[發(fā)明專利]一種在碳化硅襯底上外延生長石墨烯的方法及裝置有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202011089251.3 | 申請日： | 2020-10-13 |
| 公開（公告）號： | CN112522780B | 公開（公告）日： | 2021-08-31 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 李帥;劉耀華;馮琳琳;秦莉 | 申請（專利權(quán)）人： | 山東天岳先進科技股份有限公司 |
| 主分類號： | C30B25/10 | 分類號： | C30B25/10;C30B25/12;C30B25/16;C30B25/18;C30B28/14;C30B29/02 |
| 代理公司： | 北京君慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11716 | 代理人： | 劉德順 |
| 地址： | 250118 山*** | 國省代碼： | 山東;37 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 碳化硅 襯底 外延 生長 石墨 方法 裝置 | ||
本發(fā)明提供了一種在碳化硅襯底上外延生長石墨烯的方法及裝置，該方法包括以下步驟：(1)將碳化硅襯底放入石墨板上，石墨板位于坩堝內(nèi)，將所述坩堝置于加熱爐內(nèi)；(2)使用電子束將坩堝加熱至2000℃以上，加熱的時間為5～15min，使碳化硅襯底的表面平整化；(3)控制加熱爐的溫度為1300～1600℃，使碳化硅襯底表面形成石墨烯層。通過使用電子束加熱坩堝，使坩堝的瞬時溫度達到2000℃以上，坩堝向內(nèi)部的碳化硅襯底傳遞熱量，使得碳化硅襯底表面的雜質(zhì)和部分硅源碳源升華，使其表面平整化，從而改善了石墨烯基層的形成質(zhì)量，避免了氫氣刻蝕帶來的晶格缺陷和表面硅元素嚴(yán)重減少的問題，提高了石墨烯的生長質(zhì)量。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種在碳化硅襯底上外延生長石墨烯的方法及裝置，屬于新材料加工的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
石墨烯是由碳原子緊密堆積成的一種碳質(zhì)新材料，具有單層二維蜂窩狀(只包括六角原胞)晶格結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常高，而且各碳原子之間的連接相當(dāng)柔韌，當(dāng)受到外力攻擊時，就會歪曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保證了自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
石墨烯在納電子器件方面，代替硅生產(chǎn)在超級計算機，光子傳感器，基因電子測序，減少噪音，隧穿勢壘材料，晶體管、觸摸屏、基因測序等領(lǐng)域均有大規(guī)模的應(yīng)用，應(yīng)用范圍廣泛，并且表現(xiàn)出相當(dāng)優(yōu)異的性能。
現(xiàn)有技術(shù)中使用碳化硅襯底生產(chǎn)石墨烯的方法中，需使用氫氣刻蝕，利用氫氣在高溫下對碳化硅的刻蝕效應(yīng)對襯底表面進行平整化處理，使之形成具有原子級平整度的臺階陣列形貌表面，然后在一定溫度和壓力等條件下，碳化硅晶體升華，有較多數(shù)目的硅原子優(yōu)先升華，留下較多的碳原子在襯底表面，這些碳原子會以最小化自由能的方式重構(gòu)，從而形成石墨烯層；當(dāng)有氫氣存在時,在石墨烯的成核階段中，一部分的成核點及石墨烯晶粒會被氫氣所刻蝕，這在一定程度上降低了石墨烯的成核密度，有利于石墨烯的生長，但刻蝕也會破壞石墨烯晶粒的完整性，使得其性能受到影響。氫氣刻蝕會帶來晶格缺陷和表面硅富集嚴(yán)重削減，影響石墨烯的生長質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種在碳化硅襯底上外延生長石墨烯的方法及裝置，通過使用電子束加熱坩堝，使坩堝的瞬時溫度達到2000℃以上，坩堝向內(nèi)部的碳化硅襯底傳遞熱量，由于瞬時高溫，碳化硅襯底表面的雜質(zhì)和部分硅源碳源升華，使其表面平整化，從而改善了石墨烯基層的形成質(zhì)量，避免了氫氣刻蝕帶來的晶格缺陷和表面硅元素嚴(yán)重減少的問題
本申請采用的技術(shù)方案如下：
根據(jù)本申請的一個方面，提供了一種在碳化硅襯底上外延生長石墨烯的裝置，該方法包括以下步驟：
(1)將碳化硅襯底放入石墨板上，所述石墨板位于坩堝內(nèi)，將所述坩堝置于加熱爐內(nèi)；
(2)使用電子束將坩堝加熱至2000℃以上，加熱的時間為5～15min，使得碳化硅襯底的表面平整化；
(3)控制加熱爐的溫度為1300～1600℃，使得步驟(2)的碳化硅襯底表面形成石墨烯層。
進一步的，步驟(2)中，所述電子束的功率為20～50W、頻率為40～100KHz、速度為0.1～5m/s，脈沖寬度為200～600ns。
優(yōu)選的，步驟(2)中，所述電子束的功率為25～30W、頻率為50～80KHz、速度為1～2m/s，脈沖寬度為300～400ns。
進一步的，所述碳化硅襯底表面的平整度為0.1～10nm；
優(yōu)選的，步驟(2)中，所述碳化硅襯底表面的平整度為0.5～5nm。
進一步的，步驟(2)中，使用電子束加熱坩堝時，控制坩堝轉(zhuǎn)動；優(yōu)選的，控制坩堝轉(zhuǎn)動的速率為20～50r/h。
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