[发明专利]基于微波等离子体化学气相沉积的石墨烯制备方法

说明书

本发明提供一种石墨烯制备方法，包括：对SiC衬底硅面进行氢刻蚀，形成原子台阶状表面；将氢刻蚀后的SiC衬底置于反应室中，通入惰性气体，在SiC衬底硅面上制备碳原子缓冲层；将形成有碳原子缓冲层的SiC衬底置于微波等离子体化学气相沉积炉腔中，通入含碳气体，以氢气作为载气，激发等离子体在碳原子缓冲层上生长石墨烯。该方法制备的石墨烯不需转移等后续处理即可直接做成器件，利于器件制备；等离子体的应用，降低反应温度及高温导致的热应力，使得石墨烯的制备更可控，有利于石墨烯器件应用，且有效缩短反应时间，加快反应速率；利用碳原子缓冲层作为中间层，避免热解法中缓冲层降低石墨烯迁移率的缺点，优化石墨烯质量。

技术领域

本发明涉及半导体薄膜材料技术领域，尤其涉及一种基于微波等离子体化学气相沉积的石墨烯制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层sp²碳原子组成的具有六角形蜂窝状晶格结构的新型二维材料，它有着卓越的电学、热学、力学性质，有望在超高速计算机芯片、光电器件、传感器、燃料电池等领域获得广泛应用，被人们认为是post-CMOS时代微电子技术取代硅的候选材料之一。为实现石墨烯的预期应用，高质量石墨烯晶圆的制备十分重要。

石墨烯常用的制备方法主要有两大类，一类是SiC热解法，另一类是CVD法。SiC热解法通过高温使SiC表面的硅原子释放，碳原子重构形成石墨烯，当衬底选择半绝缘SiC时，制备的石墨烯可直接用于器件制备。但是因生长机理的限制，SiC热解法得到的石墨烯均匀性不高，样品质量高度依赖于衬底的晶体质量。此外，硅原子释放的速率将随着石墨烯层数的增加而降低，因而热解法制备的石墨烯层数通常无法高于2-3层。CVD方法工艺较为简单、成本低廉，但通常需利用铜、镍、铂等金属作为衬底，为需将石墨烯应用于半导体器件领域，则石墨烯需置于不导电衬底上，因此，生长结束后需将石墨烯从金属衬底剥离，并进一步转移到绝缘衬底。这一过程容易对石墨烯造成损伤或污染，降低器件性能。为此，需要对石墨烯的制备方法需要进行进一步优化，以提高石墨烯质量。虽然现有技术中的内外碳源结合法在一定程度上避免了两种常见方法的问题，但是该方法生长过程中需要沉积金属并在生长结束后将金属刻蚀去除，工艺较为复杂。Michon及Strupinski等虽然利用热壁CVD法在SiC上直接制备了石墨烯，但是石墨烯的生长温度较高，较高的生长温度可能降低石墨烯质量，如引入应力及拓扑缺陷等。因此，有必要建立一种工艺上更简单可控的高质量石墨烯制备方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提出一种基于微波等离子体化学气相沉积的石墨烯制备方法，用于至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明提供一种基于微波等离子体化学气相沉积的石墨烯制备方法，包括：对SiC衬底硅面进行氢刻蚀，形成原子台阶状表面；将氢刻蚀后的SiC衬底置于反应室中，通入惰性气体，在SiC衬底硅面上制备碳原子缓冲层；将形成有碳原子缓冲层的SiC衬底置于微波等离子体化学气相沉积炉腔中，通入含碳气体，通入氢气作为载气，激发等离子体在碳原子缓冲层上生长石墨烯。

可选地，在SiC衬底硅面上制备碳原子缓冲层包括：将反应室的压力设置在600-800mbar，升温至1350-1450℃并保温10-60min，制备碳原子缓冲层，其中升温速率设置为10-200℃/min。

可选地，将石墨烯生长的温度设置为500～800℃，生长压力设置为10-50torr，生长时间设置为5-30min。

可选地，SiC衬底为SiC单晶或SiC多晶或SiC薄膜，SiC为2H、4H或6H六方结构晶型。

可选地，通入含碳气体中，含碳气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔、一氧化碳及二氧化碳中的至少一种。

可选地，通入的含碳气体与作为载气的氢气的摩尔比值为0.1～0.5。