[发明专利]在大直径6H-SiC碳面上生长石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大直径6H-SiC碳面上生长石墨烯的方法，属于微电子材料技术领域。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有优异的电学、热学和力学性能，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用，在工业、电力行业及电子产业都有极大的应用前景。

石墨烯材料室温下热导率最高可达5000Wm^-1K^-1。室温下杨氏模量约1.0TPa，伸缩弹性达20％，是目前强度最高的材料，可以用来开发制造纸片般薄的超轻型飞机材料和超坚韧的防弹衣等。石墨烯除了异常牢固外，还是目前已知导电性能最出色的材料，这使它在微电子领域具有巨大的应用潜力。电子在石墨烯蜂巢状结构中传输几乎没有有效质量，正如Dirac方程描述的一样，载流子无静止质量；石墨烯中的电子波只在一层原子层间传播；即使是室温下在原子级粗糙衬底上，电子在传输过程中在亚微米尺寸范围也可以无散射传播；石墨烯还具有很高的电子运动速度，其典型传导速率为8x10⁵m/s，载流子迁移率可达200,000cm²V^-1s^-1，在典型的100nm通道晶体管中，载流子在源和漏之间传输只需要0.1ps，因此可应用于超高频器件，为提供一种扩展HEMT频率到THz成为可能。在石墨烯上，整流栅电极可以相隔几纳米放置，这样沟道更短而且传输更快。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。石墨烯优异的性能使其具有重大的理论研究价值和广阔的应用前景。

石墨烯的合成方法主要有：机械方法和化学分散法。

化学分散法是将氧化石墨与水以1mg/ml的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。

机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法：(1)微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。此法的缺点是尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。(2)取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“孤岛”布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。采用这种方法生产的石墨烯薄片厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。(3)加热SiC法是通过加热单晶SiC衬底脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。与其他方法相比，在SiC衬底表面上生长的石墨烯在很多方面具有更高的质量。这种材料非常的平，其主要形貌由下面的SiC衬底的台阶决定，目前台阶宽度可达近百微米。费米面非常靠近狄拉克点，是所有方法制备的石墨烯中最具有理想狄拉克电子性质的一种。SiC衬底上生长的石墨烯可以在整个晶片上利用传统的光刻和微纳米加工技术进行器件或电路的刻蚀，可直接利用已有的SiC生产工艺实现大规模生产，因而在微纳电子器件和大规模集成逻辑电路领域有着重要的应用前景，SiC上生长的石墨烯是目前为止最有希望取代晶体硅的材料。