[發(fā)明專利]4H-SiC硅面外延生長石墨烯的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910023384.8
• 申請日: 2009-07-20
• 公開（公告）號: CN101602503A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張玉明;郭輝;王黨朝;張義門;湯曉燕;王悅湖;王德龍
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;C30B29/02
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體材料的制作，具體地說是在4H-SiC(0001)面外延生長石墨烯制備方法。

背景技術(shù)

以集成電路為標(biāo)志的基于硅材料的微細加工技術(shù)造就了當(dāng)代信息社會。一般認(rèn)為，硅材料的加工極限是10nm線寬。受物理原理的制約，小于10nm就不太可能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、集成度更高的產(chǎn)品。因此，當(dāng)前在硅材料上的技術(shù)進步將顯得越來越困難，人們寄希望于碳基材料的電子學(xué)。最先引起人們關(guān)注的是碳納米管，它具有高的遷移率，高的熱導(dǎo)率和良好的電流能力等，但是碳納米管很難并可重復(fù)地結(jié)合到電子器件中去。2004年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了石墨烯，英文名稱為Graphene，其良好的物理化學(xué)特性被學(xué)術(shù)界寄予很高的期望。人們希望它能夠取代硅，成為克服目前電子器件越來越小所遇到的尺寸極限效應(yīng)。

Graphene是由單層sp²碳原子組成的六角平面晶格結(jié)構(gòu)的材料，它有著卓越的物理學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)在以下諸方面：(1)雙極性電場效應(yīng)強：僅施加一個外電場，其電荷載流子密度就能夠連續(xù)的從n型轉(zhuǎn)變?yōu)閜型；(2)在狄拉克點附近，電子和空穴表現(xiàn)出如同光子的線性色散的關(guān)系，在低溫下，電子和空穴的速度接近光在真空速度的三百分之一；(3)室溫下，Graphene電子和空穴的遷移率達到2×10⁴cm²/V·s，其數(shù)值高于硅的10倍，可以說是目前最快的半導(dǎo)體；(4)帶隙可調(diào)。帶隙取決于Graphene帶的幾何寬度和方向；(5)厚度薄：它是碳原子的單層平面材料，厚度只有一個原子的尺寸，是人類目前發(fā)現(xiàn)的最薄的材料；(6)硬度高：由sp²雜化形成的平面六角結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性高，1060GPa的楊氏模量，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵高100倍；(7)密度小：密度僅為2.2g/cm³；(8)熱傳導(dǎo)性能良好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)達到3000W/m·k。總之，石墨烯是一種以碳原子為基礎(chǔ)的納米級超薄材料，它的優(yōu)點在于它優(yōu)越的強度和很高的遷移率，同時具有非凡的電子學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)性能。

Graphene具有非常令人驚奇和新穎的物理化學(xué)性質(zhì)，被人們認(rèn)為是post-CMOS時代微電子技術(shù)取代硅最有希望的候選材料。這就要求高質(zhì)量的厚度可控以及特定晶向的Graphene晶圓被放量的制造出來。目前的制備方法主要有兩種：

1.剝離法：從石墨中剝離出微米量級厚度的Graphene。通過把石墨浸泡在有機溶劑中，從中剝離出單層的Graphene。優(yōu)點是可以獲得電學(xué)性能良好的單個器件。缺點：生長過程難以控制，且很難獲得大規(guī)模的均勻一致的樣品。

2.外延生長法：以SiC為襯底，外延生長Graphene。在高真空環(huán)境下中加熱4H-SiC/6H-SiC的碳面面或者硅面(0001)面至1600℃左右，待硅原子充分升華后，表面就留下無定形碳原子層。保持該溫度，這些碳原子會以sp²方式在SiC(0001)面重構(gòu)形成石墨烯。使用這種外延生長法，雖然可以得到質(zhì)量較高，尺寸較大的Graphene，但卻存在諸多因素，使得生長的Graphene面積太小，均勻性不高等問題。這些因素主要包括：襯底材料4H-SiC或者6H-SiC，襯底材料的硅面或者碳面，外延生長工藝參數(shù)包括溫度、壓力、氣流量等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于避免上述已有技術(shù)的不足，提出一種在工藝上易于控制的4H-SiC硅面外延生長石墨烯的方法，通過對外延生長工藝參數(shù)的優(yōu)化，獲得大面積、均勻性良好的Graphene。實現(xiàn)本發(fā)明的目的技術(shù)方案，包括如下步驟：

1)對4H-SiC(0001)面進行表面清潔處理；

2)將4H-SiC樣品放置在CVD爐腔中，真空度2.4×10^-6mbar，并通入流量為60～100l/min的氫氣，升溫至1400～1500℃，再通入流量為8～12ml/min丙烷，升溫至1500～1650℃，在壓力為90～100mbar下保持10～20分鐘，以去除樣品表面劃痕，形成規(guī)則的臺階狀條紋；

3)把4H-SiC樣品放置在真空度為2.4×10^-6mbar的CVD爐腔中，再通入流量為15～25l/min的氫氣，升溫至950～1050℃，保持6～10分鐘；降溫至840～860℃，通入流量為0.5ml/min的硅烷，保持1～5分鐘，以去除由于氫刻蝕所帶來的表面氧化物；