[發明專利]基于ZnO襯底的石墨烯CVD直接外延生長方法及制造的器件

無效

• 申請號: 201210408180.8
• 申請日: 2012-10-22
• 公開（公告）號: CN102903616A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 王東;寧靜;韓碭;閆景東;柴正;張進成;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;C30B25/18;C23C16/26
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技術領域

本發明屬于半導體材料與器件制造技術領域，涉及半導體材料的生長方法，特別是一種基于II-VI族半導體氧化鋅襯底的石墨烯CVD外延生長方法，可用于無需轉移的大面積石墨烯材料的生長制備，并為氧化鋅-石墨烯光電、壓電器件的制造提供材料。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子組成的二維晶體，是目前已知最輕最薄的材料，具有非常奇特的物理化學性質，具有突出的產業優勢，有望替代Si成為下一代基礎半導體材料的新材料。

過渡族金屬催化化學氣象沉積(CVD)外延是國際上廣泛采用的大面積石墨烯制備的方法，它不受襯底尺寸的限制，設備簡單，可以大批量生產。但是，CVD外延制備的原生石墨烯下方的金屬襯底導電性使得其無法直接應用，必須依賴襯底轉移技術，將金屬襯底去除然后轉移至合適的襯底上，而在轉移過程中不可避免地會對石墨烯薄膜產生污染和損壞，影響石墨烯材料和器件的性能。

氧化鋅(ZnO)作為一種直接帶隙寬禁帶材料，具有良好的壓電和光電等性能，成為電子、光電研究領域的熱門研究課題。可用于制備表面聲波器件、太陽能電池、壓敏器件、氣敏器件、紫外探測器、發光器件等。特別是石墨烯發現之后，作為六方纖鋅礦晶體，氧化鋅和石墨烯的結合能夠有效減少晶格失配、提高石墨烯的質量和面積，具有獨特的優勢。氧化鋅—石墨烯器件結構已經成為研究熱點。因此，在氧化鋅襯底上直接利用CVD方法外延生長石墨烯，能夠減小晶格失配，避免轉移過程中殘膠引起的性能退化，提高石墨烯和氧化鋅襯底接觸質量，具有非常重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于為了克服現有技術問題，提供一種基于氧化鋅襯底的石墨烯氣相化學沉積(CVD)方法，以在氧化鋅襯底上直接生長石墨烯薄膜，為氧化鋅-石墨烯結構器件提供材料。

實現本發明的技術關鍵是：在氧化鋅襯底表面通過化學氣相沉積方法(CVD)生長石墨烯薄膜，通過控制溫度、氣壓、流量，實現石墨烯生長的最優化。其生長步驟包括如下：

(1)將ZnO襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗，每次時間5～10min，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣(99.9999％)吹干；

(2)將ZnO襯底放入化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10^-5～10^-6Torr，以去除反應室內的殘留氣體；

(3)向反應室內通入高純Ar，溫度150～250℃，保持10～30min，然后抽真空至10^-5～10^-6Torr，排出襯底表面吸附氣體；

(4)向反應室內通入H₂進行襯底表面預處理，氣體流量1～20sccm，反應室真空度0.1～1Torr，襯底溫度900～1000℃，處理時間1～10min；

(5)向反應室中通入H₂和CH₄，保持H₂和CH₄的流量比為10∶1～2∶1，H₂流量20～200sccm，CH₄流量1～20sccm，氣壓維持在0.1～1atm，溫度900～1000℃，升溫時間20～60min，保持時間30～60min；

(6)自然降溫，保持工序(5)中的H₂和CH₄流量不變，氣壓0.1～1atm，完成石墨烯的生長；

(7)溫度降至100℃以下，關閉CH₄、H₂，通入Ar，打開反應室，取出樣品。

本發明具有如下優點：

1.由于采用基于氧化鋅襯底的常壓無催化金屬的石墨烯CVD外延生長方法，無需在后續步驟中對石墨烯進行轉移，避免了對石墨烯材料的破壞。

2.由于采用于氧化鋅襯底的石墨烯CVD外延生長方法，可以直接在氧化鋅襯底上制造石墨烯器件，為氧化鋅-石墨烯光電、壓電器件提供材料基礎。

附圖說明

圖1是本發明的氧化鋅襯底上石墨烯薄膜化學氣相沉積(CVD)生長流程圖；

圖2是本發明的氧化鋅襯底上石墨烯薄膜化學氣相沉積(CVD)生長結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定發明。

具體實施方式

實施例1在氧化鋅襯底上制備石墨烯薄膜。