[发明专利]一种激光加热制备外延石墨烯的方法

说明书

本发明提供一种激光加热制备外延石墨烯的方法，具体步骤如下：1)将SiC基板放入激光化学气相沉积设备的沉积腔体，向腔体内通入高纯Ar气，调节腔体内气体压强为1000～10000Pa；2)开启激光照射SiC基板，使基板表面温度以400～600℃/s的速率升温至1500～2000℃，继续照射1～5min；3)调节激光功率，使基板表面温度以100～200℃/s的速率降温至600℃，自然冷却至室温，在SiC基板表面得到外延石墨烯。本发明方法能够快速制备大生长面积外延石墨烯，制备的外延石墨烯具有高导电性，层数可控，晶体质量高的特点。

技术领域

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种激光加热制备外延石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积成的二维六方蜂窝状结构的碳材料，因具有独特的晶体和电子能带结构而拥有非常优异的力学、热学、光学、电学及化学性能。目前，制备石墨烯的方法主要有：机械剥离法、液相或气相解离法、氧化还原法、化学气相沉积法、碳化硅外延法等。其中前几种方法制备的石墨烯重复性和可控性差，石墨烯经常含有内应力。而碳化硅单晶热裂解法可直接在绝缘体上制备大面积、高质量的外延石墨烯，生长后的样品无需进行衬底腐蚀、样品迁移等繁琐的工作，可以直接进行电学测试。这样就降低了在转移过程中引入的缺陷、掺杂等因素的影响。再加上与现有硅平面加工工艺兼容的优点，碳化硅外延法成为微电子器件领域最有前景的石墨烯制备方法之一。

石墨烯用作导电膜、电极材料等通常希望其具有高导电性和稳定性，有报道在SiC上生长n型石墨烯，将薄层电阻降低至1.5Ω/sq，极少有研究报道石墨烯的薄层电阻低于1Ω/sq。

通过激光照射在SiC上制备外延石墨烯(EG)，包括脉冲激光和连续激光两种激光类型。在采用脉冲激光时，较高的能量能量密度会产生非平衡电子温度，该温度最终会通过使材料快速电离并产生库仑爆炸而造成破坏。通常结果是，使用脉冲激光制造的石墨烯通常质量较低(D/G面积比约为1.0)。在使用连续激光器时，长波长激光器通常功率不足，因此光斑面积很小(3～4mm²)，而短波长激光器会聚得如此之多，结果光斑面积是一个超小斑点区域(10^-6mm²)；因此，需要选择合适的连续激光波长以制备较大面积的EG。此外，在外延生长石墨烯之前通常需要对衬底进行氢气刻蚀，借此来除去样品表面的划痕等。但是合适的刻蚀氢气的浓度、压力、时间很难控制，因而刻蚀速度、刻蚀质量难以保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种激光加热制备外延石墨烯的方法，制备过程不需要氢气预刻蚀，能够快速制备大生长面积外延石墨烯，与半导体工艺兼容，并且制备的外延石墨烯具有高导电性(方阻0.43～0.75Ω/sq)，层数可控(3层以上)的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种激光加热制备外延石墨烯的方法，具体步骤如下：

1)将清洗干净的SiC基板放入激光化学气相沉积设备的沉积腔体，向腔体内通入高纯Ar气，调节腔体内气体压强为1000～10000Pa；

2)开启激光照射SiC基板，使基板表面温度以400～600℃/s的速率升温至1500～2000℃，继续照射1～5min；

3)调节激光功率，使基板表面温度以100～200℃/s的速率降温至600℃，关闭激光，停止通入Ar，打开真空泵抽气，保持腔体的真空度为1～10Pa，自然冷却至室温，在SiC基板表面得到外延石墨烯。

按上述方案，步骤1)所述SiC基板为SiC单晶基板。

按上述方案，步骤1)所述Ar气纯度为99.999％以上，Ar气的流速为200～2000sccm。