[发明专利]一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的方法及装置

说明书

本发明提供了一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的方法及装置，该方法包括以下步骤：(1)将碳化硅衬底放入石墨板上，石墨板位于坩埚内，将所述坩埚置于加热炉内；(2)使用电子束将坩埚加热至2000℃以上，加热的时间为5～15min，使碳化硅衬底的表面平整化；(3)控制加热炉的温度为1300～1600℃，使碳化硅衬底表面形成石墨烯层。通过使用电子束加热坩埚，使坩埚的瞬时温度达到2000℃以上，坩埚向内部的碳化硅衬底传递热量，使得碳化硅衬底表面的杂质和部分硅源碳源升华，使其表面平整化，从而改善了石墨烯基层的形成质量，避免了氢气刻蚀带来的晶格缺陷和表面硅元素严重减少的问题，提高了石墨烯的生长质量。

技术领域

本发明涉及一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的方法及装置，属于新材料加工的技术领域。

背景技术

石墨烯是由碳原子紧密堆积成的一种碳质新材料，具有单层二维蜂窝状(只包括六角原胞)晶格结构，它的结构稳定性非常高，而且各碳原子之间的连接相当柔韧，当受到外力攻击时，就会歪曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身结构的稳定性。

石墨烯在纳电子器件方面，代替硅生产在超级计算机，光子传感器，基因电子测序，减少噪音，隧穿势垒材料，晶体管、触摸屏、基因测序等领域均有大规模的应用，应用范围广泛，并且表现出相当优异的性能。

现有技术中使用碳化硅衬底生产石墨烯的方法中，需使用氢气刻蚀，利用氢气在高温下对碳化硅的刻蚀效应对衬底表面进行平整化处理，使之形成具有原子级平整度的台阶阵列形貌表面，然后在一定温度和压力等条件下，碳化硅晶体升华，有较多数目的硅原子优先升华，留下较多的碳原子在衬底表面，这些碳原子会以最小化自由能的方式重构，从而形成石墨烯层；当有氢气存在时,在石墨烯的成核阶段中，一部分的成核点及石墨烯晶粒会被氢气所刻蚀，这在一定程度上降低了石墨烯的成核密度，有利于石墨烯的生长，但刻蚀也会破坏石墨烯晶粒的完整性，使得其性能受到影响。氢气刻蚀会带来晶格缺陷和表面硅富集严重削减，影响石墨烯的生长质量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的方法及装置，通过使用电子束加热坩埚，使坩埚的瞬时温度达到2000℃以上，坩埚向内部的碳化硅衬底传递热量，由于瞬时高温，碳化硅衬底表面的杂质和部分硅源碳源升华，使其表面平整化，从而改善了石墨烯基层的形成质量，避免了氢气刻蚀带来的晶格缺陷和表面硅元素严重减少的问题

本申请采用的技术方案如下：

根据本申请的一个方面，提供了一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的装置，该方法包括以下步骤：

(1)将碳化硅衬底放入石墨板上，所述石墨板位于坩埚内，将所述坩埚置于加热炉内；

(2)使用电子束将坩埚加热至2000℃以上，加热的时间为5～15min，使得碳化硅衬底的表面平整化；

(3)控制加热炉的温度为1300～1600℃，使得步骤(2)的碳化硅衬底表面形成石墨烯层。

进一步的，步骤(2)中，所述电子束的功率为20～50W、频率为40～100KHz、速度为0.1～5m/s，脉冲宽度为200～600ns。

优选的，步骤(2)中，所述电子束的功率为25～30W、频率为50～80KHz、速度为1～2m/s，脉冲宽度为300～400ns。

进一步的，所述碳化硅衬底表面的平整度为0.1～10nm；

优选的，步骤(2)中，所述碳化硅衬底表面的平整度为0.5～5nm。

进一步的，步骤(2)中，使用电子束加热坩埚时，控制坩埚转动；优选的，控制坩埚转动的速率为20～50r/h。