CN105951179A - 一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法 - Google Patents

一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105951179A
CN105951179A CN201610273844.2A CN201610273844A CN105951179A CN 105951179 A CN105951179 A CN 105951179A CN 201610273844 A CN201610273844 A CN 201610273844A CN 105951179 A CN105951179 A CN 105951179A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sic
sic substrate
graphene
sheet
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610273844.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105951179B (zh
Inventor
徐现刚
陈秀芳
张福生
赵显�
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University
Original Assignee
Shandong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University filed Critical Shandong University
Priority to CN201610273844.2A priority Critical patent/CN105951179B/zh
Publication of CN105951179A publication Critical patent/CN105951179A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105951179B publication Critical patent/CN105951179B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明涉及一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法。该方法包括：将SiC衬底平放在石墨坩埚内，C面朝下或者Si面朝下，再将一盖片叠盖在所述SiC衬底朝上的面上，所述盖片为Si原子供体或C原子吸收体；将加热炉腔室抽真空，以加热升温，通入高纯H2，对所述SiC衬底表面进行氢刻蚀，形成规则的SiC台阶结构；关闭H2，通Ar气，继续升高炉温至1500～1800℃，保温，完成石墨烯的生长。本发明方法生长的石墨烯质量、表面形貌有大幅度提高，可在逻辑电路、激光调Q和高频纳米射频器件等领域广泛应用。

Description

一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及一种基于SiC外延石墨烯的可选择性单面生长的方法，属于微电子材料技术领域。
背景技术
石墨烯是碳材料家族中的一颗璀璨明星。自2004年被Geim教授和Novoselov教授剥离制备出以来，已引领了十几年的研究热潮。石墨烯是由以sp2杂化碳原子网状连接而成单原子级的理想二维晶体，具有无与伦比的特性。石墨烯拥有超高的本征迁移率，约200000cm2/(v·s)，比典型硅场效应晶体管电子迁移率高出两个数量级；还有已知材料中最高热导率[约5000W/(m·K)]、巨大的比表面积(2630m2/g)、极大的杨氏模量(1.06TPa)和断裂应力(约130GPa)；另外其还有良好的透光性和柔韧性。这些优良的特性使得石墨烯在极高频和超高频电子器件、柔性显示电子器件、光学通讯、太阳能电池、逻辑集成电路和超级电容等领域具有巨大的应用前景。
目前制备的石墨烯仍然存在很多结构上的缺陷，实际应用测试值和理想值仍有很大差距。通常生长的石墨烯为单畴区构建而成的多晶薄膜结构，单个畴区的尺寸仅能达到厘米量级，且晶畴之间存在大量的畴界及层间堆垛结构。这些缺陷结构的存在，一方面在缺陷结构处会形成吸附效应，使得载流子浓度增加；另一方面在传输过程会引起载流子的散射增强效应，从而降低石墨烯的载流子输运性质。石墨烯的质量主要取决于制备方法及制备过程中的工艺控制。现行的可用于半导体器件的石墨烯的主要制备方法有：在催化效应的金属衬底或晶格适配的其他材料上的化学气相沉积(CVD)法、定向石墨的机械剥离法和热解碳化硅(SiC)外延生长石墨烯方法。
其中SiC外延生长石墨烯方法相对于前两种方法具有众多优点：1.热解过程中无需要添加任何辅助试剂，可以有效保证石墨烯的纯净；2.SiC衬底本身具有较好的绝缘特性和导热性，生长完成后的石墨烯无需转移，可以避免石墨烯受到二次伤害；3.能与现行的半导体器件工艺兼容，可以直接使用标准纳米刻蚀技术进行图案化制备电子器件。例如CN102373506A提供一种在SiC衬底上外延生长石墨烯的方法以及石墨烯器件。
CN102051677A公开了一种大直径6H-SiC碳面上生长石墨烯的方法，将6H-SiC晶片碳面朝上平放在加热炉坩埚中的石墨托盘中，抽真空度，快速升温至1700-1750℃，通入高纯氩气，然后缓慢升温至1750-1950℃，保温1-10min，完成石墨烯的生长。该方法衬底无损伤层，生长出的石墨烯布满整个衬底的上下两个表面，石墨烯层数可控制在1-10层。虽然该方法中的氩气氛围能够在一定程度上抑制Si组分升华速率，但是Si组分仍然升华较快，且表面C原子的横向迁移率较低，同时SiC的上下两个表面都存在石墨烯，对后续分析造成困难。
石墨烯的形成和生长氛围有很大的关系，朝上暴露在Ar气中的SiC表面形成石墨烯的速率高于贴在坩埚底部SiC表面。因此，想要在选定贴近坩埚底部的生长面形成石墨烯的同时，不可避免地会在对面形成厚的石墨烯层。迄今为止，基于石墨坩埚中SiC外延石墨烯可供选择性单面生长的方法未见报道。
发明内容
针对现有基于SiC衬底外延法工艺条件下SiC衬底C面和Si面同时形成石墨烯的技术难题，本发明提供了一种在石墨坩埚中大直径SiC衬底上可选择性进行单面生长石墨烯的方法。
术语解释：
SiC晶片(6H/4H-SiC)有两个极性面：硅面(0001)、碳面(000-1)，本发明所述的可选择性单面生长石墨烯是指在不同极性面C面或Si面，选择其中之一作为石墨烯生长面，同时抑制另一面上的石墨烯生成。
高纯H2：指纯度在99.999％以上的H2。
4H/6H-SiC晶片：指4H-SiC晶片或6H-SiC晶片。
本发明的技术方案如下：
一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，包括：
将一片SiC衬底平放在石墨坩埚内中心位置，选择的生长面C面朝下或者Si面朝下，再将一盖片叠盖在所述SiC衬底朝上的面上，盖上石墨坩埚上盖；所述石墨坩埚位于加热炉腔室内；
所述盖片为Si原子供体或C原子吸收体；
将加热炉腔室抽真空，以加热的方式升温至1450～1750℃，通入高纯H2，对所述SiC衬底表面进行氢刻蚀，形成规则的SiC台阶结构；
关闭H2，通入Ar气，继续升高炉温至1500～1800℃，保温60-90min，完成石墨烯的生长。
根据本发明优选的，所述SiC衬底选自4H-SiC或6H-SiC。优选SiC衬底直径为2-6英寸。
根据本发明优选的，所述SiC衬底的双面研磨、抛光，表面粗糙度小于0.5nm，平整度小于6μm；所述SiC衬底的厚度为300μm～500μm。
根据本发明优选的，所述盖片中，Si原子供体为4H/6H-SiC晶片，C原子吸收体为Ta片、Ta2C片或Ti片等。所述盖片直径与所述SiC衬底相同或略大。
根据本发明，所述盖片选用4H/6H-SiC晶片的，将4H/6H-SiC晶片的Si面朝下叠盖在所述SiC衬底上。优选的，所述盖片4H/6H-SiC晶片Si面的表面粗糙度小于3nm，平整度小于15μm；所述盖片4H/6H-SiC晶片厚度为300μm～500μm。
根据本发明，所述盖片选用Ta片的，Ta片抛光面朝下叠盖在所述SiC衬底上。Ta片抛光面的表面粗糙度小于3nm，平整度小于15μm；所述Ta片厚度为0.5-3mm。选用Ta2C片或Ti片盖片的亦同。
根据本发明优选的，所述加热炉腔室抽真空，使真空度达(1～5)×10-6mbar；通入高纯H2的流量为5～100sccm，压力控制在600～900mbar。
下面提供一种优选的制备方法详细的技术方案。
一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，包括步骤如下：
(1)将直径2-6英寸SiC衬底晶片进行双面研磨、抛光，使得表面粗糙度小于0.5nm，平整度小于6μm，得到厚度为200μm～800μm的SiC衬底。随后对表面进行清洗、封装待用。
(2)将直径2-6英寸SiC盖片进行Si面研磨、抛光，使得表面粗糙度小于3nm，平整度小于15μm，得到厚度为200μm～800μm的SiC晶片。随后对表面进行清洗、封装待用。或者，将直径在2-6英寸Ta片、Ta2C片或Ti片等进行研磨、抛光，得到厚度0.5-3mm的光亮Ta片、Ta2C片或Ti片。随后对表面进行清洗、封装待用。
(3)在立式加热炉内放置石墨坩埚，将上述步骤(1)准备的4H/6H-SiC衬底一片平放在石墨坩埚中心位置，C面朝下或者Si面朝下，再将上述步骤(2)准备的4H/6H-SiC晶片Si面或准备的Ta片、Ta2C片或Ti片光亮面对应叠盖在衬底的上面，加盖石墨坩埚上盖封闭；将加热炉腔室抽真空，待真空度到(1～5)×10-6mbar后，快速升温至1450～1750℃，升温速率10～50℃/min，通入高纯H2，H2流量5～100sccm，压力控制在600～900mbar，对衬底表面进行氢刻蚀，氢刻蚀时间10～40min，形成规则的SiC台阶结构；
(4)关闭H2，通入Ar气，Ar气流量10～1000sccm，压力控制在800～900mbar；将加热炉升温至1500～1800℃，升温速率10～50℃/min，保温60～90min，完成石墨烯的生长。
石墨烯生长后关闭加热电源，继续通Ar气，Ar气流量为500～1000sccm，压力控制在800mbar，降温到500℃；关闭Ar气，自然降温到室温。随后，取出坩埚中的石墨烯样品。
通过该方法制备得到SiC衬底单面生长的石墨烯材料，在SiC衬底表面的覆盖率大于90％，均匀性较好，10×10mm2范围内迁移率在1000-5000cm2/v·s，石墨烯层数为1-2层。
优选的，步骤(1)中对SiC衬底的双面抛光采用化学机械抛光，清洗采用的标准湿法化学清洗工艺；可加工出表面清洁、粗糙度小、无损伤层的衬底表面。
优选的，步骤(2)中SiC晶片进行Si面研磨抛光，经过清洗采用的标准湿法化学清洗工艺；可加工出表面清洁、平整的盖片表面。
优选的，步骤(2)中Ta片进行研磨抛光，经过清洗采用的标准湿法化学清洗工艺；可加工出表面清洁、平整的盖片表面。
优选的，步骤(3)中SiC盖片的Si面朝下或Ta片的抛光面朝下，叠盖在生长石墨烯的4H/6H-SiC衬底上，所有盖片均可重复使用。
优选的，步骤(3)中生长炉炉腔真空度至1×10-6mbar，快速升温速率在30～50℃/min，压力控制在900mbar，氢刻蚀时间20～40min。
优选的，步骤(4)中，氩气流量30～50sccm，压力控制在900mbar；将加热炉升温至1650-1750℃，升温速率10-15℃/min，保温60～80min。
本发明的方法可获得大面积、高质量、层数可控、形貌均匀单面生长的石墨烯材料。在SiC衬底上选定的生长面上进行单面生长的覆盖率大于90％，石墨烯台阶形貌规整。在精确控制升温速率和反应时间条件下，石墨烯层数可控制在单层。
本发明采用两种材料原位控制SiC衬底上非选择面的石墨烯生长，一类材料是以SiC片为代表，但不限于此，此类材料可以提供SiC衬底表面升华的Si原子组分，通过抑制或减弱Si原子的损失，来抑制石墨烯的形成；第二类材料是以钽(Ta)片为代表，但不限于此，此类材料是通过吸收SiC衬底表面Si原子升华后留下的活性C原子来抑制石墨烯的形成。基于SiC衬底热解外延生长石墨烯的机理，本发明创造性提出了两种抑制石墨烯形成的方式，成功地实现大直径SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，该方法既有利于提高生长石墨烯的质量，又克服了已有技术的不足，简便易行。
本发明的技术特点和优良效果在于：
1、本发明在石墨坩埚中SiC衬底外延制备石墨烯，通过原位添加SiC类盖片或Ta类盖片可以有效地抑制双面石墨烯的生成。
2、本发明方法中使用的盖片可重复使用，无需中途更换；若表面碳化严重，可经再次研磨抛光后重复使用，大大降低了使用成本。
3、本发明方法中可选择一种极性面(C面或Si面)进行单面生长石墨烯，只需将非选择生长面用准备好的盖片叠盖即可，操作简单方便。
4、本发明方法生长的石墨烯质量、表面形貌有大幅度提高，可在逻辑电路、激光调Q和高频射频器件等领域广泛应用。
附图说明
图1为实施例1在2英寸的4H-SiC硅面衬底外延生长石墨烯的拉曼(Raman)光谱图。横坐标是拉曼位移，纵坐标是强度(任意单位)；其中，
(a)为选择生长面为Si面的9点拉曼测试图；
(b)为对应图(a)减去SiC衬底峰后的拉曼图，图中能清楚地看到尖锐的石墨烯2D和G特征峰，2D峰可用洛伦茨单峰拟合并且看不到D峰，表明生长的为质量较高的单层石墨烯；
(c)为非选择生长面C面的9点测试图；
(d)为对应(c)减去SiC衬底峰后的拉曼图，图中看不到任何石墨烯的峰，表明C面未形成石墨烯。
图2为实施例1在2英寸的4H-SiC Si面衬底外延生长石墨烯的原子力显微镜(AtomicForce Microscope，原子力显微镜)形貌图，显示出规则台阶分布的表面形貌，测试面积10μm×10μm。
图3为在石墨坩埚中SiC衬底外延石墨烯选择性单面生长的装置示意图，盖片4紧密地叠盖在生长衬底2的上面；其中，1、加热线圈，2、SiC衬底晶片，3、石墨坩埚，4、石墨坩埚上盖，5、盖片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的生长方法作进一步说明，但不限于此。
实施例中采用的SiC衬底，导电类型半绝缘，表面取向为正向，取向误差在±0.3度之内，直径为2-6英寸，厚度200μm-800μm。所用的立式加热生长炉为商用的通用加热炉。
实施例1
一种基于SiC外延石墨烯的可供选择性单面生长的方法，包括如下步骤：
(1)将直径2英寸4H-SiC衬底晶片进行双面研磨、抛光，使得表面粗糙度小于0.5nm，平整度小于6μm，得到厚度为400μm的4H-SiC衬底。然后对表面进行标准的清洗。
(2)将直径2英寸4H-SiC盖片进行Si面研磨、抛光，使得表面粗糙度小于3nm，平整度小于15μm，得到厚度为500μm的4H-SiC晶片。随后对表面进行标准的清洗。
(3)在立式加热生长炉内放置2英寸的石墨坩埚，将上述步骤(1)准备的4H-SiC衬底Si面朝下平放在石墨坩埚中心位置，再将上述步骤(2)准备的4H-SiC晶片Si面对应叠盖在衬底的上方，加盖石墨坩埚上盖封闭；将加热炉腔室抽真空，待真空度到1×10-6mbar，快速升温至1500℃，升温速率30℃/min，通入高纯H2，H2流量30sccm，压力控制在900mbar，对衬底表面进行氢刻蚀，氢刻蚀时间30min，形成规则的SiC台阶结构；
(5)关闭H2，通入Ar气，Ar气流量200sccm，压力控制在800mbar；将炉腔升温至1600℃，升温速率15℃/min，保温90min，完成石墨烯的生长。
石墨烯生长后关闭加热电源，继续通Ar气，Ar气流量为800sccm，压力控制在800mbar，降温到500℃；关闭Ar气，自然降温到室温。随后，取出坩埚中的石墨烯样品。
获得的石墨烯材料的形貌均匀，层数为单层，其Hall迁移率达到了1300cm2/v·s。测试的拉曼光谱图如图1，可以看出石墨烯的层数为单层，九点测试表明石墨烯层数分布均匀，参见图1(b)；并且可以看出朝上的C面无任何石墨烯生成，参见图1(d)。原子力学显微镜(AFM)图像表明石墨烯的形貌规则、台阶均匀，测试面积为10×10μm2。
实施例2
一种基于SiC外延石墨烯的可供选择性单面生长的方法，按照与实施例1相同的石墨烯生长方法，其不同之处在于，将加工好的2英寸4H-SiC衬底C面朝下平放在生长炉坩埚中，生长温度控制在1550℃。采用Raman光谱和原子力显微镜表征获得石墨烯材料，石墨烯形貌均匀；Hall迁移率为3500cm2/v·s。
实施例3
一种基于SiC外延石墨烯的可供选择性单面生长的方法，按照与实施例1相同的石墨烯生长方法，其不同之处在于，将加工好的3英寸4H-SiC衬底Si面朝下平放在生长炉坩埚中，采用抛光好的Ta片叠盖在衬底上方。测试表征生长的石墨烯，层数为单层；Hall迁移率为1500cm2/v·s。
通过实施例1-3的描述，结合实施例石墨烯材料的表征结果可以看出：该发明方法可以有效地抑制非选择生长面石墨烯的形成，排除了衬底双面石墨烯产生的测试偏差；生长的石墨烯质量、均匀性和迁移率均得到提高，将有利于SiC衬底外延石墨烯在电子器件领域的应用。

Claims (10)

1.一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，包括：
将一片SiC衬底平放在石墨坩埚内中心位置，C面朝下或者Si面朝下，再将一盖片叠盖在所述SiC衬底朝上的面上，盖上石墨坩埚上盖；所述石墨坩埚位于加热炉腔室内；
所述盖片为Si原子供体或C原子吸收体；
将加热炉腔室抽真空，以加热升温至1450～1750℃，通入高纯H2，对所述SiC衬底表面进行氢刻蚀，形成规则的SiC台阶结构；
关闭H2，通入Ar气，继续升高炉温至1500～1800℃，保温60-90min，完成石墨烯的生长。
2.如权利要求1所述的SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，其特征在于，所述SiC衬底选自4H-SiC或6H-SiC；优选的，所述SiC衬底的双面研磨、抛光，表面粗糙度小于0.5nm，平整度小于6μm；优选所述SiC衬底的厚度为300μm～500μm。
3.如权利要求1所述的SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，其特征在于，所述盖片中，Si原子供体为4H/6H-SiC晶片，C原子吸收体为Ta片、Ta2C片或Ti片或其他有此作用的薄片。
4.如权利要求1所述的SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，其特征在于，所述盖片选用4H/6H-SiC晶片的，将4H/6H-SiC晶片的Si面朝下叠盖在所述SiC衬底上；优选的，所述盖片4H/6H-SiC晶片Si面的表面粗糙度小于3nm，平整度小于15μm。
5.如权利要求1所述的SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，其特征在于，所述盖片选用Ta片的，Ta片抛光面朝下叠盖在所述SiC衬底上；优选的，Ta片抛光面的表面粗糙度小于3nm，平整度小于15μm；优选所述Ta片厚度为1-3mm。
6.如权利要求1所述的SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，其特征在于，所述加热炉腔室抽真空，使真空度达(1～5)×10-6mbar；通入高纯H2的流量为5～100sccm，压力控制在600～900mbar。
7.如权利要求1所述的SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，其特征在于步骤如下：
(1)将直径2-6英寸SiC衬底晶片进行双面研磨、抛光，使得表面粗糙度小于0.5nm，平整度小于6μm，得到厚度为300μm～500μm的SiC衬底；清洗待用；
(2)将直径2-6英寸SiC盖片进行Si面研磨、抛光，使得表面粗糙度小于3nm，平整度小于15μm，得到厚度为300μm～500μm的SiC晶片；清洗待用；或者，
将直径在2-6英寸Ta片、Ta2C片或Ti片进行研磨、抛光，得到厚度1-3mm的光亮Ta片、Ta2C片或Ti片；清洗待用；
(3)在加热炉内放置石墨坩埚，将上述步骤(1)准备的4H/6H-SiC衬底一片平放在石墨坩埚中心位置，C面朝下或者Si面朝下，再将上述步骤(2)准备的4H/6H-SiC晶片Si面或者Ta片、Ta2C片或Ti片的光亮面对应叠盖在衬底的上面，加盖石墨坩埚上盖封闭；将加热炉腔室抽真空，待真空度到(1～5)×10-6mbar，快速升温至1450～1750℃，升温速率10～50℃/min，通入高纯H2，H2流量5～100sccm，压力控制在800～900mbar，对衬底表面进行氢刻蚀，氢刻蚀时间10～40min，形成规则的SiC台阶结构；
(4)关闭H2，通入Ar气，Ar气流量10～1000sccm，压力控制在800～900mbar；将加热炉升温至1500～1800℃，升温速率10～50℃/min，保温60～90min，完成石墨烯的生长。
8.如权利要求7所述的SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，其特征在于，步骤(3)中加热炉炉腔真空度至1×10-6mbar，快速升温速率在30～50℃/min，压力控制在900mbar，氢刻蚀时间20～40min；优选的，步骤(3)中所述规则的SiC台阶的高度为纳米量级，台阶宽度为微米量级。
9.如权利要求7所述的SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法，其特征在于，步骤(4)中，氩气流量30～50sccm，压力控制在900mbar；将加热炉升温至1650-1750℃，升温速率10-15℃/min，保温60～80min。
10.权利要求1-9任一项制备得到的SiC衬底单面生长的石墨烯材料，其特征在于在SiC衬底表面的覆盖率大于90％，10×10mm2范围内迁移率在1000-5000cm2/v·s，石墨烯层数为1-2层。
CN201610273844.2A 2016-04-28 2016-04-28 一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法 Active CN105951179B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610273844.2A CN105951179B (zh) 2016-04-28 2016-04-28 一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610273844.2A CN105951179B (zh) 2016-04-28 2016-04-28 一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105951179A true CN105951179A (zh) 2016-09-21
CN105951179B CN105951179B (zh) 2019-01-11

Family

ID=56915994

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610273844.2A Active CN105951179B (zh) 2016-04-28 2016-04-28 一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105951179B (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106517165A (zh) * 2016-11-07 2017-03-22 山东大学 一种在 6H/4H‑SiC硅面上用金属辅助内外碳源结合方式生长石墨烯的方法
CN106521618A (zh) * 2016-11-07 2017-03-22 山东大学 一种在SiC衬底上通过点籽晶定位生长大尺寸单晶石墨烯的方法
CN106637393A (zh) * 2016-11-07 2017-05-10 山东大学 一种利用金属辅助在6H/4H‑SiC碳面上外延生长石墨烯的方法
CN106783540A (zh) * 2016-12-15 2017-05-31 中国电子科技集团公司第五十五研究所 减少外延片表面划痕的方法
CN111874891A (zh) * 2019-12-26 2020-11-03 河北同光晶体有限公司 一种基于高纯半绝缘碳化硅衬底制备周期性pn结石墨烯的方法
CN112522780A (zh) * 2020-10-13 2021-03-19 山东天岳先进科技股份有限公司 一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的方法及装置
CN113380604A (zh) * 2021-05-31 2021-09-10 天津大学 具有原子级台阶形貌的4H-SiC材料及其刻蚀方法
CN114197039A (zh) * 2021-12-09 2022-03-18 山东大学 一种在4H-SiC衬底上外延生长六英寸以上均匀石墨烯的方法
CN114400324A (zh) * 2022-01-20 2022-04-26 深圳市金润能源材料有限公司 一种负极材料的制备方法、负极材料及锂离子电池
CN115849352A (zh) * 2023-02-27 2023-03-28 太原理工大学 一种高效制备叠层石墨烯的方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010023934A1 (ja) * 2008-08-28 2010-03-04 国立大学法人名古屋大学 グラフェン／ＳｉＣ複合材料の製造方法及びそれにより得られるグラフェン／ＳｉＣ複合材料
CN102051677A (zh) * 2010-11-12 2011-05-11 山东大学 在大直径6H-SiC碳面上生长石墨烯的方法
JP2012031011A (ja) * 2010-07-30 2012-02-16 Seiko Epson Corp グラフェンシート付き基材及びその製造方法
CN102373506A (zh) * 2010-08-17 2012-03-14 中国科学院物理研究所 在SiC衬底上外延生长石墨烯的方法以及石墨烯和石墨烯器件
CN102936009A (zh) * 2012-10-11 2013-02-20 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法
CN103204498A (zh) * 2013-04-24 2013-07-17 电子科技大学 一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法
CN103523774A (zh) * 2013-10-25 2014-01-22 山东天岳晶体材料有限公司 一种石墨烯的制备方法
CN104404620A (zh) * 2014-12-01 2015-03-11 山东大学 一种在大直径6H/4H-SiC硅面和碳面双面同时生长石墨烯的方法
CN104695012A (zh) * 2015-03-24 2015-06-10 山东大学 一种制备大尺寸高质量石墨烯单晶的装置及方法
CN104947184A (zh) * 2015-06-04 2015-09-30 山东大学 一种基于原位Si气氛作用在大直径4H/6H-SiC硅面衬底外延生长石墨烯的方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010023934A1 (ja) * 2008-08-28 2010-03-04 国立大学法人名古屋大学 グラフェン／ＳｉＣ複合材料の製造方法及びそれにより得られるグラフェン／ＳｉＣ複合材料
JP2012031011A (ja) * 2010-07-30 2012-02-16 Seiko Epson Corp グラフェンシート付き基材及びその製造方法
CN102373506A (zh) * 2010-08-17 2012-03-14 中国科学院物理研究所 在SiC衬底上外延生长石墨烯的方法以及石墨烯和石墨烯器件
CN102051677A (zh) * 2010-11-12 2011-05-11 山东大学 在大直径6H-SiC碳面上生长石墨烯的方法
CN102936009A (zh) * 2012-10-11 2013-02-20 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种在碳化硅衬底上制作低层数石墨烯薄膜的方法
CN103204498A (zh) * 2013-04-24 2013-07-17 电子科技大学 一种热裂解碳化硅制备外延石墨烯的方法
CN103523774A (zh) * 2013-10-25 2014-01-22 山东天岳晶体材料有限公司 一种石墨烯的制备方法
CN104404620A (zh) * 2014-12-01 2015-03-11 山东大学 一种在大直径6H/4H-SiC硅面和碳面双面同时生长石墨烯的方法
CN104695012A (zh) * 2015-03-24 2015-06-10 山东大学 一种制备大尺寸高质量石墨烯单晶的装置及方法
CN104947184A (zh) * 2015-06-04 2015-09-30 山东大学 一种基于原位Si气氛作用在大直径4H/6H-SiC硅面衬底外延生长石墨烯的方法

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106517165A (zh) * 2016-11-07 2017-03-22 山东大学 一种在 6H/4H‑SiC硅面上用金属辅助内外碳源结合方式生长石墨烯的方法
CN106521618A (zh) * 2016-11-07 2017-03-22 山东大学 一种在SiC衬底上通过点籽晶定位生长大尺寸单晶石墨烯的方法
CN106637393A (zh) * 2016-11-07 2017-05-10 山东大学 一种利用金属辅助在6H/4H‑SiC碳面上外延生长石墨烯的方法
CN106521618B (zh) * 2016-11-07 2018-10-26 山东大学 一种在SiC衬底上通过点籽晶定位生长大尺寸单晶石墨烯的方法
CN106637393B (zh) * 2016-11-07 2019-01-29 山东大学 一种利用金属辅助在6H/4H-SiC碳面上外延生长石墨烯的方法
CN106783540A (zh) * 2016-12-15 2017-05-31 中国电子科技集团公司第五十五研究所 减少外延片表面划痕的方法
CN106783540B (zh) * 2016-12-15 2019-08-20 中国电子科技集团公司第五十五研究所 减少外延片表面划痕的方法
CN111874891A (zh) * 2019-12-26 2020-11-03 河北同光晶体有限公司 一种基于高纯半绝缘碳化硅衬底制备周期性pn结石墨烯的方法
CN112522780A (zh) * 2020-10-13 2021-03-19 山东天岳先进科技股份有限公司 一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的方法及装置
CN112522780B (zh) * 2020-10-13 2021-08-31 山东天岳先进科技股份有限公司 一种在碳化硅衬底上外延生长石墨烯的方法及装置
CN113380604A (zh) * 2021-05-31 2021-09-10 天津大学 具有原子级台阶形貌的4H-SiC材料及其刻蚀方法
CN113380604B (zh) * 2021-05-31 2023-05-26 天津大学 具有原子级台阶形貌的4H-SiC材料及其刻蚀方法
CN114197039A (zh) * 2021-12-09 2022-03-18 山东大学 一种在4H-SiC衬底上外延生长六英寸以上均匀石墨烯的方法
CN114400324A (zh) * 2022-01-20 2022-04-26 深圳市金润能源材料有限公司 一种负极材料的制备方法、负极材料及锂离子电池
CN114400324B (zh) * 2022-01-20 2023-09-19 深圳市金润能源材料有限公司 一种负极材料的制备方法、负极材料及锂离子电池
CN115849352A (zh) * 2023-02-27 2023-03-28 太原理工大学 一种高效制备叠层石墨烯的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105951179B (zh) 2019-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105951179A (zh) 一种SiC衬底上可选择性单面生长石墨烯的方法
CN103715069B (zh) 一种减少碳化硅外延薄膜中缺陷的方法
JP5896038B2 (ja) ナノカーボン膜の作製方法
JP5727017B2 (ja) グラフェンの成長のための方法
WO2013013419A1 (zh) 一种在绝缘基底上制备石墨烯纳米带的方法
WO2020095872A1 (ja) ＳｉＣ半導体基板及びその製造方法及びその製造装置
CN105441902B (zh) 一种外延碳化硅‑石墨烯复合薄膜的制备方法
CN107344868B (zh) 一种在SiC衬底上制备无缓冲层的单层石墨烯的方法
CN101150055A (zh) 用于MEMS器件的大面积3C-SiC薄膜的制备方法
CN102051677A (zh) 在大直径6H-SiC碳面上生长石墨烯的方法
CN104561926B (zh) 一种在硅衬底上制备β‑碳化硅薄膜的方法
CN104947184A (zh) 一种基于原位Si气氛作用在大直径4H/6H-SiC硅面衬底外延生长石墨烯的方法
CN109824038A (zh) 一种高效消除化学气相沉积法石墨烯褶皱的方法
US20190139762A1 (en) Epitaxial growth of defect-free, wafer-scale single-layer graphene on thin films of cobalt
Yazdanfar et al. Process stability and morphology optimization of very thick 4H–SiC epitaxial layers grown by chloride-based CVD
CN106637393B (zh) 一种利用金属辅助在6H/4H-SiC碳面上外延生长石墨烯的方法
Zhuang et al. Growth controlling of diamond and β-SiC microcrystals in the diamond/β-SiC composite films
CN114438588A (zh) 碳化硅单晶的制备方法与碳化硅支撑***与单晶生长炉
Wang et al. Growth and characterization of hillock-free high quality homoepitaxial diamond films
JPH10261615A (ja) ＳｉＣ半導体の表面モホロジー制御方法およびＳｉＣ半導体薄膜の成長方法
JP5135545B2 (ja) 炭化珪素単結晶インゴット育成用種結晶及びその製造方法
Noh et al. Effect of surface preparation on Ni Ohmic contact to 3C-SiC
JP5024886B2 (ja) 平坦化処理方法および結晶成長法
Li et al. Surface preparation of 4 off-axis 4H-SiC substrate for epitaxial growth
Krishnan et al. Vanadium doping using VCl4 source during the chloro-carbon epitaxial growth of 4H-SiC

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant