[发明专利]一种在大直径6H/4H-SiC硅面和碳面双面同时生长石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在大直径6H/4H-SiC硅面和碳面双面同时生长石墨烯的方法，属于微电子材料技术领域。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有优异的电学、热学和力学性能，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用，在工业、电力行业及电子产业都有极大的应用前景。

石墨烯独特的二维蜂窝状结构，决定了其独特的性质。石墨烯在力学、光学、热学和电学等方面，均有优异的特性。力学方面，石墨烯是现今世界上硬度和强度最大的材料，比金刚石还要坚硬，强度比钢铁还要高100倍，其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和l.0Tpa，伸缩弹性达20％。光学方面，石墨烯在近红外和可见光波段具有极高的光透过率，单层石墨烯光透过率为97.7％，五层石墨烯的光透过率也可达90％左右。热学方面，实验证明单层石墨烯在室温条件下的热导率最高可达5000Wm^-1K^-1，超过了碳纳米管和金刚石，是室温下铜的导热率(401Wm^-1K^-1)的10倍。电学方面，石墨烯导电性能比金还要强；在常温下，石墨烯电子迁移率可达到200,000cm²V^-1s^-1，甚至更高，约为现今常用的硅材料的140倍，电导率可达10⁶S/m，面电阻约为31Ω/sq，并且能在室温下产生量子霍尔效应。除此之外，石墨烯面密度为0.77mg/m²，其理论比表面积可达2630m²/g。

石墨烯的优异特性决定了其在各领域广阔的应用前景。光电器件方面，可以利用石墨烯制备透明导电薄膜，透明导电薄膜透光率为80％以上，且其方块电阻仅为10²Ω/sq，光电转化效率在空气中可达1.4％，而且在机械强度和柔韧度方面比常用的氧化铟锡材料更好。储能器件方面，石墨烯储氢量可达1.7wt.％；石墨烯制作的锂电池储能密度能够达到160Wh/kg，功率密度将近100kW/kg；石墨烯制作的超级电容器的比电容高达205F/g。生物医药方面，已经被应用于活细胞成像、药物载体、生物分子检测等方面。石墨烯还具备较高的抗腐蚀性，利用石墨烯制作金属保护膜，可以有效地降低金属的腐蚀速率，甚至阻止空气对金属的氧化作用。半导体电子器件方面，基于石墨烯基底的场效应晶体管和分子检测器已经问世且有较好效果。在石墨烯上，整流栅电极可以相隔几纳米放置，这样沟道更短而且传输更快。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。石墨烯优异的性能使其具有重大的理论研究价值和广阔的应用前景。

石墨烯的制备方法分为物理方法和化学方法。物理方法主要是液相或气相直接剥离法、机械剥离法；化学方法包括：高温还原、光照还原、溶剂热法、化学氧化—还原法、化学气相沉积法、晶体外延生长法等。目前来看，由于热解SiC方法与当前的Si器件技术最容易匹配，所以它成为最有希望代替现有芯片材料技术的方法。

中国专利文件CN102502592A公开了在4H/6H-SiC碳面外延生长晶圆级石墨烯的方法，通入氢气，对4H/6H-SiC碳面进行氢刻蚀，形成规则的台阶状条纹，通过加热，使得硅原子升华，碳原子以sp²方式在衬底表面重构形成石墨烯。中国专利文件CN102051677A提供了大直径6H-SiC碳面上生长石墨烯的方法，将6H-SiC晶片碳面朝上，抽真空，快速升温至1700-1750℃，通入高纯氩气，然后缓慢升温，保温，完成石墨烯的生长。中国专利文件CN101602503A公开了在4H-SiC硅面上外延生长石墨烯的方法，主要利用CVD炉在4H-SiC硅面上外延生长石墨烯。在900mbar氩气气氛下生长，生长温度约为1600℃。此外，唐军等报道了在6H-SiC硅面上生长石墨烯的方法，采用的设备是分子束外延设备，其方法是样品湿法清洗后，真空下，先在750℃下沉积一层硅，然后升高到1300℃外延生成石墨烯。参见唐军等，退火时间对6H-SiC(0001)表面外延石墨烯形貌和结构的影响，物理化学学报，2010，26(1)，253-258。

迄今为止，在6H/4H-SiC硅面和碳面双面同时生长石墨烯的方法尚未见报道。目前石墨烯生长均在单个晶面上进行，但是单面SiC石墨烯存在着石墨烯覆盖面有限，制成的器件体积不够小，导热性能和器件稳定性有待进一步提高等问题。因此研究SiC晶片上双面生长石墨烯方法具有重要意义。

发明内容