[发明专利]一种高载流子浓度的石墨烯/金刚石复合结构制备方法

说明书

一种高载流子浓度的石墨烯/金刚石复合结构制备方法，属于宽禁带半导体材料技术领域。主要步骤为1)对单晶金刚石进行抛光酸洗；2)在单晶金刚石表面镀覆一层厚度为10‑50nm的镍、铜、铬或铜镍合金；3)采用直流喷射等离子体电弧炉对表面镀镍、铜、铬或铜镍合金单晶金刚石进行快速热处理；4)将快速热处理后的镀镍、铜、铬或铜镍合金单晶金刚石放置于稀酸中浸泡直至金属镍完全溶解，即得到所述石墨烯/金刚石复合结构。本发明采用直流喷射等离子体电弧炉替代普通管式炉，解决了现有技术中升温速率慢，所得石墨烯缺陷多，导电性差等技术问题。本发明中石墨烯/金刚石复合结构缺陷少，质量高，表面载流子浓度高，导电性好，有望满足高频高功率金刚石电子器件的应用。

技术领域

本发明涉及宽禁带半导体材料技术领域，尤其涉及一种高载流子浓度的石墨烯/金刚石复合结构制备方法。

背景技术

宽禁带半导体材料是指禁带宽度在2.3eV及以上的半导体材料，也称第三代半导体材料，常见的有碳化硅、氮化镓、金刚石等材料。目前，氢终端金刚石半导体材料因其表面特有的p型导电特性常用于高频高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的制备。氢终端金刚石是指金刚石材料表面含C-H键、C-N键等能使金刚石表面积累空穴从而产生导电行为的一类宽禁带半导体材料。引起氢终端金刚石表面空穴浓度增加的主要原因是一些吸附物，如空气中的NO,NO₂和SO₂等。因此，氢终端金刚石的导电性具有一定的局限性，其表面载流子浓度在10¹³cm^-2水平，霍尔迁移率在200cm²/Vs左右，方块电阻在kΩ级别。

石墨烯具有高透过率、高导电性、高机械强度等优异性能，使其在能源、新材料、微电子领域具有非常广阔的应用前景。金刚石与石墨烯同属碳材料家族。二者仅有2％的键合长度差异，具有良好的晶体结构匹配性。在金刚石上原位生长石墨烯，可避免石墨烯的转移过程，最大程度上保留石墨烯原有的高导电性。金刚石表面原位生长石墨烯的现有技术(专利CN 107190246A)通常是采用金刚石本身作为碳源，通过催化剂覆盖后，经快速高温热处理实现石墨烯的生长，然后将催化剂腐蚀去除，最终获得高质量石墨烯/金刚石复合结构。

但在上述石墨烯/金刚石复合结构的制备方法中，至少存在以下技术问题：首先对金刚石进行热处理时使用的设备通常为普通管式炉，升温速率与降温速率都相对较慢，容易生成石墨相。其次现有技术制得的石墨烯缺陷较多，从而容易导致所得复合结构的霍尔迁移率较低，导电性变差。

发明内容

本发明旨在提供一种高载流子浓度的石墨烯/金刚石复合结构制备方法，解决现有技术中升温速率慢，所得石墨烯缺陷多，导电性差等技术问题。为达上述目的，本发明采用如下技术方案：以镍、铜、铬或铜镍合金为催化剂，采用直流喷射等离子体电弧炉对单晶金刚石进行快速热处理，后用稀酸将镍、铜、铬或铜镍合金去除，成功在单晶金刚石表面制得石墨烯/金刚石复合结构。

具体包括以下步骤：

(1)对单晶金刚石进行抛光酸洗；

(2)在步骤(1)得到的单晶金刚石表面镀覆一层厚度为10-50nm的金属镍、铜、铬或铜镍合金；

(3)使用直流喷射等离子体电弧炉将步骤(2)中得到的表面镀有金属镍、铜、铬或铜镍合金的单晶金刚石在氩气和氢气混合等离子体气氛下进行快速热处理；

(4)将步骤(3)快速热处理后的镀金属镍、铜、铬或铜镍合金单晶金刚石放置于稀酸中浸泡直至镍、铜、铬或铜镍合金完全溶解，得到所述石墨烯/金刚石复合结构。

进一步地，所述步骤(1)中的单晶金刚石为高温高压单晶金刚石、化学气相沉积单晶金刚石中的一种。

进一步地，所述步骤(1)中的抛光过程为机械抛光，将金刚石表面的粗糙度值降到1nm以下。