專利名稱：4H-SiC硅面外延生長石墨烯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體材料的制作，具體地說是在 4H-SiC(0001)面外延生長石墨烯制備方法。
背景技術(shù)：
以集成電路為標志的基于硅材料的微細加工技術(shù)造就了當代信息社 會。 一般認為，硅材料的加工極限是10nm線寬。受物理原理的制約，小 于10nm就不太可能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、集成度更高的產(chǎn)品。因此，當前在 硅材料上的技術(shù)進步將顯得越來越困難，人們寄希望于碳基材料的電子 學(xué)。最先引起人們關(guān)注的是碳納米管，它具有高的遷移率，高的熱導(dǎo)率和 良好的電流能力等，但是碳納米管很難并可重復(fù)地結(jié)合到電子器件中去。 2004年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了石墨烯，英文名稱為Gmphene.其良好的物理化 學(xué)特性被學(xué)術(shù)界寄予很高的期望。人們希望它能夠取代硅，成為克服目前 電子器件越來越小所遇到的尺寸極限效應(yīng)。
Gmphene是由單層spS碳原子組成的六角平面晶格結(jié)構(gòu)的材料，它有 著卓越的物理學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)在以下諸方面(l)雙極性電場效應(yīng)強: 僅施加一個外電場，其電荷載流子密度就能夠連續(xù)的從n型轉(zhuǎn)變?yōu)閜型; (2)在狄拉克點附近，電子和空穴表現(xiàn)出如同光子的線性色散的關(guān)系， 在低溫下，電子和空穴的速度接近光在真空速度的三百分之一；(3)室 溫下，Gmphene電子和空穴的遷移率達到2xl0Vm2/ V.s，其數(shù)值高于硅 的10倍，可以說是目前最快的半導(dǎo)體;(4)帶隙可調(diào)。帶隙取決于Graphene 帶的幾何寬度和方向；(5)厚度薄它是碳原子的單層平面材料，厚度 只有一個原子的尺寸，是人類目前發(fā)現(xiàn)的最薄的材料；(6)硬度高由spZ雜化形成的平面六角結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性高，1060GPa的楊氏模量，比鉆石 還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵高100倍；(7)密度小密度僅為 2.2g/cm3; (8)熱傳導(dǎo)性能良好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)達到3000W/nrk?？傊?， 石墨烯是一種以碳原子為基礎(chǔ)的納米級超薄材料，它的優(yōu)點在于它優(yōu)越的 強度和很高的遷移率，同時具有非凡的電子學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)性能。
Graphene具有非常令人驚奇和新穎的物理化學(xué)性質(zhì)，被人們認為是 post-CMOS時代微電子技術(shù)取代硅最有希望的候選材料。這就要求高質(zhì) 量的厚度可控以及特定晶向的Graphene晶圓被放量的制造出來。目前的 制備方法主要有兩種
1. 剝離法從石墨中剝離出微米量級厚度的Gmphene。通過把石墨 浸泡在有機溶劑中，從中剝離出單層的Graphene。優(yōu)點是可以獲得電學(xué) 性能良好的單個器件。缺點生長過程難以控制，且很難獲得大規(guī)模的均 勻一致的樣品。
2. 外延生長法以SiC為襯底，外延生長Graphene。在高真空環(huán)境 下中加熱4H-SiC/6H-SiC的碳面(000T)面或者硅面(0001)面至1600°C 左右，待硅原子充分升華后，表面就留下無定形碳原子層。保持該溫度， 這些碳原子會以s^方式在SiC (0001)面重構(gòu)形成石墨烯。使用這種外 延生長法，雖然可以得到質(zhì)量較高，尺寸較大的Graphene，但卻存在諸 多因素，使得生長的Graphene面積太小，均勻性不高等問題。這些因素 主要包括襯底材料4H-SiC或者6H-SiC，襯底材料的硅面或者碳面，外 延生長工藝參數(shù)包括溫度、壓力、氣流量等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述已有技術(shù)的不足，提出一種在工藝上易于 控制的4H-SiC硅面外延生長石墨烯的方法，通過對外延生長工藝參數(shù)的 優(yōu)化，獲得大面積、均勻性良好的Graphene。實現(xiàn)本發(fā)明的目的技術(shù)方案，包括如下步驟
1) 對4H-SiC (0001)面進行表面清潔處理；
2) 將4H-SiC樣品放置在CVD爐腔中，真空度2.4xl0-6附6w，并通 入流量為60 100 1/min的氫氣，升溫至1400 1500°C，再通入流量為8 12 ml/min丙烷，升溫至1500 1650°C ，在壓力為90 1 OOmbar下保持10 20分鐘，以去除樣品表面劃痕，形成規(guī)則的臺階狀條紋；
3) 把4H-SiC樣品放置在真空度為2.4x10-6勵w的CVD爐腔中，再 通入流量為15 25 1/min的氫氣，升溫至950 1050°C，保持6 10分鐘； 降溫至840 860。C，通入流量為0.5ml/min的硅烷，保持1 5分鐘，以 去除由于氫刻蝕所帶來的表面氧化物；
4) 通入流量為1 3 1/min，壓力為890 910 mbar的氬氣，升溫至 1590 1610°C，持續(xù)30 60分鐘，完成外延石墨烯的生長。


圖1是現(xiàn)有的4H-SiC晶格結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明外延生長石墨烯的工藝流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明采用的4H-SiC樣品來自SiCrstal公司，主要參數(shù)如下參雜 類型為n型，參雜濃度3xlO"/cm3，樣品直徑5.08cm，偏離主軸角度8。， 厚度(380±30)戶，室溫下電阻率小于等于0.025Qcm，其晶格結(jié)構(gòu)如圖1所 示，它具有兩個極面硅面(0001)面和碳面(OOOT)面。在硅面(0001)， 每一個硅原子具有一個懸掛的硅鍵，在碳面(oooT)面，每一個碳原子 具有一個懸掛的碳鍵。在硅面(0001)面和碳面(OOOT)面均可外延生 長石墨烯，但它們的電學(xué)性質(zhì)差別較大。本發(fā)明采用硅面(0001)面外延 生長石墨烯。
參照圖2，本發(fā)明給出以下三個實施例。
實施例1，本發(fā)明在4H-SiC硅面外延生長Graphene的步驟如下 步驟一，去除樣品表面污染物。
對4H-SiC硅面進行表面清潔處理，先使用NH4OH+H202試劑浸泡樣 品IO分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1 + H202試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。 步驟二，在4H-SiC硅面進行氫刻蝕。
把4H-SiC硅面放置在真空度為2.4xl0-6m6"r的CVD爐腔中，并通入 流量為60 1/min的氫氣，升溫至140(TC時，再通入流量為8 ml/min的丙 烷，升溫至150(TC，壓力90mbar，保持10分鐘，降至室溫后取出，以 去除表面劃痕，并形成規(guī)則的臺階狀條紋。
步驟三，去除氫刻蝕產(chǎn)生的表面氧化物。
把4H-SiC硅面放置在真空度為2.4x10-6的CVD爐腔中，并通入 流量為15 1/min的氫氣，升溫至950'C，保持6分鐘，再降溫至84(TC， 通入流量為0.5 ml/min的硅烷，保持1分鐘。
步驟四，外延生長Graphene。
在CVD爐腔中，通入流量為l 1/min，壓力為890 mbar的氬氣，升 溫至15卯。C，保持30分鐘后降至室溫，在4H-SiC硅面外延生長出 Graphene。
實施例2，本發(fā)明在4H-SiC硅面外延生長Graphene的步驟如下 步驟l，去除樣品表面污染物。
對4H-SiC硅面進行表面清潔處理，先使用NH40H+H202試劑浸泡樣 品IO分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1 + H202 試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。
步驟2，在4H-SiC硅面進行氫刻蝕。
把4H-SiC硅面放置在真空度為2.4x10-6m6w的CVD爐腔中，并通入 流量為100 1/min的氫氣，升溫至150(TC時，再通入流量為12 ml/min的 丙烷，升溫至165(TC，壓力100mbar，保持20分鐘，降至室溫后取出， 以去除表面劃痕，并形成規(guī)則的臺階狀條紋。
步驟3，去除氫刻蝕產(chǎn)生的表面氧化物。
把4H-SiC硅面放置在真空度為2.4xl0"m^的CVD爐腔中，并通入 流量為251/min的氫氣，升溫至105(TC，保持10分鐘，再降溫至860"C， 通入流量為0.5 ml/min的硅烷，保持5分鐘。步驟4，外延生長Graphene。
在CVD爐腔中，通入流量為3 1/min，壓力為910 mbar的氬氣，升 溫至1610°C，保持60分鐘后降至室溫，在4H-SiC硅面外延生長出 Graphene 。
實施例3，本發(fā)明在4H-SiC硅面外延生長Graphene的步驟如下 步驟A，去除樣品表面污染物。
對4H-SiC硅面進行表面清潔處理，先使用NH40H+H202試劑浸泡樣 品10分鐘，取出后烘干，以去除樣品表面有機殘余物；再使用HC1 + H202 試劑浸泡樣品10分鐘，取出后烘干，以去除離子污染物。
步驟B，在4H-SiC硅面進行氫刻蝕。
把4H-SiC硅面放置在真空度為2.4xl0-6mtor的CVD爐腔中，并通入 流暈為90 1/min的氫氣，升溫至145(TC時，再通入流量為10 ml/min的丙 烷，升溫至160(TC，壓力96mbar，保持15分鐘，降至室溫后取出，以 去除表面劃痕，并形成規(guī)則的臺階狀條紋。
步驟C，去除氫刻蝕產(chǎn)生的表面氧化物。
把4H-SiC硅面放置在真空度為2.4x10-6附&r的CVD爐腔中，并通入 流量為201/min的氫氣，升溫至100(TC，保持6分鐘，再降溫至85(TC， 通入流量為0.5 ml/min的硅烷，保持2分鐘。
步驟D，外延生長Graphene。
在CVD爐腔中，通入流量為2 1/min，壓力為卯0 mbar的氬氣，升 溫至1600°C，保持45分鐘后降至室溫，在4H-SiC硅面外延生長出 Graphene0
權(quán)利要求
1.一種4H-SiC硅面外延生長石墨烯的方法，包括如下過程1)對4H-SiC(0001)面進行表面清潔處理；2)將4H-SiC樣品放置在CVD爐腔中，真空度2.4×10-6mbar，并通入流量為60～100l/min的氫氣，升溫至1400～1500℃，再通入流量為8～12ml/min丙烷，升溫至1500～1650℃，在壓力為90～100mbar下保持10～20分鐘，以去除樣品表面劃痕，形成規(guī)則的臺階狀條紋；3)把4H-SiC樣品放置在真空度為2.4×10-6mbar的CVD爐腔中，再通入流量為15～25l/min的氫氣，升溫至950～1050℃，保持6～10分鐘；降溫至840～860℃，通入流量為0.5ml/min的硅烷，保持1～5分鐘，以去除由于氫刻蝕所帶來的表面氧化物；4)通入流量為1～3l/min，壓力為890～910mbar的氬氣，升溫至1590～1610℃，持續(xù)30～60分鐘，完成外延石墨烯的生長。
2. —種4H-SiC硅面外延生長石墨烯的方法，包括如下過程1) 對4H-SiC (0001)面進行表面清潔處理；2) 將4H-SiC樣品放置在CVD爐腔中，真空度2.4x10-6m^，并 通入流量為90 1/min的氫氣，升溫至1450°C，再通入流量為10ml/min 丙烷，升溫至1600°C，在壓力為96mbar下保持15分鐘，以去除樣品表面劃痕，形成規(guī)則的臺階狀條紋；3) 把4H-SiC樣品放置在真空度為2.4x10-6m旨的CVD爐腔中， 再通入流量為20 1/min的氫氣，升溫至100(TC，保持6分鐘；降溫至 850°C，通入流量為0.5 ml/min的硅烷，保持2分鐘，以去除由于氫刻蝕所帶來的表面氧化物；4) 通入流量為2 1/min，壓力為900mbar的氬氣，升溫至1600°C， 持續(xù)45分鐘，完成外延石墨烯的生長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種4H-SiC硅面外延生長石墨烯的方法，主要解決4H-SiC硅面外延生長石墨烯時，產(chǎn)生的石墨烯面積太小、均勻性不高的問題其方法是對4H-SiC硅面進行清潔處理，以去除表面有機殘余物和離子污染物；通入氫氣和丙烷，對4H-SiC硅面進行氫刻蝕，以去除表面劃痕，形成規(guī)則的臺階狀條紋；通入硅烷去除氫刻蝕在表面帶來的氧化物；在氬氣環(huán)境下，通過加熱，蒸發(fā)掉硅原子，使得碳原子以sp²方式在表面重構(gòu)形成外延石墨烯。本發(fā)明可應(yīng)用于外延石墨烯材料的制作。
文檔編號C30B29/02GK101602503SQ20091002338
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者張義門, 張玉明, 湯曉燕, 王黨朝, 王德龍, 王悅湖, 輝 郭 申請人:西安電子科技大學(xué)