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CN103378224B - 外延结构的制备方法 - Google Patents

外延结构的制备方法 Download PDF

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CN103378224B
CN103378224B CN201210122618.6A CN201210122618A CN103378224B CN 103378224 B CN103378224 B CN 103378224B CN 201210122618 A CN201210122618 A CN 201210122618A CN 103378224 B CN103378224 B CN 103378224B
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Abstract

本发明涉及一种外延结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一基底，该基底具有一支持外延层生长的外延生长面；在所述基底的外延生长面设置一石墨烯层，所述石墨烯层使所述外延生长面部分被覆盖且部分被暴露；以及在基底的外延生长面被暴露的部分生长外延层。

Description

外延结构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种外延结构的制备方法。
背景技术
外延结构，尤其异质外延结构为制作半导体器件的主要材料之一。例如，近年来，制备发光二极管(LED)的氮化镓外延片成为研究的热点。
所述氮化镓外延片是指在一定条件下，将氮化镓材料分子，有规则排列，定向生长在蓝宝石基底上。然而，高质量氮化镓外延片的制备一直是研究的难点。由于氮化镓和蓝宝石基底的晶格常数以及热膨胀系数的不同，从而导致氮化镓外延层存在较多位错缺陷。而且，氮化镓外延层和蓝宝石基底之间存在较大应力，应力越大会导致氮化镓外延层破裂。这种异质外延结构普遍存在晶格失配现象，且易形成位错等缺陷。
现有技术提供一种改善上述不足的方法，其采用非平整的蓝宝石基底外延生长氮化镓。然而，现有技术通常采用光刻等微电子工艺在蓝宝石基底表面形成沟槽从而构成非平整外延生长面。该方法不但工艺复杂，成本较高，而且会对蓝宝石基底外延生长面造成污染，从而影响外延结构的质量。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种工艺简单，成本低廉，且不会对基底表面造成污染的外延结构的制备方法。
一种外延结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一基底，该基底具有一支持外延层生长的外延生长面；在所述基底的外延生长面设置一石墨烯层，所述石墨烯层为具有多个开口的连续的整体结构体，所述石墨烯层的厚度为一个碳原子厚度，所述开口的尺寸为10纳米～120微米，所述石墨烯层使所述外延生长面部分被覆盖且部分被暴露；以及在基底的外延生长面被暴露的部分生长外延层。
一种外延结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一基底，该基底具有一支持外延层生长的外延生长面；在所述基底的外延生长面设置一图案化的石墨烯层，所述图案化的石墨烯层为具有多个开口的连续的整体结构体，所述石墨烯层的厚度为一个碳原子厚度，所述图案化的石墨烯层的多个开口使所述外延生长面被部分暴露，所述开口的尺寸为10纳米～120微米，所述图案化的石墨烯层的占空比为1:4～4:1；以及在基底的外延生长面被暴露的部分生长外延层。
与现有技术相比，由于在所述基底的外延生长面设置一石墨烯层而获得图案化的掩模的方法工艺简单、成本低廉，大大降低了外延结构的制备成本，同时降低了对环境的污染。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的异质外延结构的制备方法的工艺流程图。
图2为本发明第一实施例中采用的包括多个微孔的石墨烯层的结构示意图。
图3为本发明第一实施例中采用的包括多个条形间隙的石墨烯层的结构示意图。
图4为本发明第一实施例中采用的包括多个不同形状开口的石墨烯层的结构示意图。
图5为本发明第一实施例中采用的包括多个间隔设置的图形的石墨烯层的结构示意图。
图6为本发明实第一施例中采用的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图7为图6中的碳纳米管膜中的碳纳米管片段的结构示意图。
图8为本发明第一实施例中采用的多层交叉设置的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图9为本发明第一实施例中异质外延层生长过程示意图。
图10为本发明第一实施例制备的异质外延结构的立体结构示意图。
图11为图10所示的异质外延结构沿线IX-IX的剖面示意图。
图12为本发明第二实施例提供的异质外延结构的立体分解图。
图13为本发明第二实施例提供的异质外延结构的立体结构示意图。
图14为本发明第三实施例提供的异质外延结构的立体结构示意图。
主要元件符号说明
异质外延结构10,20,30
基底100,200,300
外延生长面101
石墨烯层102,202,302
孔洞103
异质外延层104,204,304
开口105
异质外延晶粒1042
异质外延薄膜1044
碳纳米管片段143
碳纳米管145
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的外延结构及其制备方法。为了便于理解本发明的技术方案，本发明首先介绍一种异质外延结构的制备方法。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种异质外延结构10的制备方法，其具体包括以下步骤：
S10：提供一基底100，且该基底100具有一支持异质外延层104生长的外延生长面101；
S20：在所述基底100的外延生长面101设置一石墨烯层102；
S30：在基底100的外延生长面101生长异质外延层104。
步骤S10中，所述基底100提供了异质外延层104的外延生长面101。所述基底100的外延生长面101是分子平滑的表面，且去除了氧或碳等杂质。所述基底100可以为单层或多层结构。当所述基底100为单层结构时，该基底100可以为一单晶结构体，且具有一晶面作为异质外延层104的外延生长面101。所述单层结构的基底100的材料可以为GaAs、GaN、Si、SOI、AlN、SiC、MgO、ZnO、LiGaO2、LiAlO2或Al2O3等。当所述基底100为多层结构时，其需要包括至少一层上述单晶结构体，且该单晶结构体具有一晶面作为异质外延层104的外延生长面101。所述基底100的材料可以根据所要生长的异质外延层104来选择，优选地，使所述基底100与异质外延层104具有相近的晶格常数以及热膨胀系数。所述基底100的厚度、大小和形状不限，可以根据实际需要选择。所述基底100不限于上述列举的材料，只要具有支持异质外延层104生长的外延生长面101的基底100均属于本发明的保护范围。
步骤S20中，所述石墨烯层102可以由石墨烯粉末或石墨烯薄膜构成。所述石墨烯粉末为分散的石墨烯颗粒，所述石墨烯薄膜为一连续的单层碳原子层，即单层石墨烯。当所述石墨烯层102包括石墨烯粉末时，所述石墨烯粉末需要经过溶液分散、涂覆以及刻蚀等图案化工艺形成图案化的整体结构。当所述石墨烯层102包括多个石墨烯薄膜时，该多个石墨烯薄膜可以层叠设置或共面设置。所述石墨烯薄膜可以经过切割或刻蚀等工艺处理形成图案化结构。
所述单层石墨烯有着非常独特的性能。首先，单层石墨烯几乎完全透明，大约只吸收2.3％的可见光，并可透过大部分红外线；其次，单层石墨烯厚度仅约为0.34nm，比表面积的理论值为2630m2·g-1，而实测石墨烯的抗拉强度为125GPa，杨氏模量达到了1.0TPa；再次，石墨烯薄膜的热导率实测值为5300W·m-1·K-1，其载流子迁移率的理论值为2×105cm2·V-1·s-1，而其电阻率只有1×10-6Ω·cm，约为铜的2/3；最后，在室温下即能观测到石墨烯薄膜具有量子霍尔效应和无散射传输现象。
本实施例中，所述石墨烯层102为一纯石墨烯结构，即仅包括石墨烯材料。所述石墨烯层102的厚度为1纳米～100微米，比如1纳米、10纳米、200纳米，1微米或10微米。可以理解，当所述石墨烯层102为单层石墨烯时，所述石墨烯层102为一个碳原子厚度。
优选地，所述石墨烯层102为一图案化结构。当所述石墨烯层102设置在所述基底100的外延生长面101时，使所述基底100的外延生长面101通过所述石墨烯层102部分暴露出来，以便于在该基底100暴露出来的部分外延生长面101上生长半导体外延层104，即所述石墨烯层102起掩模作用。
如图2-图4所示，所述“图案化结构”指所述石墨烯层102为一具有多个开口105的连续整体结构。当所述石墨烯层102设置在所述基底100的外延生长面101时，使所述外延生长面101对应开口105的部分暴露出来。所述多个开口105的形状不限，可以为圆形、方形、三角形、菱形或矩形等。同一个石墨烯层102的多个开口105的形状可以相同或不同。所述多个开口105从所述石墨烯层102的厚度方向贯穿所述石墨烯层102。所述开口105可以为如图2所示的微孔或者如图3所示的条形的间隙。所述开口105为微孔时其孔径(平均孔径)范围为10纳米～500微米，所述开口105为间隙时其宽度(平均宽度)范围为10纳米～500微米。以下称为“所述开口105的尺寸”是指孔径或间隙宽度的尺寸范围。所述石墨烯层102中的微孔和间隙可以同时存在并且两者尺寸可以在上述尺寸范围内不同。所述开口105的尺寸可以为10纳米～300微米，比如10纳米、1微米、10微米、80微米或120微米等。所述开口105的尺寸越小，有利于在生长外延层的过程中减少位错等缺陷的产生，以获得高质量的半导体外延层104。优选地，所述开口105的尺寸为10纳米～10微米。进一步地，所述石墨烯层102的占空比为1:100～100:1，如1:10、1:2、1:4、4:1、2:1或10:1。优选地，所述占空比为1:4～4:1。所谓“占空比”指该石墨烯层102设置于基底100的外延生长面101后，该外延生长面101被石墨烯层102占据的部分与通过开口105暴露的部分的面积比。本实施例中，所述开口105在所述石墨烯层102中均匀分布。
所述“图案化结构”也可以为设置于基底100表面的多个间隔设置的图形，且相邻两个图形之间形成多个开口105。当所述石墨烯层102设置在所述基底100的外延生长面101时，使所述外延生长面101对应开口105的部分暴露出来。如图5所示，所述石墨烯层102为多个平行且间隔设置的石墨烯条带，相邻的石墨烯条带之间为所述开口105。
所述石墨烯层102可以直接生长在所述基底100的外延生长面101或先制备石墨烯后再转移至所述基底100的外延生长面101。所述石墨烯粉末可以通过液相剥离法、插层剥离法、剖开碳纳米管法、溶剂热法、有机合成法等方法中的一种或多种制备。所述石墨烯薄膜可以通过化学气相沉积(CVD)法、机械剥离法、静电沉积法、碳化硅(SiC)热解法、外延生长法等方法中的一种或多种制备。
本实施例中，参见图5，所述石墨烯层102为多个间隔设置的条形石墨烯层102，且每个条形石墨烯为多个石墨烯粉末组成的整体结构，其制备方法具体包括以下步骤。
首先，制备一石墨烯粉末溶液。
所述石墨烯粉末可以通过液相剥离法、插层剥离法、剖开碳纳米管法、溶剂热法、有机合成法等方法制备。所述石墨烯粉末溶液的溶剂可以为水、乙醇、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃以及2-氮甲基乙酰胺中的一种或多种。所述石墨烯粉末溶液的浓度为1毫克/毫升～3毫克/毫升。
其次，在基底100的外延生长面101形成连续的石墨烯涂层。
本实施例，将石墨烯粉末溶液滴到基底100的外延生长面101，并进行甩膜旋涂处理，从而得到连续的石墨烯涂层。所述甩膜旋涂的转速为3000转/分钟～5000转/分钟，所述甩膜旋涂的时间为1分钟～2分钟。
最后，将该连续的石墨烯涂层图案化。
所述将该连续的石墨烯涂层图案化方法包括光催化二氧化钛切割法、离子束刻蚀法、原子力显微镜刻蚀法、以及等离子体刻蚀法中的一种或多种。
本实施例中，通过光催化二氧化钛切割连续的石墨烯涂层，具体包括以下步骤：(a)制备一图案化的金属钛层；(b)将该图案化的金属钛层加热氧化得到一图案化的二氧化钛层；(c)将该图案化的二氧化钛层与连续的石墨烯涂层接触，并采用紫外光照射该图案化的二氧化钛层；以及(d)去除图案化的二氧化钛层。可以理解，该方法中，得到的石墨烯层102的图案与所述二氧化钛层的图案相互啮合，即所述连续的石墨烯涂层与二氧化钛层对应的地方被去除。
所述步骤(a)中，所述图案化的金属钛层可以通过掩模蒸镀法或光刻曝光法制备形成在一石英基底表面。所述石英基底的厚度为300微米～1000微米，所述金属钛层的厚度为3纳米～10纳米。本实施例中，所述石英基底的厚度为500微米，所述金属钛层的厚度为4纳米。所述图案化的金属钛层为一具有多个间隔设置的条形开口的连续金属钛层。所述步骤(b)中，将图案化的金属钛层在500℃～600℃条件下加热1小时～2小时。所述步骤(c)中，所述紫外光的波长为200纳米～500纳米，所述紫外光照射的气氛为空气或氧气，所述紫外光照射的环境湿度为40％～75％，所述紫外光照射的时间为30分钟～90分钟。由于二氧化钛为光催化半导体材料，在紫外光照射下会产生电子与空穴的分离。该电子与空穴分别被二氧化钛表面的Ti(IV)和晶格氧所捕获，从而具有很强的氧化还原能力。被捕获的电子与空穴很容易氧化还原空气中的氧气和水而形成O2和H2O2等活性物质，该活性物质可以将石墨烯分解。所述步骤(d)中，通过将石英基底移开去除图案化的二氧化钛层。
可以理解，所述步骤(a)中，还可以通过将金属钛直接沉积在一图案化的碳纳米管结构表面。该碳纳米管结构可以为碳纳米管膜，碳纳米管线或其组合。当该碳纳米管结构为多个碳纳米管线时，该多个碳纳米管线可以平行间隔或交叉设置，由于碳纳米管线之间具有微孔或间隙，所以该多个碳纳米管线形成一图案化结构。当该碳纳米管结构为碳纳米管膜时，由于碳纳米管膜中的碳纳米管之间具有微孔或间隙，所以该碳纳米管膜形成一图案化结构。由于金属钛层直接沉积在碳纳米管膜中的碳纳米管表面，所以也形成一图案化结构。所述步骤(b)中，还可以通过给碳纳米管通入电流的方式加热氧化碳纳米管表面的金属钛。所述步骤(c)中，与碳纳米管对应位置的石墨烯被分解去除形成开口105。即，得到的石墨烯层102的图案与所述碳纳米管结构的图案相互啮合。由于碳纳米管的直径仅为0.5纳米～50纳米，所以可以制备出几十纳米尺寸的开口105。通过选择碳纳米管的直径可以控制石墨烯层102的开口105的尺寸。该碳纳米管结构为一自支撑结构。所谓“自支撑”指该碳纳米管结构不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身状态，即将该碳纳米管结构置于(或固定于)间隔特定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管结构能够悬空保持自身状态。所述步骤(d)中，由于该碳纳米管结构为一自支撑结构，所以通过将碳纳米管结构移开，可以方便的去除图案化的二氧化钛层。例如，首先，将多个平行间隔设置的碳纳米管线表面沉积金属钛；然后，通过加热将金属钛氧化形成二氧化钛；其次，将该多个平行间隔设置的碳纳米管线设置于连续的石墨烯涂层表面，并采用紫外光照射该多个平行间隔设置的碳纳米管线；最后，将多个平行间隔设置的碳纳米管线去除得到具有多个条形开口的石墨烯层102。
所述碳纳米管膜可以为一从碳纳米管阵列中拉取获得自支撑结构。参见图6和图7，具体地，所述碳纳米管膜包括多个连续且定向延伸的碳纳米管片段143。该多个碳纳米管片段143通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段143包括多个相互平行的碳纳米管145，该多个相互平行的碳纳米管145通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段143具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管膜可通过从一碳纳米管阵列中选定部分碳纳米管后直接拉取获得。所述碳纳米管膜的厚度为1纳米～100微米，宽度与拉取出该碳纳米管膜的碳纳米管阵列的尺寸有关，长度不限。所述碳纳米管膜中相邻的碳纳米管之间存在微孔或间隙，且该微孔的孔径或间隙的尺寸小于10微米。优选地，所述碳纳米管膜的厚度为100纳米～10微米。该碳纳米管膜中的碳纳米管145沿同一方向择优取向延伸。所述碳纳米管膜及其制备方法具体请参见申请人于2007年2月9日申请的，于2010年5月26日公告的第CN101239712B号中国公开专利“碳纳米管膜结构及其制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。请参阅图8，当多层碳纳米管膜层叠设置时，相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管的延伸方向形成一交叉角度α，且α大于等于0度小于等于90度(0°≤α≤90°)。
所述石墨烯层102还可以为一包括石墨烯以及添加材料的复合结构。所述添加材料包括碳纳米管、碳化硅、氮化硼、氮化硅、二氧化硅、无定形碳等中的一种或多种。所述添加材料还可以包括金属碳化物、金属氧化物及金属氮化物等中的一种或多种。所述添加材料可以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、磁控溅射等方法形成于石墨烯的表面。
可以理解，本实施例中，也可以先对基底100的延生长面101进行表面处理形成石墨烯浸润区域与石墨烯不浸润区域，然后涂敷石墨烯层直接形成图案化的石墨烯层102。所述表面处理的方法为自组装分子法、臭氧处理法、氧等离子处理法、氩等离子处理法、紫外光照法、以及蒸镀法中的一种或多种。
所述石墨烯层102还可以为一包括石墨烯以及添加材料的复合结构。所述添加材料包括碳纳米管、碳化硅、氮化硼、氮化硅、二氧化硅、无定形碳等中的一种或多种。所述添加材料还可以包括金属碳化物、金属氧化物及金属氮化物等中的一种或多种。所述添加材料可以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、磁控溅射等方法形成于石墨烯的表面。
以上内容可知，所述石墨烯层102起着生长半导体外延层104的掩模作用。所谓“掩模”是指该石墨烯层102用于遮挡所述基底100的部分外延生长面101，且暴露部分外延生长面101，从而使得半导体外延层104仅从所述外延生长面101暴露的部分生长。由于石墨烯层102具有多个开口105，所以该石墨烯层102形成一图案化的掩模。由于所述石墨烯层102在所述基底100的外延生长面101形成多个开口105，从而使得所述基底100的外延生长面101上具有一图案化的掩模。可以理解，相对于光刻等微电子工艺，通过设置石墨烯层102作为掩模进行外延生长的方法工艺简单、成本低廉，不易在基底100的外延生长面101引入污染，而且绿色环保。
可以理解，所述基底100和石墨烯层102共同构成了用于生长异质外延结构的衬底。该衬底可用于生长不同材料的异质外延层104，如半导体外延层、金属外延层或合金外延层。该衬底也可用于生长同质外延层，从而得到一同质外延结构。
步骤S30中，所述异质外延层104的生长方法可以通过分子束外延法(MBE)、化学束外延法(CBE)、减压外延法、低温外延法、选择外延法、液相沉积外延法(LPE)、金属有机气相外延法(MOVPE)、超真空化学气相沉积法(UHVCVD)、氢化物气相外延法(HVPE)、以及金属有机化学气相沉积法(MOCVD)等中的一种或多种实现。
所述异质外延层104指通过外延法生长在基底100的外延生长面101的单晶结构体，其材料不同于基底100，所以称异质外延层104。所述异质外延层104的生长的厚度可以根据需要制备。具体地，所述异质外延层104的生长的厚度可以为0.5纳米～1毫米。例如，所述异质外延层104的生长的厚度可以为100纳米～500微米，或200纳米～200微米，或500纳米～100微米。所述异质外延层104可以为一半导体外延层，且该半导体外延层的材料为GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAs、SiGe、InP、Si、AlN、GaN、GaInN、AlInN、GaAlN或AlGaInN。所述异质外延层104可以为一金属外延层，且该金属外延层的材料为铝、铂、铜或银。所述异质外延层104可以为一合金外延层，且该合金外延层的材料为MnGa、CoMnGa或Co2MnGa。
请参阅图9，具体地，所述异质外延层104的生长过程具体包括以下步骤：
S31：沿着基本垂直于所述基底100的外延生长面101方向成核并外延生长形成多个异质外延晶粒1042；
S32：所述多个异质外延晶粒1042沿着基本平行于所述基底100的外延生长面101方向外延生长形成一连续的异质外延薄膜1044；
S33：所述异质外延薄膜1044沿着基本垂直于所述基底100的外延生长面101方向外延生长形成一异质外延层104。
步骤S31中，所述多个异质外延晶粒1042在所述基底100的外延生长面101通过该石墨烯层102的开口105暴露的部分开始生长，且其生长方向基本垂直于所述基底100的外延生长面101，即该步骤中多个异质外延晶粒1042进行纵向外延生长。
步骤S32中，通过控制生长条件使所述多个异质外延晶粒1042沿着基本平行于所述基底100的外延生长面101的方向同质外延生长并连成一体将所述石墨烯层102覆盖。即，该步骤中所述多个异质外延晶粒1042进行侧向外延生长直接合拢，并最终形成多个孔洞103将石墨烯层102包围。所述孔洞103的形状与石墨烯层102的图案有关。
步骤S33中，由于所述石墨烯层102的存在，使得异质外延晶粒1042与基底100之间的晶格位错在形成连续的异质外延薄膜1044的过程中停止生长。因此，该步骤的异质外延层104相当于在没有缺陷的异质外延薄膜1044表面进行同质外延生长。所述异质外延层104具有较少的缺陷。本发明第一实施例中，所述基底100为一蓝宝石(Al2O3)基片，所述石墨烯层102为一图案化的单层石墨烯。本实施采用MOCVD工艺进行外延生长。其中，采用高纯氨气(NH3)作为氮的源气，采用氢气(H2)作载气，采用三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)作为Ga源、In源和Al源。具体包括以下步骤。首先，将蓝宝石基底100置入反应室，加热到1100℃～1200℃，并通入H2、N2或其混合气体作为载气，高温烘烤200秒～1000秒。其次，继续同入载气，并降温到500℃～650℃，通入三甲基镓或三乙基镓以及氨气，生长GaN低温缓冲层，其厚度10纳米～50纳米。然后，停止通入三甲基镓或三乙基镓，继续通入氨气和载气，同时将温度升高到1100℃～1200℃，并恒温保持30秒～300秒，进行退火。最后，将基底100的温度保持在1000℃～1100℃，继续通入氨气和载气，同时重新通入三甲基镓或三乙基镓，在高温下完成GaN的侧向外延生长过程，并生长出高质量的GaN外延层。
请参阅图10与图11，为本发明第一实施例制备获得的一种异质外延结构10，其包括：一基底100，一石墨烯层102以及一异质外延层104。所述基底100具有一外延生长面101。所述石墨烯层102设置于所述基底100的外延生长面101，该石墨烯层102具有多个开口105，所述基底100的外延生长面101对应所述石墨烯层102的开口105的部分暴露。所述异质外延层104设置于所述基底100的外延生长面101，并覆盖所述石墨烯层102。所述石墨烯层102设置于所述异质外延层104与基底100之间。
所述异质外延层104将所述石墨烯层102覆盖，并渗透所述石墨烯层102的多个开口105与所述基底100的外延生长面101接触，即所述石墨烯层102的多个开口105中均渗透有所述异质外延层104。所述异质外延层104与基底100接触的表面形成多个孔洞103，所述石墨烯层102设置于该孔洞103内。所述孔洞103形成在异质外延层104与所述基底100接触的表面，在所述异质外延层104的厚度方向该孔洞103均为盲孔。本实施例中，所述石墨烯层102为一图案化的单层石墨烯。
请参阅图12和图13，为本发明第二实施例制备获得的一种异质外延结构20，其包括：一基底200，一石墨烯层202以及一异质外延层204。本发明第二实施例中的异质外延结构20的基底200和异质外延层204的材料，以及基底200、石墨烯层202与异质外延层204的位置关系与第一实施例的异质外延结构10基本相同，其区别在于，本发明第二实施例的石墨烯层202为一图案化的单层石墨烯。
本发明第二实施例中，异质外延结构20的制备方法与本发明第一实施例的异质外延结构10的制备方法基本相同，其区别在于，本发明第二实施例中采用单层石墨烯制备石墨烯层202，其制备方法包括以下步骤。
首先，制备一单层石墨烯。
本实施例中，采用CVD法制备石墨烯薄膜，具体包括以下步骤：(a1)提供一衬底；(b1)在衬底上沉积金属催化剂层；(c1)对金属催化剂层进行退火处理；以及(d1)在碳源气氛中生长石墨烯薄膜。
所述步骤(a1)中，所述衬底为铜箔或Si/SiO2。本实施例中，所述衬底为Si/SiO2。所述Si层的厚度为300微米～1000微米，所述SiO2层的厚度为100纳米～500纳米。优选地，所述Si层的厚度为600微米，所述SiO2层的厚度为300纳米。所述步骤(b1)中，所述金属催化剂层的材料包括镍、铁、金等，所述金属催化剂层的厚度为100纳米～800纳米。所述金属催化剂层可以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、磁控溅射或电子束蒸镀等方法制备。本实施例中，采用电子束蒸镀法在SiO2层表面沉积一厚度为500纳米的金属镍。所述步骤(c1)中，所述退火温度为900℃～1000℃；所述退火的气氛为氩气和氢气混合气体，其中氩气的流量为600sccm，氢气的流量为500sccm；所述退火时间为10分钟～20分钟。所述步骤(d1)中，所述生长温度为900℃～1000℃；所述碳源气为甲烷；所述生长时间为5分钟～10分钟。
其次，将该单层石墨烯转移至基底100的外延生长面101。
本实施例中，具体包括以下步骤：(a2)在石墨烯薄膜表面涂覆有机胶体或聚合物作为支撑体；(b2)对涂覆有机胶体或聚合物的石墨烯薄膜烘烤坚膜；(c2)将坚膜后的石墨烯薄膜以及Si/SiO2衬底一起浸泡在去离子水中使金属催化剂层和SiO2层分离；(d2)将分离后的支撑体/石墨烯薄膜/金属催化剂层复合结构去除金属催化剂层；(e2)将支撑体/石墨烯薄膜复合结构设置在外延生长面101，并加热使石墨烯薄膜与外延生长面101牢固结合；以及(f2)去除支撑体。
所述步骤(a2)中，所述支撑体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷、光刻正胶9912、光刻胶AZ5206中的一种或多种。所述步骤(b2)中，所述烘烤的温度为100℃～185℃。所述步骤(c2)中，浸泡在去离子水中之后，对所述金属催化剂层和SiO2层进行超声处理。所述步骤(d2)中，通过化学液腐蚀去除金属催化剂层，该化学液可以为硝酸、盐酸、氯化铁(FeCl3)、硝酸铁(Fe(NO3)3)等。所述步骤(f2)中，去除支撑体的方法为先用丙酮和乙醇浸泡，然后在保护气体中加热到约400℃。
最后，将该单层石墨烯图案化。
所述将该单层石墨烯图案化方法包括光催化二氧化钛切割法、离子束刻蚀法、原子力显微镜刻蚀法、以及等离子体刻蚀法中的一种或多种。本实施例中，先将一阳极氧化铝模板(AnodicAluminumOxideTemplate)设置于该单层石墨烯表面，然后通过等离子体刻蚀法将该单层石墨烯图案化。其中，所述阳极氧化铝模板具有多个成阵列排布的微孔，与阳极氧化铝模板微孔对应处的石墨烯薄膜被等离子体刻蚀去除，从而得到的石墨烯层102为一具有多个微孔的连续石墨烯薄膜。
请参阅图14，为本发明第三实施例制备获得的一种异质外延结构30，其包括：一基底300，一石墨烯层302以及一异质外延层304。本发明第三实施例中的异质外延结构30的基底300和异质外延层304的材料，以及基底300、石墨烯层302与异质外延层304的位置关系与第一实施例的异质外延结构10基本相同，其区别在于，本发明第三实施例的石墨烯层302为分散的石墨烯粉末。
本发明第三实施例中，异质外延结构30的制备方法与本发明第一实施例的异质外延结构10的制备方法基本相同，其区别在于，直接将石墨烯粉末分散在基底300的外延生长面。
本发明第四实施例提供一种同质外延结构，其包括：一基底，一石墨烯层以及一外延层。本发明第四实施例中的石墨烯层、基底以及外延层的材料及位置关系与第一实施例基本相同，其区别在于，所述基底与外延层的材料相同，从而构成一同质外延结构。具体地，本实施例中，所述基底与外延层的材料均为GaN。
本发明第四实施例进一步提供一种同质外延结构的制备方法，其具体包括以下步骤：
S100：提供一基底，且该基底具有一支持同质外延层生长的外延生长面；
S200：在所述基底的外延生长面设置一石墨烯层，该基底与石墨烯层共同构成一衬底；以及
S300：在基底的外延生长面生长同质外延层。
本发明第四实施例的同质外延层的生长方法与第一实施例的异质外延层的生长方法基本相同，其区别在于，所述基底与外延层的材料相同，从而构成一同质外延结构。
本发明采用一石墨烯层作为掩模设置于所述基底外延生长面生长外延层具有以下有以效果：
第一，所述石墨烯层可直接铺设或转移在基底的外延生长面，相对于现有技术通过沉积后再光刻等工艺形成掩模，本发明工艺简单，成本低廉，有利于量产。
第二，所述石墨烯层为图案化结构，其厚度、开口尺寸均可达到纳米级，所述衬底用来生长外延层时形成的异质外延晶粒具有更小的尺寸，有利于减少位错缺陷的产生，以获得高质量的异质外延层。
第三，所述石墨烯层的开口尺寸为纳米级，所述外延层从与纳米级开口对应的暴露的外延生长面生长，使得生长的外延层与基底之间的接触面积减小，减小了生长过程中外延层与衬底之间的应力，从而可以生长厚度较大的异质外延层，可进一步提高异质外延层的质量。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (17)

1.一种外延结构的制备方法，其包括以下步骤：
提供一基底，该基底具有一支持外延层生长的外延生长面；
在所述基底的外延生长面设置一石墨烯层，所述石墨烯层为具有多个开口的连续的整体结构体，所述石墨烯层的厚度为一个碳原子厚度，所述开口的尺寸为10纳米～120微米，所述石墨烯层使所述外延生长面部分被覆盖且部分被暴露；以及
在基底的外延生长面被暴露的部分生长外延层。
2.如权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层仅包括石墨烯材料。
3.如权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层为一由石墨烯粉末或石墨烯薄膜构成。
4.如权利要求3所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述外延层从所述基底的外延生长面通过该开口暴露的部分生长。
5.如权利要求4所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层的占空比为1:4～4:1。
6.如权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层为分散的石墨烯粉末。
7.如权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层为一图案化的单层石墨烯，其制备方法包括以下步骤：
制备一单层石墨烯；
将该单层石墨烯转移至所述基底的外延生长面；以及
将该单层石墨烯图案化。
8.如权利要求7所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述单层石墨烯的制备方法为机械剥离法、静电沉积法、碳化硅热解法、以及外延生长法中的一种或多种。
9.如权利要求7所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述将该单层石墨烯图案化方法包括光催化二氧化钛切割法、离子束刻蚀法、原子力显微镜刻蚀法、以及等离子体刻蚀法中的一种或多种。
10.如权利要求9所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述将该单层石墨烯图案化的方法为光催化二氧化钛切割法，其具体包括以下步骤：
制备一图案化的金属钛层；
将该图案化的金属钛层加热氧化得到一图案化的二氧化钛层；
将该图案化的二氧化钛层与该单层石墨烯接触，并采用紫外光照射该图案化的二氧化钛层；以及
去除图案化的二氧化钛层。
11.如权利要求10所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备一图案化的金属钛层的方法为将金属钛直接沉积在一图案化的碳纳米管结构表面。
12.如权利要求11所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管结构为一从碳纳米管阵列中拉取获得的碳纳米管膜。
13.如权利要求11所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述将该图案化的金属钛层加热氧化的方法为给碳纳米管结构通入电流。
14.如权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述外延层的生长方法包括分子束外延法、化学束外延法、减压外延法、低温外延法、选择外延法、液相沉积外延法、金属有机气相外延法、超真空化学气相沉积法、氢化物气相外延法、以及金属有机化学气相沉积法中的一种或多种。
15.如权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述外延层为一半导体外延层、金属外延层或合金外延层。
16.如权利要求1所述的外延结构的制备方法，其特征在于，所述基底为一单晶结构体，且所述基底的材料为GaAs、GaN、Si、SOI、AlN、SiC、MgO、ZnO、LiGaO2、LiAlO2或Al2O3。
17.一种外延结构的制备方法，其包括以下步骤：
提供一基底，该基底具有一支持外延层生长的外延生长面；
在所述基底的外延生长面设置一图案化的石墨烯层，所述图案化的石墨烯层为具有多个开口的连续的整体结构体，所述石墨烯层的厚度为一个碳原子厚度，所述图案化的石墨烯层的多个开口使所述外延生长面被部分暴露，所述开口的尺寸为10纳米～120微米，所述图案化的石墨烯层的占空比为1:4～4:1；以及
在基底的外延生长面被暴露的部分生长外延层。
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