[发明专利]一种可控石墨烯阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体领域，特别是涉及一种可控石墨烯阵列的制备方法。

背景技术

石墨烯是由sp²杂化碳原子键合，且具有六方点阵蜂窝状二维结构的单层平面石墨，具有极高的晶体品质和电学性能。作为一种严格的二维晶体材料，石墨烯具有独特的物理性能，载流子浓度高达1013cm^-2，迁移率超过20000cm²V^-1s^-1，为晶体管、传感器等高性能器件的制备提供了材料基础。

石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜，其远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70％-80％的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。

在石墨烯的制备方面，目前主要有三种生长方法：1)化学气相沉积法(CVD)。这种方法是利用在基片表面沉积一层几十纳米厚的具有催化性能的多晶金属薄膜，然后利用热催化分解碳氢化合物来在金属薄膜的表面生长石墨烯。2)SiC表面外延法。这种方法是利用高温(一般在1350℃以上)处理SiC基底的办法来蒸发掉表面的硅原子，留下碳原子，形成石墨烯。3)金属单晶表面外延法。和方法一类似，催化剂为具有催化性能的金属单晶，然后利用晶体内部碳杂质的析出或热催化分解碳氢化合物，在金属薄膜的表面外延石墨烯。和方法一不同之处在于生长的石墨烯的晶格和金属单晶的晶格相匹配。

然而，单纯采用以上方法难以制备出可控性较高的石墨烯阵列。因此提供一种可控性良好，可靠性高的石墨烯阵列的制备方法实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可控石墨烯阵列的制备方法，以提供一种工艺简单、可控性良好且可靠性高的石墨烯阵列的制备方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可控石墨烯阵列的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：提供一SOI衬底及与所述SOI衬底的顶硅层具有相同晶向的硅衬底，将所述顶硅层与硅衬底进行扭转键合，使键合后的顶硅层的晶向与该硅衬底的晶向呈预设夹角，以在键合界面形成具有网格状分布的螺旋位错的位错线；2)去除所述SOI衬底的背衬底及绝缘层以露出所述顶硅层的背表面，刻蚀所述顶硅层的背表面以在各该位错线影响的垂向对应的区域形成凹槽结构，其中，凹槽结构之间具有平台结构；3)在所述各该平台结构表面形成具有石墨烯偏析特性的金属纳米颗粒，然后采用化学气相沉积法在各该金属纳米颗粒表面形成碳-金属固溶体，最后对所述碳-金属固溶体进行降温偏析以完成所述石墨烯阵列的制备。

在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述顶硅层的厚度为5nm～100nm。

在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述预设夹角的角度m为0°＜m≤5°。

优选地，所述网格状位错线为正方形网格状位错线，其中，平行且相邻的两位错线的间距为10nm～200nm。

在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述步骤2)中采用应力选择性化学腐蚀法对所述顶硅层的背表面进行腐蚀，包括采用HF与CrO₃混合溶液进行第一步腐蚀以及采用HF、CH₃COOH及HNO₃混合溶液进行第二步腐蚀的步骤。

在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述步骤3)中采用电子束蒸发技术形成所述金属纳米颗粒。

在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述金属纳米颗粒的直径为10nm～200nm。

在本发明的可控石墨烯阵列的制备方法中，所述金属纳米颗粒为镍纳米颗粒或铜纳米颗粒。优选地，所述步骤3)中，对于镍纳米颗粒，采用5℃/s～15℃/s的降温速度对所述石墨烯进行偏析；对于铜纳米颗粒采用0.1℃/s～1℃/s的降温速度对所述石墨烯进行偏析。