[发明专利]由绝缘衬底上超薄六方相碳化硅膜外延石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体低维薄膜材料制备领域，特别是涉及一种由绝缘衬底上超薄六方相碳化硅膜外延石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由单层或数层(低于100层)碳原子组成的薄片，这样的二维石墨薄片被证实有许多超强属性，如它的电子在亚微米距离中以弹道方式输运，不会有任何的散射，具有非常吸引人的导电能力，这为制造超性能晶体管提供了条件。石墨烯晶体管可以在室温下工作，有预言石墨烯薄膜可能最终替代硅，因为石墨烯晶体管比硅管更高效，更快而耗能更低。

石墨烯给半导体行业带来了一个新的机遇，当未来65nm、45nm甚至32nm的硅制程不能满足半导体工业需求的时候，或许就应该由石墨烯来替代它。目前的挑战在于如何使这种薄膜成本低廉及适于大规模应用。有两种典型的石墨烯制备方法，一种是用机械方法从高取向的热解炭中刮擦出单层或数层石墨烯薄片(K.S.Novoselov，science，2004)。另一种方法是以热蒸发方式从六方相的碳化硅单晶表面蒸发掉一层或数层(低于100层)硅原子，以此外延出石墨烯(C.Berger，science，2006)。两种方法比较起来，后一种方法有利于制备大规模石墨烯，并且它与当前硅平面工艺相兼容，因而有望在半导体行业中得到应用。但是后一种方法要使用价格昂贵的碳化硅半绝缘衬底，这使得外延石墨烯的成本过高，另外，碳化硅衬底与石墨烯之间的相互作用，制约了石墨烯的器件性能(F.Varchon，Physical ReviewLetters，2007)。

综合上述石墨烯制备方法的利弊，本发明提出了一种新的外延石墨烯制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维外延石墨烯的制备方法，该方法外延石墨烯不依赖于昂贵的半绝缘碳化硅衬底，而是由廉价易得的绝缘六方相单晶衬底通过外延超薄碳化硅层制备。

本发明的另一目的在于提供一种二维外延石墨烯的制备方法，该方法的衬底完全绝缘，外延石墨烯的电性能不受衬底制约；

本发明的又一目的在于提供一种二维外延石墨烯的制备方法，该方法外延石墨烯的层数由超薄碳化硅膜的碳硅双原子层数决定，可根据需要设计石墨烯的层数。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种由绝缘衬底上超薄六方相碳化硅膜外延石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：取一绝缘衬底；

步骤2：采用氢气对绝缘衬底进行高温刻蚀预处理，用于去除表面划痕等缺陷，将表面刻蚀平整；

步骤3：对绝缘衬底进行高温氮化处理，用于活化外延表面，使后续碳化硅易于附着在衬底表面且与衬底保持相同晶向关系；

步骤4：在绝缘衬底上外延六方相单晶态碳化硅；

步骤5：将碳化硅中的硅原子蒸发掉，完成在绝缘衬底上制备石墨烯。

其中绝缘衬底为单晶态，具有六方相结构，绝缘衬底的外延面为C(0001)面或R(1122)面。

其中在绝缘衬底上外延碳化硅是采用高温化学气相沉积方法外延，该碳化硅是超薄层。

其中绝缘衬底进行高温氮化处理时是采用NH₃或N₂。

其中绝缘衬底外延碳化硅时，采用惰性气体为载气。

其中绝缘衬底外延碳化硅时，采用含碳和硅原子的单反应物为先驱体。

其中绝缘衬底外延碳化硅时，采用碳源和硅源混合反应物为先驱体。

其中绝缘衬底外延碳化硅时，采用HCl或含氯元素的硅源为外延生长时的刻蚀性先驱体。

其中绝缘衬底外延碳化硅为单晶态，六方相结构，厚度为1～100个碳硅双原子层厚。

其中将碳化硅中的硅原子蒸发掉是采用热蒸发的方法。

其中热蒸发温度为1100～1800℃，气压为10^-9～10^-4帕，时间为0.2～5小时。

本发明具有的有益效果是：

(1)外延石墨烯不依赖于昂贵的半绝缘碳化硅衬底，而是由廉价易得的绝缘六方相单晶衬底通过外延超薄碳化硅层制备；

(2)衬底完全绝缘，外延石墨烯的电性能不受衬底制约；

(3)外延石墨烯的层数由超薄碳化硅膜的碳硅双原子层数决定，可根据需要设计石墨烯的层数。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明使用的绝缘衬底示意图；

图2是本发明外延碳化硅超薄层的装置示意图；