本發(fā)明屬于氮化鎵基薄膜和器件制造領(lǐng)域，特別涉及石墨烯改性圖形化金屬襯底上的氮化鎵基薄膜及制備方法，具體是以圖形化金屬為襯底，先使用磁控濺射方法在圖形化金屬襯底上制備催化金屬層，再使用電子回旋共振-等離子體增強(qiáng)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(electroncyclotronresonanceplasmaenhancedmetalorganicchemicalvapordeposition，ecr-pemocvd)方法，依次進(jìn)行氫等離子體清洗催化金屬層、制備石墨烯層、制備氮化鎵基緩沖層和制備氮化鎵基外延層。

背景技術(shù)：

氮化鎵基材料alxgayin1-x-yn(包括氮化鎵gan、氮化鋁aln、氮化銦inn及其固溶體)屬于第三代半導(dǎo)體材料，具有寬直接帶隙、高熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好且抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，且通過(guò)調(diào)節(jié)其固溶體的組分可獲得從0.7ev(inn)一直到6.2ev(aln)的連續(xù)可調(diào)直接帶隙，因而被稱之為全光譜材料，可廣泛用于制造高效率的藍(lán)綠光半導(dǎo)體發(fā)光二極管(led)、半導(dǎo)體激光器(ld)、高效率太陽(yáng)能電池、紫外探測(cè)器等光電器件以及高頻高功率的電子器件等。

與藍(lán)寶石、碳化硅、硅等異質(zhì)單晶襯底相比，非單晶的普通金屬襯底兼有大面積、廉價(jià)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和柔性等優(yōu)點(diǎn)。在金屬襯底上有利于直接制備垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的高亮度gan基led，能徹底解決絕緣藍(lán)寶石襯底上led的橫向電流擁擠問(wèn)題，大大提高led的功率和亮度，且降低高亮度led的工藝難度和制備成本。一些反光且柔性的金屬襯底還適于制備柔性高效率太陽(yáng)能電池、紫外探測(cè)器等。

目前已有一些采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(mocvd)、電子回旋共振-等離子體增強(qiáng)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(ecr-pemocvd)、分子束外延(mbe)和脈沖激光沉積(pld)等方法在單晶金屬襯底上制備alxgayin1-x-yn薄膜和器件的方法。但普通金屬襯底一般是非單晶結(jié)構(gòu)的，如何在普通金屬襯底上面制備出低位錯(cuò)密度、高晶體質(zhì)量的alxgayin1-x-yn薄膜是個(gè)很大的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種制備方法先進(jìn)，位錯(cuò)密度低、晶體質(zhì)量高的石墨烯改性圖形化金屬襯底上的氮化鎵基薄膜及制備方法，以克服已有技術(shù)的不足。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其目的的主導(dǎo)技術(shù)構(gòu)想是：

與采用平面金屬襯底相比，采用圖形化金屬襯底，可以通過(guò)調(diào)控ⅴ/ⅲ比等關(guān)鍵工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)alxgayin1-x-yn薄膜在圖形化金屬襯底上的橫向生長(zhǎng)，從而使alxgayin1-x-yn薄膜中的位錯(cuò)偏向金屬襯底圖形的斜面彎曲并消失，從而顯著降低alxgayin1-x-yn薄膜的位錯(cuò)密度和應(yīng)力，可獲得高晶體質(zhì)量的alxgayin1-x-yn薄膜。圖形化金屬襯底可采用濕法腐蝕、干法腐蝕、陽(yáng)極氧化、納米壓印等方法制備，例如，已有發(fā)明專利zl200810091611.6、zl201210223961.x、zl201310551957.0等報(bào)導(dǎo)采用濕法腐蝕、干法腐蝕、陽(yáng)極氧化、納米壓印等方法來(lái)制備圖形化金屬襯底。

另一方面，在橫向生長(zhǎng)alxgayin1-x-yn薄膜之前，預(yù)先采用磁控濺射設(shè)備和方法在圖形化金屬襯底上沉積上ni，cu，ag，pt，au等催化金屬層后，可以在催化金屬層上制備出高質(zhì)量大尺寸的石墨烯層。石墨烯是單層的二維單原子層石墨(厚度為0.335nm)，從廣義上來(lái)說(shuō)，層數(shù)小于10層的石墨都可稱為石墨烯。采用石墨烯層作為中間層材料，有利于提高后續(xù)alxgayin1-x-yn薄膜的晶體質(zhì)量，例如六方相gan的a軸晶格常數(shù)(0.3189nm)與石墨烯六角形晶格的對(duì)角線長(zhǎng)度(0.284nm)存在較好的晶格匹配關(guān)系，其晶格失配度約為12％，低于gan與藍(lán)寶石襯底的晶格失配度(16％)，且石墨烯的表面能低，與alxgayin1-x-yn薄膜之間的反應(yīng)弱，有利于降低alxgayin1-x-yn薄膜的成核密度，促進(jìn)alxgayin1-x-yn薄膜在石墨烯表面的外延橫向生長(zhǎng)。這都有利于進(jìn)一步降低alxgayin1-x-yn薄膜的位錯(cuò)密度和應(yīng)力，提高alxgayin1-x-yn薄膜的晶體質(zhì)量，有利于在非單晶的普通金屬襯底上橫向外延生長(zhǎng)出低位錯(cuò)密度、高晶體質(zhì)量的alxgayin1-x-yn薄膜。

石墨烯和金屬都具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，這有利于在金屬襯底上實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的大功率gan基器件。當(dāng)催化金屬層采用ag等反射率高的金屬層后，還可以制備出反射率很高的金屬襯底，有利于提高led的出光，或有利于提高太陽(yáng)能電池、紫外探測(cè)器對(duì)入射光的利用。由于金屬襯底就是背電極，與藍(lán)寶石等絕緣襯底上的橫向結(jié)構(gòu)器件相比，還可以節(jié)省正面電極面積，提高光電器件的效率。

在金屬襯底上制備催化金屬層的諸多方法當(dāng)中，磁控濺射方法具有膜層致密，大面積均勻，厚度可控，重復(fù)性好，膜層與金屬襯底結(jié)合力好的優(yōu)點(diǎn)。而在制備石墨烯和alxgayin1-x-yn薄膜的諸多方法中，電子回旋共振-等離子體增強(qiáng)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(ecr-pemocvd)方法可以提供反應(yīng)所需的多種高活性等離子體源，而不需要依靠高溫裂解氣體來(lái)提供反應(yīng)粒子，因而可以使石墨烯和alxgayin1-x-yn薄膜的制備溫度分別低于950℃和800℃以下，低溫制備工藝有利于降低金屬襯底與后續(xù)各膜層之間因熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的熱失配應(yīng)力，也有利于抑制金屬襯底及石墨烯層中的各種雜質(zhì)向后續(xù)alxgayin1-x-yn薄膜中的擴(kuò)散，有利于提高alxgayin1-x-yn薄膜的晶體質(zhì)量。

在采用ecr-pemocvd設(shè)備和方法制備石墨烯和alxgayin1-x-yn薄膜時(shí)，直接參與微波放電的主要有氮?dú)?、氨氣、氫氣、甲烷、氬氣及其兩種或兩種以上的混合氣體，可提供高密度的氮等離子體源、氫等離子體源以及碳等離子體源等。金屬有機(jī)物源可使用三甲基鋁tmal、三甲基鎵tmga、三甲基銦tmin等，以分別提供鋁源、鎵源和銦源。通過(guò)上述各反應(yīng)氣體流量的調(diào)控可以方便地制備所需厚度的石墨烯層和不同組分含量的alxgayin1-x-yn薄膜。

基于上述主導(dǎo)技術(shù)構(gòu)想，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其目的的技術(shù)方案是：

石墨烯改性圖形化金屬襯底上的氮化鎵基薄膜，采用圖形化金屬作為襯底，在圖形化金屬襯底的一側(cè)表面上，從內(nèi)到外依次有催化金屬層，石墨烯層，alxgayin1-x-yn緩沖層，alxgayin1-x-yn外延層。

由以上所給出的第一技術(shù)方案可以明了，本發(fā)明所述的石墨烯改性圖形化金屬襯底上的氮化鎵基薄膜，是由圖形化金屬襯底以及依次沉積鍍覆在金屬襯底一側(cè)表面上的催化金屬層，石墨層和兩層alxgayin1-x-yn層所構(gòu)成。從而在廉價(jià)的非單晶普通金屬襯底上制備出低位錯(cuò)密度、高晶體質(zhì)量的alxgayin1-x-yn薄膜，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的初衷。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明還主張，所述圖形化金屬襯底的一側(cè)表面上具有周期化圖形，該周期化圖形是凸起或凹陷圖形，且為圓錐形、圓柱形、半球形、三角錐形、球冠、三棱臺(tái)形、梯形圓臺(tái)以及多邊錐形、多邊柱形或梯形多邊臺(tái)形中的任意一種或任意兩種以上的組合，周期化圖形的周期為0.5～10μm，周期化圖形的最大橫向直徑或邊長(zhǎng)為0.5～10μm，周期化圖形高度為0.1～2μm。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明還主張，所述圖形化金屬襯底是一層金屬襯底或多層金屬板/箔的復(fù)合金屬襯底，圖形化金屬襯底的厚度為0.01～3mm；所述催化金屬層的厚度為50～300nm；所述石墨烯層的厚度為0.335～3.35mm；所述alxgayin1-x-yn緩沖層的厚度為10～200nm，alxgayin1-x-yn緩沖層的組分值控制為：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1；所述alxgayin1-x-yn外延層的厚度為0.5～3μm，alxgayin1-x-yn外延層的組分值控制為：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1。但不局限于此。所述圖形化金屬襯底的厚度，應(yīng)視所應(yīng)用的gan基器件實(shí)際使用需要而定。例如：應(yīng)用于大功率gan基器件的圖形化金屬襯底，就可能要厚一點(diǎn)；而應(yīng)用于低功率或柔性gan基器件的圖形化金屬襯底，就可能要薄一點(diǎn)。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明還主張，所述圖形化金屬襯底是ti，cr，mn，fe，co，ni，cu，zr，mo，hf，ta，w中的一種及以所述一種金屬元素為主要成分的合金。特別是熱膨脹系數(shù)與alxgayin1-x-yn薄膜相近甚至匹配的導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的圖形化金屬襯底具有更好的效果。但不局限于此。出于性價(jià)比考慮，特別主張采用ti，cr，zr，mo，mo0.85cu0.15和w0.80cu0.20圖形化金屬襯底。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明還主張，所述催化金屬層是fe，co，ni，cu，mo，ru，rh，pd，ag，ir，pt，au中的一種及以所述一種金屬元素為主要成分的合金。但不局限于此。出于兼顧反射率、石墨烯質(zhì)量和制備成本的考慮，特別主張采用ag及以ag為主要成分的ag-cu，ag-ni，ag-au合金作為催化金屬層。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其第二目的的技術(shù)方案是：

石墨烯改性圖形化金屬襯底上的氮化鎵基薄膜制備方法，依次包括以下順序步驟：a.磁控濺射方法制備催化金屬層；b.氫等離子體清洗催化金屬層；c.ecr-pemocvd方法制備石墨烯層；d.氮等離子體氮化石墨烯層；e.ecr-pemocvd方法制備alxgayin1-x-yn緩沖層；f.ecr-pemocvd方法制備alxgayin1-x-yn外延層。

所述的a.磁控濺射方法制備催化金屬層的具體步驟和工藝策略為：所有的靶材均為純金屬靶材，其中fe靶、co靶、ni靶采用強(qiáng)磁磁控靶，將經(jīng)化學(xué)物理法清洗并干燥預(yù)處理的圖形化金屬襯底，布置在磁控濺射設(shè)備鍍膜室內(nèi)的料臺(tái)上，當(dāng)磁控濺射設(shè)備鍍膜室的本底氣壓被抽至1×10^-4～5×10^-4pa，把料臺(tái)加熱至100℃～500℃，當(dāng)料臺(tái)溫度穩(wěn)定后，向磁控濺射鍍膜室中通入氬氣，氬氣流量為40～200sccm，使鍍膜室氣壓控制為0.1～5pa，當(dāng)鍍膜室氣壓穩(wěn)定后，把所需金屬靶材的射頻濺射電源的功率均設(shè)定為30～200w，并開(kāi)啟所需的射頻濺射電源，開(kāi)始在圖形化金屬襯底表面上濺射沉積催化金層，濺射時(shí)間為1～40min，使催化金屬層的厚度控制為20～500nm。

當(dāng)圖形化金屬襯底上濺射沉積催化金屬層的時(shí)間完成后，關(guān)閉射頻濺射電源，關(guān)閉氬氣氣源，把料臺(tái)溫度設(shè)定為30℃開(kāi)始降溫，降溫過(guò)程中繼續(xù)維持抽真空設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)料臺(tái)溫度降低到30℃后，關(guān)閉抽真空設(shè)備，向磁控濺射設(shè)備中充入高純氮?dú)庵烈粋€(gè)大氣壓時(shí)，取出已濺射沉積上催化金屬層的圖形化金屬襯底，并把它盡快放入ecr-pemocvd設(shè)備上的充滿高純氮?dú)獾氖痔紫渲写谩?/p>

后續(xù)的所有操作步驟和工藝均在ecr-pemocvd設(shè)備上完成。

所述的b.氫等離子體清洗催化金屬層的具體步驟和工藝策略為：把濺射沉積上催化金屬層的圖形化金屬襯底從ecr-pemocvd設(shè)備的手套箱傳送至裝樣室，再?gòu)难b樣室傳送至真空反應(yīng)室內(nèi)的料臺(tái)上，當(dāng)真空反應(yīng)室的本底氣壓抽至5×10^-4～1×10^-5pa后，把料臺(tái)溫度加熱至400～950℃，當(dāng)料臺(tái)溫度穩(wěn)定后，通過(guò)放電氣體供氣管路向石英杯放電室中通入氫氣，氫氣流量為50～200sccm，使真空反應(yīng)室的氣壓控制為0.1～5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為300～1000w，開(kāi)啟微波電源放電，開(kāi)始使用氫等離子體清洗催化金屬層，清洗時(shí)間為1～40min。

所述的c.ecr-pemocvd方法制備石墨烯層的具體步驟和工藝策略為：把料臺(tái)溫度加熱至400～950℃，當(dāng)料臺(tái)溫度穩(wěn)定后，通過(guò)放電氣體供氣管路向石英杯放電室中通入甲烷、氫氣、氬氣的混合氣體，其中甲烷流量為40～100sccm，氫氣流量為20～100sccm，氬氣流量0～100sccm，使真空反應(yīng)室的氣壓控制為0.1～5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為300～1000w，開(kāi)啟微波電源放電，開(kāi)始使用ecr-pemocvd方法在催化金屬層上制備石墨烯層，制備時(shí)間為1～60min，制備時(shí)間結(jié)束后，關(guān)閉微波電源和各路氣體，然后把料臺(tái)溫度設(shè)定為室溫～400℃，開(kāi)始降溫，降溫過(guò)程中在催化金屬層表面上偏析出石墨烯層，使石墨烯層的厚度控制為0.335～3.35nm。

所述的d.氮等離子體氮化石墨烯層的具體步驟和工藝策略為：把料臺(tái)溫度加熱至室溫～400℃，當(dāng)料臺(tái)溫度穩(wěn)定后，通過(guò)放電氣體供氣管路向石英杯放電室中通入氮?dú)狻睔獾幕旌蠚怏w，其中氮?dú)饬髁繛?～150sccm，氨氣流量為0～150sccm，使真空反應(yīng)室的氣壓控制為0.1～5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為300～1000w，開(kāi)啟微波電源放電，開(kāi)始使用含氮活性粒子的等離子體對(duì)石墨烯層進(jìn)行氮化處理，氮化時(shí)間為1～10min。

所述的e.ecr-pemocvd方法制備alxgayin1-x-yn緩沖層的具體步驟和工藝策略為：把料臺(tái)溫度加熱至室溫～400℃，當(dāng)料臺(tái)溫度穩(wěn)定后，通過(guò)放電氣體供氣管路向石英杯放電室中通入氮?dú)?、氨氣、氫氣的混合氣體，其中氮?dú)饬髁繛?～150sccm，氨氣流量為0～150sccm，氫氣流量0～50sccm，使真空反應(yīng)室的氣壓控制為0.1～5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為300～1000w，開(kāi)啟微波電源放電，當(dāng)微波放電穩(wěn)定后，再通過(guò)氣相金屬有機(jī)物供氣管路向真空反應(yīng)室中通入所需的各金屬有機(jī)物源，開(kāi)始使用ecr-pemocvd方法在氮化后的石墨烯層上制備alxgayin1-x-yn緩沖層，其中三甲基鋁tmal的摩爾流量為0～1×10^-5mol/min，三甲基鎵tmga的摩爾流量為0～1×10^-5mol/min，三甲基銦tmin的摩爾流量為0～1×10^-5mol/min，使alxgayin1-x-yn緩沖層的組分值控制為：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使alxgayin1-x-yn緩沖層的厚度控制為20～300nm。

所述的f.ecr-pemocvd方法制備alxgayin1-x-yn外延層的具體步驟和工藝策略為：當(dāng)料臺(tái)溫度達(dá)到300～800℃后，開(kāi)始使用ecr-pemocvd方法在alxgayin1-x-yn緩沖層上制備alxgayin1-x-yn外延層，其微波放電過(guò)程同步驟d，使alxgayin1-x-yn外延層的組分值控制為：0≤x≤1、0≤y≤1、0≤1-x-y≤1，使alxgayin1-x-yn外延層的厚度控制為0.5～3μm。

生長(zhǎng)完alxgayin1-x-yn外延層后，關(guān)斷各金屬有機(jī)物源，把溫度設(shè)定為30℃開(kāi)始降溫，降溫過(guò)程中維持步驟e的其它制備工藝不變，當(dāng)溫度降低到300℃后，終止微波放電，并有序關(guān)閉ecr-pemocvd設(shè)備。

所有的氣體流量均由氣體質(zhì)量流量控制器控制。

本發(fā)明的有益效果是：使用磁控濺射方法可在圖形化金屬襯底表面上制備出薄膜致密、大面積均勻、厚度可控、重復(fù)性好、與圖形化金屬襯底結(jié)合力好的催化金屬層。由于催化金屬中的溶碳量都低，所以在催化金屬層上能制備出高質(zhì)量的單層或多層石墨烯薄膜。石墨烯的表面能低，與alxgayin1-x-yn之間的反應(yīng)弱，有利于降低alxgayin1-x-yn緩沖層的成核密度，促進(jìn)alxgayin1-x-yn緩沖層和外延層在石墨烯表面的外延橫向生長(zhǎng)，而采用圖形化金屬襯底，能更加促進(jìn)alxgayin1-x-yn緩沖層和外延層的橫向生長(zhǎng)，有利于大大降低alxgayin1-x-yn外延層的位錯(cuò)密度和應(yīng)力，提高alxgayin1-x-yn外延層的晶體質(zhì)量，從而在非單晶的普通金屬襯底上橫向外延生長(zhǎng)出低位錯(cuò)密度、低翹曲、高晶體質(zhì)量的alxgayin1-x-yn外延層。

本發(fā)明所使用的ecr-pemocvd設(shè)備和方法，可使alxgayin1-x-yn緩沖層和外延層的沉積溫度降低到800℃以下，而使用800℃以下的低溫制備工藝，可抑制圖形化金屬襯底、催化金屬層和石墨烯層中的雜質(zhì)向alxgayin1-x-yn外延層中的擴(kuò)散，提高alxgayin1-x-yn薄膜的晶體質(zhì)量，還可降低alxgayin1-x-yn外延層與石墨烯、催化金屬層、圖形化金屬襯底之間的熱失配應(yīng)力；另外，低溫制備工藝還可抑制氮和銦的揮發(fā)，能獲得氮空位缺陷少的高銦組分alxgayin1-x-yn外延層。

本發(fā)明的石墨烯改性圖形化金屬襯底上的氮化鎵基薄膜可直接作為gan基器件的模板襯底等使用，特別適于制備垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的大功率gan基器件以及柔性反光金屬襯底上的gan基高效率太陽(yáng)能電池、紫外探測(cè)器等等，具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述石墨烯改性圖形化金屬襯底上的氮化鎵基薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述制備方法的工藝流程圖。

圖3是本發(fā)明所使用的ecr-pemocvd設(shè)備(發(fā)明專利：zl201210247144.8)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1金屬襯底；2催化金屬層；3石墨烯層；4alxgayin1-x-yn緩沖層；

5alxgayin1-x-yn外延層；

8氫氣、甲烷、氬氣、氮?dú)?、氨氣及其混合氣體共用的放電氣體供氣管路；

9真空度計(jì)量器；15真空反應(yīng)室；16可調(diào)長(zhǎng)度的微波耦合天線；17圓筒形諧振腔；

18諧振腔內(nèi)的活塞短路器；19永磁鐵環(huán)；20石英杯；21氣相金屬有機(jī)物供氣管路；

21-1氣相金屬有機(jī)物供應(yīng)環(huán)；22磁場(chǎng)線圈支撐圓筒；23電加熱器；24料臺(tái)；

25磁動(dòng)/氣動(dòng)送料裝置。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例之一，如附圖1，2，3所示。

襯底選用圖形化ti襯底1，圖形化ti襯底1上的周期化圖形是在1mm厚ti板的一側(cè)表面上使用光刻和等離子體干法腐蝕方法制備出來(lái)的，周期化圖形由六方點(diǎn)陣排列的凸起圓柱體構(gòu)成，每個(gè)圓柱體的直徑為2μm、圓柱體的高度為0.5μm，最相鄰圓柱體之間的軸間距為4μm。

一種使用磁控濺射設(shè)備和ecr-pemocvd設(shè)備(發(fā)明專利：zl201210247144.8)，在上述圖形化ti襯底1上低溫制備如附圖1所示的al0.40ga0.50in0.10n薄膜的連續(xù)工藝步驟為：

a.磁控濺射方法制備ag-cu催化金屬層2：靶材使用純ag靶和純cu靶，首先將圖形化ti襯底1，按甲苯、丙酮、乙醇和去離子水的順序各超聲清洗3次，每次5min，再經(jīng)高純氮?dú)獯蹈珊蟛贾迷诖趴貫R射設(shè)備鍍膜室內(nèi)的料臺(tái)上，當(dāng)磁控濺射設(shè)備鍍膜室的本底氣壓被抽至2×10^-4pa，把料臺(tái)溫度設(shè)定為400℃，開(kāi)始對(duì)料臺(tái)上的圖形化ti襯底1進(jìn)行加熱，當(dāng)料臺(tái)溫度穩(wěn)定在400℃后，向磁控濺射鍍膜室中通入氬氣，氬氣流量為120sccm，使鍍膜室氣壓控制為2pa，當(dāng)鍍膜室氣壓穩(wěn)定后，把a(bǔ)g靶和cu靶的射頻濺射電源的功率分別設(shè)定為40w和30w，同時(shí)開(kāi)啟ag靶和cu靶的射頻濺射電源，開(kāi)始在圖形化ti襯底1表面上濺射沉積ag-cu催化金屬層2，濺射時(shí)間為3min，使ag-cu催化金屬層2的厚度控制為120nm，使ag-cu催化金屬層2中的ag摩爾含量控制為0.60。

當(dāng)圖形化ti襯底1上濺射沉積ag-cu合金催化金屬層2的時(shí)間完成后，關(guān)閉ag靶和cu靶的射頻濺射電源，關(guān)閉氬氣氣源，把料臺(tái)溫度設(shè)定為30℃開(kāi)始降溫，降溫過(guò)程中繼續(xù)維持抽真空設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)料臺(tái)溫度降低到30℃后，關(guān)閉抽真空設(shè)備，向磁控濺射設(shè)備中充入高純氮?dú)庵烈粋€(gè)大氣壓時(shí)，取出濺射沉積上ag-cu催化金屬層2的圖形化ti襯底1，并把它盡快放入ecr-pemocvd設(shè)備上的充滿高純氮?dú)獾氖痔紫渲写谩?/p>

后續(xù)的所有操作步驟和工藝均在ecr-pemocvd設(shè)備上完成。

b.氫等離子體清洗ag-cu金屬層2：把濺射沉積上ag-cu催化金屬層2的圖形化ti襯底1從ecr-pemocvd設(shè)備的手套箱傳送至裝樣室，再?gòu)难b樣室傳送真空反應(yīng)室15內(nèi)的料臺(tái)24上，當(dāng)真空反應(yīng)室15的本底氣壓抽至1×10^-4pa后，把料臺(tái)24的溫度設(shè)定為750℃，開(kāi)始加熱升溫，當(dāng)料臺(tái)24的溫度穩(wěn)定在750℃后，通過(guò)放電氣體供氣管路8向石英杯20放電室中通入氫氣，氫氣流量為100sccm，使真空反應(yīng)室15的氣壓控制為0.5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室15的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為650w，開(kāi)啟微波電源放電，開(kāi)始使用氫等離子體清洗ag-cu催化金屬層2，清洗時(shí)間為10min。

c.ecr-pemocvd方法制備石墨烯層3：當(dāng)氫等離子體清洗ag-cu催化金屬層2的時(shí)間結(jié)束時(shí)，把料臺(tái)24的溫度繼續(xù)穩(wěn)定在750℃，維持微波電源功率為650w繼續(xù)放電，通過(guò)放電氣體供氣管路8向石英杯20放電室中再通入甲烷和氬氣，其中甲烷流量為50sccm，氬氣流量為20sccm，在開(kāi)啟甲烷和氬氣的質(zhì)量流量控制器之后，迅速把氫氣流量下調(diào)至30sccm，使真空反應(yīng)室15的氣壓仍控制為0.5pa，開(kāi)始使用ecr-pemocvd方法在ag-cu催化金屬層2上制備石墨烯層3，制備時(shí)間為12min，制備時(shí)間結(jié)束后,關(guān)閉微波電源和各路氣體，然后把料臺(tái)24的溫度設(shè)定為350℃，開(kāi)始降溫，降溫過(guò)程中在ag催化金屬層2表面上偏析出石墨烯層3，使石墨烯層3的厚度控制為2.01nm。

d.氮等離子體氮化石墨烯層3：把料臺(tái)24的溫度加熱至350℃，當(dāng)料臺(tái)24的溫度穩(wěn)定在350℃后，通過(guò)放電氣體供氣管路8向石英杯20放電室中通入氮?dú)?、氨氣，其中氮?dú)饬髁繛?0sccm，氨氣流量為10sccm，使真空反應(yīng)室15的氣壓控制為0.5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室15的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為650w，開(kāi)啟微波電源放電，開(kāi)始使用含氮活性粒子的等離子體對(duì)石墨烯層3進(jìn)行氮化處理，氮化時(shí)間為3min。

e.ecr-pemocvd方法制備al0.40ga0.50in0.10n緩沖層4：在氮化時(shí)間結(jié)束后，仍維持步驟d中的料臺(tái)24溫度、各氣體流量、氣壓和微波電源功率不變，再通過(guò)氣相金屬有機(jī)物供氣管路21向真空反應(yīng)室15中同時(shí)通入三甲基鋁tmal、三甲基鎵tmga和三甲基銦tmin，開(kāi)始使用ecr-pemocvd方法在氮化后的石墨烯層3上制備al0.40ga0.50in0.10n緩沖層4，其中三甲基鋁tmal的摩爾流量為1.3×10^-6mol/min，三甲基鎵tmga的摩爾流量為3.2×10^-6mol/min，三甲基銦tmin的摩爾流量為4.6×10^-7mol/min，使alxgayin1-x-yn緩沖層4的組分值控制為：x＝0.4、y＝0.5、1-x-y＝0.10，使al0.40ga0.50in0.10n緩沖層4的厚度控制為20nm，完畢后關(guān)閉微波電源，關(guān)閉氮?dú)狻睔夂腿谆Xtmal、三甲基鎵tmga、三甲基銦tmin氣體。

f.ecr-pemocvd方法制備al0.40ga0.50in0.10n外延層5：把料臺(tái)24的溫度加熱至600℃，當(dāng)料臺(tái)24的溫度穩(wěn)定在600℃后，通過(guò)放電氣體供氣管路8向石英杯20放電室中通入氮?dú)?、氨氣，其中氮?dú)饬髁繛?0sccm，氨氣流量為10sccm，使真空反應(yīng)室15的氣壓控制為0.5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室15的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為650w，開(kāi)啟微波放電以產(chǎn)生等離子體，當(dāng)微波放電穩(wěn)定后，再通過(guò)氣相金屬有機(jī)物供氣管路21向真空反應(yīng)室15中同時(shí)通入三甲基鋁tmal、三甲基鎵tmga和三甲基銦tmin，開(kāi)始使用ecr-pemocvd方法在al0.40ga0.50in0.10n緩沖層4上制備al0.40ga0.50in0.10n外延層5，其中三甲基鋁tmal的摩爾流量為1.3×10^-6mol/min，三甲基鎵tmga的摩爾流量為3.2×10^-6mol/min，三甲基銦tmin的摩爾流量為4.6×10^-7mol/min，使alxgayin1-x-yn外延層5的組分值控制為：x＝0.4、y＝0.5、1-x-y＝0.10，使al0.40ga0.50in0.10n外延層5的厚度控制為3μm。

生長(zhǎng)完al0.40ga0.50in0.10n外延層5后，關(guān)斷三甲基鋁tmal、三甲基鎵tmga和三甲基銦tmin氣體，把料臺(tái)24的溫度設(shè)定為30℃開(kāi)始降溫，降溫過(guò)程中維持步驟e的其它制備工藝不變，當(dāng)溫度降低到300℃后，終止微波放電并有序關(guān)閉ecr-pemocvd設(shè)備。

使用上述步驟，是在鍍ag-cu催化金屬層的圖形化ti金屬襯底上依次制備出是在2.01nm厚的石墨烯層3、20nm厚的al0.40ga0.50in0.10n緩沖層4和3μm厚的al0.40ga0.50in0.10n外延層5。原子力顯微鏡afm測(cè)試結(jié)果顯示，al0.40ga0.50in0.10n外延層5的平均晶粒尺寸大于1.9μm，表面粗糙度低于2nm；x射線衍射測(cè)試結(jié)果顯示al0.40ga0.50in0.10n外延層5為單一c軸取向生長(zhǎng)，al0.40ga0.50in0.10n(002)晶面的高分辨x射線衍射的搖擺曲線半高寬小于310弧秒。

實(shí)施例之二，如附圖1，2，3所示。

襯底選用圖形化cr襯底1，圖形化cr襯底1上的周期化圖形是在2mm厚cr板的一側(cè)表面上使用光刻和等離子體干法腐蝕方法制備出來(lái)的，周期化圖形由六方點(diǎn)陣排列的凸起圓柱體構(gòu)成，每個(gè)圓柱體的直徑為2μm、圓柱體的高度為0.5μm，最相鄰圓柱體之間的軸間距為4μm。

一種使用磁控濺射設(shè)備和ecr-pemocvd設(shè)備(發(fā)明專利：zl201210247144.8)，在上述圖形化cr襯底1上低溫制備如附圖1所示的al0.40ga0.50in0.10n薄膜的連續(xù)工藝步驟為：

a.磁控濺射方法制備ag催化金屬層2：首先將圖形化cr襯底1,按甲苯、丙酮、乙醇和去離子水的順序各超聲清洗3次，每次5min，再經(jīng)高純氮?dú)獯蹈珊蟛贾迷诖趴貫R射設(shè)備鍍膜室內(nèi)的料臺(tái)上，當(dāng)磁控濺射設(shè)備鍍膜室的本底氣壓被抽至2×10^-4pa，把料臺(tái)溫度設(shè)定為300℃，開(kāi)始對(duì)料臺(tái)上的圖形化cr襯底1進(jìn)行加熱，當(dāng)料臺(tái)溫度穩(wěn)定在300℃后，向磁控濺射鍍膜室中通入氬氣，氬氣流量為120sccm，使鍍膜室氣壓控制為2pa，當(dāng)鍍膜室氣壓穩(wěn)定后，把a(bǔ)g靶的射頻濺射電源的功率設(shè)定為40w，開(kāi)啟ag靶的射頻濺射電源，開(kāi)始在圖形化cr襯底1表面上濺射沉積ag催化金屬層2，濺射時(shí)間為4min，使ag催化金屬層2的厚度控制為100nm。

當(dāng)圖形化cr襯底1上濺射沉積ag催化金屬層2的時(shí)間完成后，關(guān)閉ag靶的射頻濺射電源，關(guān)閉氬氣氣源，把料臺(tái)溫度設(shè)定為30℃開(kāi)始降溫，降溫過(guò)程中繼續(xù)維持抽真空設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)料臺(tái)溫度降低到30℃后，關(guān)閉抽真空設(shè)備,向磁控濺射設(shè)備中充入高純氮?dú)庵烈粋€(gè)大氣壓時(shí)，取出濺射沉積上ag催化金屬層2的圖形化cr襯底1，并把它盡快放入ecr-pemocvd設(shè)備上的充滿高純氮?dú)獾氖痔紫渲写谩?/p>

后續(xù)的所有操作步驟和工藝均在ecr-pemocvd設(shè)備上完成。

b.氫等離子體清洗ag催化金屬層2：把濺射沉積上ag催化金屬層2的圖形化cr襯底1從ecr-pemocvd設(shè)備的手套箱傳送至裝樣室，再?gòu)难b樣室傳送真空反應(yīng)室15內(nèi)的料臺(tái)24上，當(dāng)真空反應(yīng)室15的本底氣壓抽至1×10^-4pa后，把料臺(tái)24的溫度設(shè)定為700℃，開(kāi)始加熱升溫，當(dāng)料臺(tái)24的溫度穩(wěn)定在700℃后，通過(guò)放電氣體供氣管路8向石英杯20放電室中通入氫氣，氫氣流量為100sccm，使真空反應(yīng)室15的氣壓控制為0.5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室15的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為650w，開(kāi)啟微波電源放電，開(kāi)始使用氫等離子體清洗ag催化金屬層2，清洗時(shí)間為5min。

c.ecr-pemocvd方法制備石墨烯層3：當(dāng)氫等離子體清洗ag催化金屬層2的時(shí)間結(jié)束時(shí)，把料臺(tái)24的溫度繼續(xù)穩(wěn)定在700℃，維持微波電源功率為650w繼續(xù)放電，通過(guò)放電氣體供氣管路8向石英杯20放電室中再通入甲烷和氬氣，其中甲烷流量為50sccm，氬氣流量為20sccm，在開(kāi)啟甲烷和氬氣的質(zhì)量流量控制器之后，迅速把氫氣流量下調(diào)至30sccm，使真空反應(yīng)室15的氣壓仍控制為0.5pa，開(kāi)始使用ecr-pemocvd方法在ag催化金屬層2上制備石墨烯層3，制備時(shí)間為10min，制備時(shí)間結(jié)束后,關(guān)閉微波電源和各路氣體，然后把料臺(tái)24的溫度設(shè)定為300℃，開(kāi)始降溫，降溫過(guò)程中在ag催化金屬層2表面上偏析出石墨烯層3，使石墨烯層3的厚度控制為1.34nm。

d.氮等離子體氮化石墨烯層3：把料臺(tái)24的溫度加熱至300℃，當(dāng)料臺(tái)24的溫度穩(wěn)定在300℃后，通過(guò)放電氣體供氣管路8向石英杯20放電室中通入氮?dú)?、氨氣，其中氮?dú)饬髁繛?0sccm，氨氣流量為10sccm，使真空反應(yīng)室15的氣壓控制為0.5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室15的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為650w，開(kāi)啟微波電源放電，開(kāi)始使用含氮活性粒子的等離子體對(duì)石墨烯層3進(jìn)行氮化處理，氮化時(shí)間為3min。

e.ecr-pemocvd方法制備al0.40ga0.50in0.10n緩沖層4：在氮化時(shí)間結(jié)束后，仍維持步驟d中的料臺(tái)24溫度、各氣體流量、氣壓和微波電源功率不變，再通過(guò)氣相金屬有機(jī)物供氣管路21向真空反應(yīng)室15中同時(shí)通入三甲基鋁tmal、三甲基鎵tmga和三甲基銦tmin，開(kāi)始使用ecr-pemocvd方法在氮化后的石墨烯層3上制備al0.40ga0.50in0.10n緩沖層4，其中三甲基鋁tmal的摩爾流量為1.3×10^-6mol/min，三甲基鎵tmga的摩爾流量為3.2×10^-6mol/min，三甲基銦tmin的摩爾流量為4.6×10^-7mol/min，使alxgayin1-x-yn緩沖層4的組分值控制為：x＝0.4、y＝0.5、1-x-y＝0.10，使al0.40ga0.50in0.10n緩沖層4的厚度控制為20nm，完畢后關(guān)閉微波電源，關(guān)閉氮?dú)?、氨氣和三甲基鋁tmal、三甲基鎵tmga、三甲基銦tmin氣體。

f.ecr-pemocvd方法制備al0.40ga0.50in0.10n外延層5：把料臺(tái)24的溫度加熱至550℃，當(dāng)料臺(tái)24的溫度穩(wěn)定在550℃后，通過(guò)放電氣體供氣管路8向石英杯20放電室中通入氮?dú)?、氨氣，其中氮?dú)饬髁繛?0sccm，氨氣流量為10sccm，使真空反應(yīng)室15的氣壓控制為0.5pa，當(dāng)真空反應(yīng)室15的氣壓穩(wěn)定后，把微波電源功率設(shè)定為650w，開(kāi)啟微波放電以產(chǎn)生等離子體，當(dāng)微波放電穩(wěn)定后，再通過(guò)氣相金屬有機(jī)物供氣管路21向真空反應(yīng)室15中同時(shí)通入三甲基鋁tmal、三甲基鎵tmga和三甲基銦tmin，開(kāi)始使用ecr-pemocvd方法在al0.40ga0.50in0.10n緩沖層4上制備al0.40ga0.50in0.10n外延層5，其中三甲基鋁tmal的摩爾流量為1.3×10^-6mol/min，三甲基鎵tmga的摩爾流量為3.2×10^-6mol/min，三甲基銦tmin的摩爾流量為4.6×10^-7mol/min，使alxgayin1-x-yn外延層5的組分值控制為：x＝0.4、y＝0.5、1-x-y＝0.10，使al0.40ga0.50in0.10n外延層5的厚度控制為3μm。

生長(zhǎng)完al0.40ga0.50in0.10n外延層5后，關(guān)斷三甲基鋁tmal、三甲基鎵tmga和三甲基銦tmin氣體，把料臺(tái)24的溫度設(shè)定為30℃開(kāi)始降溫，降溫過(guò)程中維持步驟e的其它制備工藝不變，當(dāng)溫度降低到300℃后，終止微波放電并有序關(guān)閉ecr-pemocvd設(shè)備。

使用上述步驟，在鍍ag催化金屬層的圖形化cr金屬襯底上制備出了3μm厚的高質(zhì)量al0.40ga0.50in0.10n外延層。原子力顯微鏡afm測(cè)試結(jié)果顯示，al0.40ga0.50in0.10n外延層的平均晶粒尺寸大于1.8μm，表面粗糙度低于2nm；x射線衍射測(cè)試結(jié)果顯示al0.40ga0.50in0.10n外延層為單一c軸取向生長(zhǎng)，al0.40ga0.50in0.10n(002)晶面的高分辨x射線衍射的搖擺曲線半高寬小于320弧秒。實(shí)施例之三，如附圖1，2，3所示。

實(shí)施例之三中的步驟a-步驟c與實(shí)施例之一完全相同，區(qū)別在于步驟e和步驟f中三甲基鎵tmga的摩爾流量均為6.4×10^-6mol/min，而三甲基鋁tmal和三甲基銦tmin的摩爾流量均為0mol/min。

使用上述步驟，在鍍ag-cu催化金屬層的圖形化ti金屬襯底上制備出了3μm厚的高質(zhì)量gan外延層。原子力顯微鏡afm測(cè)試結(jié)果顯示，gan外延層的平均晶粒尺寸大于2.1μm，表面粗糙度低于2nm；x射線衍射測(cè)試結(jié)果顯示gan外延層為單一c軸取向生長(zhǎng)，gan(002)晶面的高分辨x射線衍射的搖擺曲線半高寬小于290弧秒。

實(shí)施例之四，如附圖1，2，3所示。

實(shí)施例之四中的步驟a-步驟c與實(shí)施例之二完全相同，區(qū)別在于步驟e和步驟f中三甲基銦tmin的摩爾流量均為4.6×10^-6mol/min，而三甲基鋁tmal和三甲基鎵tmga的摩爾流量均為0mol/min，且步驟f中的料臺(tái)24的加熱溫度為500℃。

使用上述步驟，在鍍ag催化金屬層的圖形化cr金屬襯底上制備出了3μm厚的高質(zhì)量inn外延層。原子力顯微鏡afm測(cè)試結(jié)果顯示，inn外延層的平均晶粒尺寸大于2.3μm，表面粗糙度低于2nm；x射線衍射測(cè)試結(jié)果顯示inn外延層為單一c軸取向生長(zhǎng)，inn(002)晶面的高分辨x射線衍射的搖擺曲線半高寬小于280弧秒。