[發(fā)明專利]一種在大直徑6H/4H-SiC硅面和碳面雙面同時生長石墨烯的方法

有效

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• 申請日: 2014-12-01
• 公開（公告）號: CN104404620A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設計）人: 陳秀芳;楊志遠;孫麗;徐現(xiàn)剛;趙顯
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C30B29/02
• 分類號: C30B29/02;C30B25/18
• 代理公司: 濟南金迪知識產(chǎn)權代理有限公司 37219
• 代理人: 楊磊

技術領域

本發(fā)明涉及一種在大直徑6H/4H-SiC硅面和碳面雙面同時生長石墨烯的方法，屬于微電子材料技術領域。

背景技術

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料，具有優(yōu)異的電學、熱學和力學性能，有望在高性能納電子器件、復合材料、場發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用，在工業(yè)、電力行業(yè)及電子產(chǎn)業(yè)都有極大的應用前景。

石墨烯獨特的二維蜂窩狀結構，決定了其獨特的性質。石墨烯在力學、光學、熱學和電學等方面，均有優(yōu)異的特性。力學方面，石墨烯是現(xiàn)今世界上硬度和強度最大的材料，比金剛石還要堅硬，強度比鋼鐵還要高100倍，其抗拉強度和彈性模量分別為125GPa和l.0Tpa，伸縮彈性達20％。光學方面，石墨烯在近紅外和可見光波段具有極高的光透過率，單層石墨烯光透過率為97.7％，五層石墨烯的光透過率也可達90％左右。熱學方面，實驗證明單層石墨烯在室溫條件下的熱導率最高可達5000Wm^-1K^-1，超過了碳納米管和金剛石，是室溫下銅的導熱率(401Wm^-1K^-1)的10倍。電學方面，石墨烯導電性能比金還要強；在常溫下，石墨烯電子遷移率可達到200,000cm²V^-1s^-1，甚至更高，約為現(xiàn)今常用的硅材料的140倍，電導率可達10⁶S/m，面電阻約為31Ω/sq，并且能在室溫下產(chǎn)生量子霍爾效應。除此之外，石墨烯面密度為0.77mg/m²，其理論比表面積可達2630m²/g。

石墨烯的優(yōu)異特性決定了其在各領域廣闊的應用前景。光電器件方面，可以利用石墨烯制備透明導電薄膜，透明導電薄膜透光率為80％以上，且其方塊電阻僅為10²Ω/sq，光電轉化效率在空氣中可達1.4％，而且在機械強度和柔韌度方面比常用的氧化銦錫材料更好。儲能器件方面，石墨烯儲氫量可達1.7wt.％；石墨烯制作的鋰電池儲能密度能夠達到160Wh/kg，功率密度將近100kW/kg；石墨烯制作的超級電容器的比電容高達205F/g。生物醫(yī)藥方面，已經(jīng)被應用于活細胞成像、藥物載體、生物分子檢測等方面。石墨烯還具備較高的抗腐蝕性，利用石墨烯制作金屬保護膜，可以有效地降低金屬的腐蝕速率，甚至阻止空氣對金屬的氧化作用。半導體電子器件方面，基于石墨烯基底的場效應晶體管和分子檢測器已經(jīng)問世且有較好效果。在石墨烯上，整流柵電極可以相隔幾納米放置，這樣溝道更短而且傳輸更快。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產(chǎn)未來的超級計算機。石墨烯優(yōu)異的性能使其具有重大的理論研究價值和廣闊的應用前景。

石墨烯的制備方法分為物理方法和化學方法。物理方法主要是液相或氣相直接剝離法、機械剝離法；化學方法包括：高溫還原、光照還原、溶劑熱法、化學氧化—還原法、化學氣相沉積法、晶體外延生長法等。目前來看，由于熱解SiC方法與當前的Si器件技術最容易匹配，所以它成為最有希望代替現(xiàn)有芯片材料技術的方法。

中國專利文件CN102502592A公開了在4H/6H-SiC碳面外延生長晶圓級石墨烯的方法，通入氫氣，對4H/6H-SiC碳面進行氫刻蝕，形成規(guī)則的臺階狀條紋，通過加熱，使得硅原子升華，碳原子以sp²方式在襯底表面重構形成石墨烯。中國專利文件CN102051677A提供了大直徑6H-SiC碳面上生長石墨烯的方法，將6H-SiC晶片碳面朝上，抽真空，快速升溫至1700-1750℃，通入高純氬氣，然后緩慢升溫，保溫，完成石墨烯的生長。中國專利文件CN101602503A公開了在4H-SiC硅面上外延生長石墨烯的方法，主要利用CVD爐在4H-SiC硅面上外延生長石墨烯。在900mbar氬氣氣氛下生長，生長溫度約為1600℃。此外，唐軍等報道了在6H-SiC硅面上生長石墨烯的方法，采用的設備是分子束外延設備，其方法是樣品濕法清洗后，真空下，先在750℃下沉積一層硅，然后升高到1300℃外延生成石墨烯。參見唐軍等，退火時間對6H-SiC(0001)表面外延石墨烯形貌和結構的影響，物理化學學報，2010，26(1)，253-258。

迄今為止，在6H/4H-SiC硅面和碳面雙面同時生長石墨烯的方法尚未見報道。目前石墨烯生長均在單個晶面上進行，但是單面SiC石墨烯存在著石墨烯覆蓋面有限，制成的器件體積不夠小，導熱性能和器件穩(wěn)定性有待進一步提高等問題。因此研究SiC晶片上雙面生長石墨烯方法具有重要意義。

發(fā)明內容