[發(fā)明專利]一種提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610591642.2
• 申請日: 2016-07-26
• 公開（公告）號: CN107653446A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 狄增峰;馬駿;張苗;王剛;賈鵬飛;汪子文;王曦
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: C23C16/02
• 分類號: C23C16/02;C23C16/26
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙)31219
• 代理人: 余明偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體及碳材料制備領(lǐng)域，涉及一種提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法。

背景技術(shù)

自2004年英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家成功地利用機械剝離法首次獲得石墨烯，并以此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎之后，石墨烯這一特殊的六角晶格二維材料便成為了世界科研界的熱點。石墨烯是一種由單層碳原子按照蜂窩狀排列而形成的二維材料，由于它的特殊構(gòu)造，石墨烯在力學(xué)、熱學(xué)以及電學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性質(zhì)，尤其在電學(xué)方面的表現(xiàn)最為突出，其超高的電導(dǎo)率以及超低的電阻率等特點使得石墨烯呈現(xiàn)出將替代硅作為主要電子材料的趨勢。

目前制備石墨烯的方法主要有微機械剝離、SiC升華法、化學(xué)氣相淀積和氧化石墨還原法。微機械剝離法可以制備高質(zhì)量的石墨烯，但是目前此方法制備的石墨烯面積小于1mm×1mm，只能用于基礎(chǔ)實驗研究；SiC升華法制備的石墨烯受襯底的影響很大，層數(shù)不均一，無法進行襯底轉(zhuǎn)移。化學(xué)氣相淀積法雖然可以制備大面積的石墨烯薄膜，并且易于襯底轉(zhuǎn)移，但是此方法獲得的石墨烯生長速度十分緩慢，這意味著工業(yè)生產(chǎn)大面積高質(zhì)量石墨烯的成本將大大增加，因而提高石墨烯生長速度以降低石墨烯生產(chǎn)成本是石墨烯產(chǎn)業(yè)化道路的關(guān)鍵。

因此，如何提供一種提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法，以增加石墨烯的生長速度，減少石墨烯的生產(chǎn)成本，以更快地推動石墨烯在半導(dǎo)體工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的一個重要技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中石墨烯生長速度十分緩慢，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)大面積高質(zhì)量石墨烯的成本大大增加的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法，包括如下步驟：

S1：提供一Ge襯底，對所述Ge襯底進行離子注入；

S2：進行退火，使所述Ge襯底中的注入離子至少有一部分析出到所述Ge襯底表面，以增加所述Ge襯底表面的石墨烯成核點；

S3：提供碳源，在所述Ge襯底表面生長得到石墨烯。

可選地，于所述步驟S1中，采用Si、Ge、C、H中的一種或多種對所述Ge襯底進行離子注入。

可選地，于所述步驟S1中，離子注入深度為100-200nm。

可選地，于所述步驟S1中，離子注入能量范圍是10-20KeV，離子注入劑量范圍是1E14-5E15atom/cm²。

可選地，于所述步驟S2中，退火溫度范圍是600-1200℃，退火氣氛包括氫氣及惰性氣體，退火時間為5-150min。

可選地，于所述步驟S3中，采用化學(xué)氣相沉積法生長石墨烯。

可選地，于所述步驟S3中，所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔、苯、PMMA及石墨中的一種或多種。

可選地，于所述步驟S3中，石墨烯生長溫度范圍是900-940℃，生長氣氛包括氫氣及惰性氣體。

可選地，于所述步驟S3中，當(dāng)生長面積為1cm²的石墨烯時，生長時間為80-180min。

可選地，所述石墨烯為單層石墨烯。

如上所述，本發(fā)明的提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法，具有以下有益效果：本發(fā)明利用離子注入向Ge襯底淺層注入少量的Si(或者Ge，C，H)，經(jīng)過退火之后淺層注入的Si析出到表面。之后通入碳源進行石墨烯生長，其中，析出到表面的Si(或者Ge，C，H)為石墨烯在Ge表面的生長提供了更多的成核點，從而提高石墨烯的成核密度，大大的增加了石墨烯的生長速度，減少了石墨烯的生產(chǎn)成本。本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)離子的注入劑量與注入能量來調(diào)制石墨烯的成核密度。

附圖說明

圖1顯示為本發(fā)明的提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法的工藝流程圖。

圖2顯示為本發(fā)明的提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法提供的鍺襯底的示意圖。

圖3顯示為本發(fā)明的提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法對Ge襯底進行離子注入的示意圖。

圖4顯示為本發(fā)明的提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法進行退火，使所述Ge襯底中的注入離子至少有一部分析出到所述Ge襯底表面的示意圖。

圖5顯示為本發(fā)明的提高石墨烯成核密度的石墨烯生長方法提供碳源，在所述Ge襯底表面生長得到石墨烯的示意圖。

圖6顯示為在不同生長時間、不同注入劑量下Ge襯底表面生長石墨烯的原子力顯微鏡表征結(jié)果對比圖。