[发明专利]一种激光辅助无损转移化学气相沉积石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，尤其涉及一种激光辅助无损转移化学气相沉积石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯材料是一种碳（C）基二维晶体，具有极佳的物理化学性质，尤其是它超高的载流子迁移率（理论估计超过200000cm2V-1s-1）和很高的电子饱和漂移速度，可以制成超高速低噪声电子器件，美国国防部先进计划预研局（DARPA）2007年提出的碳基电子研究计划项目预计2013年实现超过500GHz石墨烯场效应晶体管（FET），2010年，IBM公司成功研制出超过100GHz的石墨烯FET，大大激励了研究者的热情，因此，石墨烯成为目前国际科技界和产业界关注的焦点。

目前，石墨烯材料的制备方法很多，但是具备大面积高质量的圆片级制备特征的途径只有两种：一种是过渡族金属催化化学气相沉积（CVD），基于过渡族金属催化和碳-金属的固溶-析出-重构机制，可以突破衬底尺寸限制，制备大面积石墨烯材料；另一种是碳化硅（SiC）衬底高温热解，则是基于超高真空和高温下SiC分解-Si蒸发-C重构机制，可以得到平整的高质量石墨烯材料，但缺点是衬底和设备昂贵，兼容性和可控性差。对于已经进入应用研究阶段的石墨烯材料来说，制约其发展的关键问题是首先要制备出大面积高质量的圆片级材料，所以，国内外普遍采用CVD外延和衬底转移技术制备石墨烯。

作为大面积石墨烯材料制备的关键环节，无损衬底转移技术是关乎其最终电化学性质的核心技术。当前，国际上主流的石墨烯CVD外延制备，普遍采用金属-石墨烯的PMMA支撑-金属湿法腐蚀-石墨烯转移的工艺。对于自支撑的金属衬底（如铜箔、镍箔等）来说，一般腐蚀金属需要4~24小时的时间，如果仅作实验室研究和小批量器件研制是可以接受的，但其腐蚀速度随着面积的增加而减小，耗时过长，非常不利于大批量生产。另外，用于石墨烯生长的高质量金属箔需要专门购买，其产品参数受制于供应商提供的特定规格，要想改变衬底尺寸、晶向、几何形状等参数还需要额外的处理，不方便进行生长衬底的质量优化；而利用热蒸发、电子束蒸发等手段在晶体衬底淀积金属薄膜，可以在淀积过程中控制金属膜厚，减少不必要的浪费，有利于批量生产。而且通过选择六方晶体结构的三族氮化物衬底淀积薄层金属，还可以探究衬底结构对石墨烯生长质量的影响。但因非石墨烯接触面附着在其他衬底上，另外一面被石墨烯掩蔽，所以只有金属侧边与腐蚀液接触，有效接触面积极小，其腐蚀的时间大大增加，而且腐蚀效果明显变差，以至于造成石墨烯的电学性质退化。因而，针对三族氮化物衬底上淀积金属生长石墨烯必须开发一种新型的高效的衬底转移技术，提高大面积石墨烯的制备效率和质量。

发明内容

本发明提供了一种激光辅助无损转移化学气相沉积石墨烯的方法，旨在解决现有技术提供的三族氮化物衬底上淀积金属生长石墨烯的方法。未能实现衬底的高效转移，制备大面积石墨烯的效率较低，质量较差的问题。

本发明的目的在于提供一种激光辅助无损转移化学气相沉积石墨烯的方法，该方法在蓝宝石衬底上依次生长GaN和Cu薄层，进而在Cu薄层上CVD淀积石墨烯，同时通过改变GaN薄层的生长厚度和激光波长能量，利用激光剥离衬底，实现石墨烯高效转移。

进一步，该方法的具体实现步骤为：

步骤一，将c面蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积（MOCVD）反应室中，并向反应室通入镓源与氨气的混合气体，较低温度生长缓冲层，再在950-1050℃生长GaN薄层；

步骤二，向GaN衬底上电子束蒸发Cu薄膜0.5-1μm，气压保持在10^-6Torr；

步骤三，向金属有机物化学气相淀积（MOCVD）反应室通入H₂，对淀积的金属薄膜进行处理；

步骤四，向金属有机物化学气相淀积（MOCVD）反应室通入Ar和CH₄；

步骤五，利用钇铝石榴石激光器产生的激光透过蓝宝石衬底照射GaN薄层；

步骤六，激光从衬底边缘照射，边缘GaN薄层完全分解成液态Ga和氮气，进一步向中心移动照射，每个照射点停留1-3s，使铜薄膜与衬底分离；

步骤七，在0.05g/ml-0.15g/ml的 Fe(NO₄)₃水溶液中浸泡30-60min，使用合适的衬底打捞起来，在空气中加热60min，温度保持在150-200℃；

步骤八，放入丙酮中浸泡24小时彻底去除残留的PMMA，再用无水乙醇漂洗，吹干。