专利名称：一种GaN衬底转移石墨烯的退火工艺及制作的器件的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，涉及III-IV族半导体衬底的石墨烯转移退火方法，特别是一种基于GaN衬底的退火方法，可用GaN衬底转移的石墨稀材料及GaN与石墨稀结合制作器件。
背景技术：
石墨烯材料是一种碳基二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，单层仅原子厚度，它具有极其优异的物理化学性质，比如极高的载流子迁移率(理论估计超过200000( ^1 s—1，是Si的数百倍)，超强的机械性能(杨氏模量约1000GP)，极高的比表面积和极好的气敏特性，极高的透明性和柔韧性，而且它与衬底不存在失配问题，可以与Si基器件工艺完全兼容，具有突出的产业优势。因此，石墨烯的出现为产业界和科技界带来曙光，它是最被看好的替代S i成为下一代基础半导体材料的新材料。·GaN材料是第三代半导体材料的代表，由AIN、GaN, InN及其合金AlGaN、InGaN等构成的III族氮化物是直接带隙半导体，且其带隙宽度可以从InN的O. 7eV到GaN的3. 4eV再到AlN的6. 2eV连续可调，相应波长涵盖红、黄、绿直至紫外光谱范围，而且大的禁带差使得利用III族氮化物制备出的异质结、量子阱、超晶格等具有先进的特性，对于制造新型半导体器件有重要意义。GaN材料已经被成功用于制作高频高功率器件以及LED等光电器件，然而由于最常用的蓝宝石上异质外延生长GaN热导率很低，大大限制了 GaN器件的应用范围。与此对应的是石墨烯的热导率实验值约为5000WmD1KD1，是室温下铜的热导率(401WmD1KD1)的10倍多，因此石墨烯可以帮助GaN组成的微波功率电路的散热。同时，石墨烯的可见光透过率为97. 7%，且与波长无关，凭借其良好的导电特性方便用于LED互连。然而，使用常规转移方法转移到GaN衬底上的石墨烯缺陷多接触差，因此急需发明一种合适的转移后处理方法。
发明内容
本发明的目的在于克服使用常规转移方法转移到GaN衬底上的石墨烯缺陷多与衬底接触差，提供一种改善衬底接触的转移后退火方法。本发明实施例是这样实现的，一种GaN衬底转移石墨烯的退火工艺，所述退火工艺步骤如下(I)将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理；(2)向反应室通入Ar和CH4 ；(3)在Fe(NO4)3水溶液中浸泡30_60min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在 150-200°C ；(4)放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA ；(5)分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干；
(6)反应室抽真空，再通入Ar气，气压O. 01-0. ΙΤοιτ，温度上升到100_200°C，保持30_40min ；(7)再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10 : 1_1 : 1，气压维持在O. 01-0. ITorr，退火温度为 700-900°C，退火时间 l_2h。用上述方退火得到的转移石墨烯样品其特征在于最终使转移石墨烯表面更洁净，缺陷更少，石墨烯平整与GaN衬底接触更好。进一步，将铜箔放在反应室内，向反应室通AH2，对铜箔进行处理，流量l-20sccm，温度 900-1000°C，时间 20-60min，气压 l_50Torr。
进一步，向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为10 1-2
量20-200sccm，CH4流量l_20sccm，气压维持在O. Ι-lTorr，温度900-1100°C，升温和保持时间共 20-60min。进一步，在O. 05g/ml-0. 15g/ml Fe (NO4) 3 水溶液中浸泡 30_60min，使用 GaN 衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150-200°C。进一步，反应室抽真空，再通入Ar气，气压O. 01-0. ITorr，温度上升到100-200°C，保持 30-40min ；进一步，再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10 1-1 1，气压维持在
O.01-0. ITorr，退火温度为 700-900°C，退火时间 l_2h。本发明的目的在于提供一种利用上述的GaN衬底转移的石墨烯材料及GaN与石墨烯结合制作的器件。本发明具有如下优点I.由于采用在Ar气气氛中较低温度退火，有效的去除石墨烯表面吸附的水分子和其他杂质分子。2.由于采用高于700°C的高退火温度，得以形成衬底上附着石墨烯与GaN衬底的有效接触。
图I是本发明的GaN衬底上石墨烯退火流程图；图2是本发明的GaN衬底上石墨烯退火的退火管式炉。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参照图1、2，本发明给出如下实施例实施例I :本发明的实现步骤如下 步骤I,高温处理铜箔。将铜箔放在反应室内，向反应室通AH2，对铜箔进行处理，流量5sccm，温度900°C，时间60min，气压15Torr
步骤2，CVD成长石墨烯。向反应室通入Ar和CH4,保持Ar和CH4的流量比为10 1，Ar流量200sccm，CH4流量20sccm，气压维持在ITorr，温度900°C，升温和保持时间共20min。步骤3，腐蚀Cu衬底。在Fe(NO4)3水溶液(O. 15g/ml)中浸泡30min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150°C。步骤4，去除表面有机物。放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA。步骤5，分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干。步骤6,去除反应室水蒸气。反应室抽真空，再通入Ar气，气压O. ITorr，温度上升到160°C，保持40min。步骤7,高温退火。再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10 1，气压维持在O. ITorr,退火温度为700 °C，退火时间2h。实施例2 ·
本发明的实现步骤如下步骤A,高温处理铜箔。将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量lOsccm，温度950 0C，时间 40min，气压 25Torr步骤B，CVD成长石墨烯。向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为5 1，Ar流量lOOsccm，CH4流量20sccm，气压维持在ITorr，温度950°C，升温和保持时间共40min。步骤C，腐蚀Cu衬底。在Fe(NO4)3水溶液(0. lg/ml)中浸泡40min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在200°C。步骤D，去除表面有机物。放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA。步骤E，分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干。步骤F,去除反应室水蒸气。反应室抽真空，再通入Ar气，气压0. 06Torr，温度上升到170°C，保持30min。步骤G,高温退火。再通入Ar和H2的混合气，混合比例为7 1，气压维持在0. 07Torr，退火温度为800°C，退火时间I. 5h。实施例3 本发明的实现步骤如下 步骤I,高温处理铜箔。将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量20sccm，温度IOOO0C，时间 20min，气压 50Torr步骤2，CVD成长石墨烯。
向反应室通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为3 1，Ar流量180sccm，CH4流量60sccm，气压维持在ITorr，温度1100°C，升温和保持时间共20min。步骤3，腐蚀Cu衬底。在Fe(NO4)3水溶液(O. 15g/ml)中浸泡30min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在160°C。步骤4，去除表面有机物。放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA。步骤5，分别用无水乙醇和去离子水漂洗，高纯N2吹干。步骤6，去除反应室水蒸气。反应室抽真空，再通入Ar气，气压O. ITorr，温度上升到200°C，保持30_40min。·步骤7,高温退火。再通入Ar和H2的混合气，混合比例为3 1，气压维持在O. ITorr,退火温度为900 °C，退火时间2h。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种GaN衬底转移石墨烯的退火工艺，其特征在于， 采用高温退火的方式，修复衬底转移过程中产生的石墨烯缺陷，进一步去除转移过程中没能去除或是新引进的杂质，同时进行高温退火。
2.如权利要求I所述的退火工艺，其特征在于，所述退火工艺步骤如下 (1)将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理； (2)向反应室通入Ar和CH4; (3)在Fe(NO4) 3水溶液中浸泡30-60min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150-200°C ； (4)放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA； (5)分别用无水乙醇和去离子水漂洗,高纯N2吹干； (6)反应室抽真空，再通入Ar气； (7)再通入Ar和H2的混合气，退火。
3.如权利要求I所述的退火工艺，其特征在于，将铜箔放在反应室内，向反应室通入H2，对铜箔进行处理，流量l-20sccm，温度900-1000°C，时间20_60min，气压l_50Torr。
4.如权利要求I所述的退火工艺，其特征在于，向反应室通入Ar和CH4,保持Ar和CH4的流量比为 10 1-2 1，八1'流量20-2008(3011，014流量1-208(3011，气压维持在0.1-11'01·!·，温度900-1100°C，升温和保持时间共20-60min。
5.如权利要求I所述的退火工艺，其特征在于，在O.05g/ml-0. 15g/mlFe (NO4) 3水溶液中浸泡30-60min，使用GaN衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150_200°C。
6.如权利要求I所述的退火工艺，其特征在于，反应室抽真空，再通入Ar气，气压O.01-0. ITorr，温度上升到 100-200。。，保持 30_40min ；
7.如权利要求I所述的退火工艺，其特征在于，再通入Ar和H2的混合气，混合比例为10 1-1 1，气压维持在O. 01-0. ITorr，退火温度为700-900°C，退火时间l-2h。
8.—种利用权力要求I所述的GaN衬底转移的石墨烯材料及GaN与石墨烯结合制作的器件。
全文摘要
本发明公开了一种GaN衬底转移石墨烯的退火工艺，采用高温退火的方式，修复衬底转移过程中产生的石墨烯缺陷，进一步去除转移过程中没能去除或是新引进的杂质。同时，高温退火还可以使衬底与石墨烯接触得到改善，接触均匀性大大提高，为GaN衬底和石墨烯两者的优势结合提供保障。最终使转移石墨烯表面更洁净，缺陷更少，石墨烯平整与GaN衬底接触更好。本发明由于采用在Ar气气氛中较低温度退火，有效的去除石墨烯表面吸附的水分子和其他杂质分子，由于采用高于700℃的高退火温度，得以形成衬底上附着石墨烯与GaN衬底的有效接触。
文档编号H01L21/324GK102903631SQ20121040823
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者宁静, 王东, 韩砀, 闫景东, 柴正, 张进成, 郝跃 申请人:西安电子科技大学