻璃衬底上。
[0015]根据本发明的【具体实施方式】，所述临时衬底为金属衬底，所述步骤S21通过化学方法腐蚀去除所述金属衬底。
[0016]根据本发明的【具体实施方式】，所述金属衬底为Cu箔，所述步骤S21通过FeC13溶液腐蚀去除所述Cu箔。
[0017]根据本发明的【具体实施方式】，所述玻璃衬底为石英玻璃。
[0018]根据本发明的【具体实施方式】，所述AlN薄膜包括AlN缓冲层和在AlN缓冲层之上的高温AlN层。
[0019]同时，本发明也提出一种AlN薄膜外延结构，其由上述在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法制成。
[0020]相比现有的技术，本发明利用石墨烯作为插入层，可以解决外延薄膜和非晶玻璃衬底晶格不匹配问题，为AlN外延提供模版，改善了在非晶衬底上外延AlN的薄膜质量。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的在玻璃衬底上外延AlN的结构示意图；
[0022]图2为对比例和本发明的实施例的外延生长的AlN的X射线衍射(XRD)2R图谱；
[0023]图3为对比例外延生长的AlN的XRD摇摆曲线图谱；
[0024]图4为本发明的实施例的外延生长的AlN的XRD摇摆曲线图谱。
【具体实施方式】
[0025]为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种利用石墨烯插入层来提高AlN薄膜质量的方法。其主要特点是利用转移石墨烯来作为生长模版，克服非晶玻璃衬底同AlN的失配，改善AlN的晶体质量。
[0026]图1为本发明的玻璃衬底上外延AlN的结构示意图。如图1所示，本发明的玻璃衬底和AlN层之前具有一个单层石墨烯层。
[0027]本发明的方案的主要步骤包括:
[0028]S1、在一临时衬底上生长单层石墨烯。
[0029]所述临时衬底可以是金属构成，例如Cu箔。可以采用现有的工艺来生长单层石墨稀，例如利用化学气相沉积(chemical vapor deposit1n，CVD)技术。
[0030]S2、将所述临时衬底上的生长的单层石墨烯转移到所述玻璃衬底上。
[0031]本发明优选采用软化点较高的石英玻璃衬底。例如，作为具体实施例，可以采用直径为2英寸、厚度在300?500μπι的石英玻璃圆片。石英玻璃圆片的表面需要进行单面抛光，表面粗糙度< I Onm。
[0032]在转移单层石墨烯之前，通常需要对玻璃衬底进行清洗。作为具体的实施方式，可以将玻璃衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10分钟，然后在超净间用氮气吹干。
[0033]作为一种优选方案，所述步骤S2的转移步骤具体包括如下步骤:
[0034]S21、将所述单层石墨烯下方的临时衬底去除。
[0035]当临时衬底为金属材料时，可以通过化学方法腐蚀去除。
[0036]S22、将去除了临时衬底的单层石墨烯贴附在玻璃衬底上。
[0037]作为一个实施例，步骤S2例如可以以如下方式进行。
[0038]I)配制百分比浓度为25%的FeCl3溶液，将其盛满于直径为20cm的平底洁净玻璃盘中，静置20min;
[0039]2)截取2cmX 2cm的使用CVD生长了单层石墨烯的Cu箔片，将其展平后轻轻放在玻璃盘的FeCl3溶液表面，使其漂浮，静置2小时直到Cu箔被完全腐蚀干净，而单层石墨烯漂浮于液面；
[0040]3)用玻璃衬底小心的托起漂浮于FeCl3溶液表面的单层石墨烯薄膜，放在已经静置的洁净清水表面，清洗残留的Cu肩；
[0041 ] 4)用玻璃衬底托起清洗干净的石墨烯薄膜，放在干净环境中自然晾干，最后，使石墨烯紧紧贴在玻璃衬底表面。
[0042]S3、在表面具有单层石墨烯的玻璃衬底上生长AlN薄膜。
[0043]该步骤可采用常规的生长AlN薄膜的工艺。
[0044]例如，作为一种实施方式，米用金属有机化学气相沉积(metal-organic chemicalvapor deposit 1n cMOCVD)系统，将反应室抽真空，向反应室内通入氢气携带的三甲基招(TMAl )、氨气，控制气体总压强和基底加热温度，生长AlN薄膜。
[0045]作为一种优选方案，所述步骤S3中生长室抽真空至8.0X 10—4pa，生长温度750 V，TMAl流量为6sccm，NH3流量lOOOsccm，气体总压强为50Torr，生长低温AlN缓冲层80nm。
[0046]作为一种优选方案，所述步骤S3中生长高温AlN 300nm，生长温度1200°C，TMA1流量为50sccm，NH3流量lOOOsccm，气体总压强为50Torr。
[0047]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0048]对比例
[0049]作为对比例，未使用石墨烯插入层，直接外延AlN薄膜，用作对比样品。
[0050]I)对玻璃衬底进行清洗，分别用丙酮、乙醇、去离子水超声lOmin，然后用氮气进行吹干，放入生长室。
[0051 ] 2)采用用金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposit1n。M0CVD)系统，将反应室抽真空，向反应室内通入氢气携带的三甲基铝(TMAl)、氨气，控制气体总压强和基底加热温度，生长AlN薄膜。
[0052]所述步骤2)中生长室抽真空至8.0\10—4?&，生长温度750°(:31^1流量为68(^111，NH3流量lOOOsccm，气体总压强为50Torr，生长低温AlN缓冲层80nm。接着，生长高温AlN300nm，生长温度1200°C，TMA1流量为50sccm，NH3流量lOOOsccm，气体总压强为50Torr。
[0053]实施例
[0054]I)对玻璃衬底进行清洗，分别用丙酮、乙醇、去离子水超声lOmin，然后用氮气进行吹干，放入氮气柜中以待下一步转移石墨烯。该实施例选中采用石英玻璃衬底，直径2英寸，厚度在300?500μπι;对石英玻璃表面进行单面抛光，表面粗糙度<10nm。
[0055]2.1)配制百分比浓度为25%的FeCl3溶液，将其盛满于直径在20cm的平底洁净玻璃盘中，静置20min;
[0056]2.2)截取2X2cm用CVD生长有石墨烯的Cu箔片，展平，轻轻放在溶液上，使其漂浮于表面，静置2h直到Cu箔被完全腐蚀干净，而石墨烯漂浮于液面；
[0057]2.3)用玻璃衬底小心的托起漂浮于液面的石墨烯薄膜，放在已经静置的洁净清水表面，清洗残留的Cu肩；
[0058]2.4)用玻璃衬底托起清洗干净的石墨烯薄膜，放在干净环境中自然晾干，最后石墨烯紧紧贴在玻璃衬底表面。
[0059]3)生长室抽真空至8.0\10—4?&，生长温度750°(:，了1^1流量为68(^111，冊3流量lOOOsccm，气体总压强为50Torr，生长低温AlN缓冲层20nm。接着，生长高温AlN 300nm，生长温度1200°C，TMA1流量为50sccm，NH3流量lOOOsccm，气体总压强为50Torr。
[0060]对比例和本发明的实施例均完成后，进行X射线衍射图谱测试以表征晶体质量。
[0061]图2为对比例和本发明的实施例的外延生长的AlN的X射线衍射(XRD)20图谱。如图2所示，利用石墨烯插入层外延得到的AlN薄膜具有(0002)择优取向，而且(1-101)峰远远小于直接在玻璃衬底上外延的A1N，可见石墨稀插入层提尚了 AlN的晶体质量。
[0062]图3和图4分别为对比例和本发明的实施例的外延生长的AlN的XRD摇摆曲线图谱。如图3和图4所示，直接在玻璃衬底上生长AlN薄膜(0002)方向的半高宽为16.12°，而利用石墨烯插入层得到的AlN薄膜(0002)方向半高宽为4.76°。
[0063]测试结果表明利用石墨烯作为插入层可以克服非晶玻璃同AlN之间存在的失配，改善AlN晶体质量。
[0064]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，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。
【主权项】
1.一种在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，包括如下步骤: .51、在一临时衬底上生长单层石墨稀； .52、将所述临时衬底上的生长的单层石墨烯转移到所述玻璃衬底上； .53、在表面具有单层石墨烯的玻璃衬底上生长AlN薄膜。2.如权利要求1所述的在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，其特征在于，所述临时衬底为金属衬底。3.如权利要求2所述的在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，其特征在于，所述金属衬底为Cu箔。4.如权利要求1所述的在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，其特征在于，所述步骤S2包括: .521、将所述单层石墨烯下方的临时衬底去除； .522、将去除了临时衬底的单层石墨烯贴附在玻璃衬底上。5.如权利要求4所述的在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，其特征在于，所述临时衬底为金属衬底，所述步骤S21通过化学方法腐蚀去除所述金属衬底。6.如权利要求5所述的在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，其特征在于，所述金属衬底为Cu箔，所述步骤S21通过FeCh溶液腐蚀去除所述Cu箔。7.如权利要求1?6中任一项所述的在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，其特征在于，所述玻璃衬底为石英玻璃。8.如权利要求1?6中任一项所述的在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法，其特征在于，所述AlN薄膜包括AlN缓冲层和在AlN缓冲层之上的高温AlN层。9.一种AlN薄膜外延结构，其特征在于，由权利要求1?6中任一项所述的在玻璃衬底上外延AlN薄膜的方法制成。
【文档编号】H01L33/32GK106048555SQ201610370844
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】安平博, 赵丽霞, 魏同波, 陈召龙, 王军喜, 李晋闽
【申请人】中国科学院半导体研究所