高结晶质量石墨烯的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高结晶质量石墨烯的制备方法，该方法包括：选取SiC衬底；刻蚀SiC衬底形成台面结构的预刻蚀衬底；在所述预刻蚀衬底上生长3C‑SiC材料；热解3C‑SiC材料，以完成高结晶石墨烯的制备。本发明专利技术通过预刻蚀SiC衬底，有效隔离缺陷间的相互影响，在刻蚀台面上实现完美结晶薄膜；此外，3C‑SiC在[111]方向上原子层排列的方向不变，可以避免台阶束的产生，从而制备出更高质量的石墨烯。

Preparation of high crystalline graphene

【技术实现步骤摘要】
高结晶质量石墨烯的制备方法
本专利技术涉及半导体器件领域，特别涉及一种高结晶质量石墨烯的制备方法。
技术介绍
石墨烯独特的物理化学性质，有望在半导体、光伏、锂电池、生物、医疗、显示器等传统和新兴产业带来革命性进步。科学界及工业界一直探索大规模制备高质量石墨烯的方法。目前制备石墨烯的方法有两大类，第一类就是由上而下，通过破坏石墨层间的范德瓦尔斯力将石墨进行层层剥离，最终获得层数较少或单层的石墨烯，这类方法主要包括机械剥离法、液相剥离法跟氧化-还原法；另一大类是由下而上，通过C原子的聚集重构组成石墨烯薄膜，这类方法主要包括化学气相沉淀法和碳化硅热解法。由于第一类制备方法有制备工艺不稳定、重复性差、产量及效率低、难以实现石墨烯的大面积和规模化生产等原因很难被推广应用于半导体器件制备方面。目前圆晶级石墨烯的制备方法有CVD外延生长法和SiC高温热解法。CVD外延生长法缺点是能源消耗大，获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，大多时候金属衬底上的石墨烯需要进行转移到绝缘介质上(如SiO2等衬底)，再利用其电学特性进行器件制备。因此整个工艺复杂度较高，材料性能损失严重，材料易被污染，也由此带来工艺重复性等一系列问题。SiC高温热解法是在超高真空条件下，通过电子轰击、酸清洗等手段去除单晶4H/6H-SiC衬底上氧化物，再将衬底在真空或保护气体环境下(1250-1450℃)加热，使SiC表面Si原子升华，留下的C原子重构形成石墨烯。就制备器件而言，该方法的优势包括：1)、SiC衬底表面上生长的石墨烯不需要进行繁琐的转移步骤即可应用于器件制造，避免了材料转移过程带来的污染问题。2)、SiC本身为半导体甚至半绝缘体，其禁带宽度大、击穿电场高，在导热率、耐热性、抗辐射以及化学性质稳定等各方面表现良好。作为衬底十分合适。3)、SiC衬底可以使石墨烯产生禁带宽度，有利于提高器件的开关特性。SiC衬底生长石墨烯可直接在整个晶片上利用传统光刻或电子印刷术等技术手段进行器件或电路的刻蚀。整个制备工艺可整合到传统的器件制备工艺以实现大规模生产。但是目前SiC热解法存在石墨烯晶畴尺寸小、不连续、结晶厚度不均匀等问题，限制了该方式制备石墨烯的应用前景。
技术实现思路
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本专利技术提出一种高结晶质量石墨烯的制备方法。具体地，本专利技术一个实施例提出的一种高结晶质量石墨烯的制备方法，包括：选取SiC衬底；刻蚀所述SiC衬底形成台面结构的预刻蚀衬底；在所述预刻蚀衬底上生长3C-SiC材料；热解所述3C-SiC材料，以完成所述高结晶石墨烯的制备。在本专利技术的一个实施例中，所述SiC衬底为4H-SiC衬底或者6H-SiC衬底。在本专利技术的一个实施例中，预刻蚀所述SiC衬底形成台面结构的预刻蚀衬底，包括：在所述SiC衬底形成预刻蚀图形；利用ICP工艺或RIE工艺，在所述SiC衬底刻蚀台面形成台面结构的预刻蚀衬底。在本专利技术的一个实施例中，在所述SiC衬底形成预刻蚀图形，包括：在所述SiC衬底淀积金属及光刻胶；利用标准显影工艺，采用掩膜版，刻蚀所述光刻胶，形成所述预刻蚀图形。在本专利技术的一个实施例中，所述台面结构沿横截面形成的多边形的边长为500μm～5mm，沿纵截面形成的深度为2～4μm。在本专利技术的一个实施例中，所述SiC衬底为4H-SiC衬底，相应地，在所述预刻蚀衬底上生长3C-SiC材料之前，还包括：在所述预刻蚀衬底上同质外延4H-SiC材料，以在所述预刻蚀衬底表面形成晶面为(0001)的4H-SiC层。在本专利技术的一个实施例中，在所述预刻蚀衬底上生长3C-SiC材料，包括：在晶面为(0001)的4H-SiC层表面生长晶面为(111)的3C-SiC材料。在本专利技术的一个实施例中，所述SiC衬底为6H-SiC衬底，相应地，在所述预刻蚀衬底上生长3C-SiC材料之前，还包括：在所述预刻蚀衬底上同质外延6H-SiC材料，以在所述预刻蚀衬底表面形成晶面为(0001)的6H-SiC层。在本专利技术的一个实施例中，在所述预刻蚀衬底上生长3C-SiC材料，包括：在晶面为(0001)的6H-SiC层表面生长晶面为(111)的3C-SiC材料。在本专利技术的一个实施例中，热解所述3C-SiC材料，包括：在1300℃-1500℃温度下，利用SiC外延炉，热解所述3C-SiC材料。本专利技术在传统SiC热解石墨烯的基础上，通过预刻蚀SiC衬底实现大面积、均匀连续、高结晶质量石墨烯的制备；同时为优化石墨烯制备工艺，引入3C-SiC外延层为表面优化缓冲层。本专利技术提高石墨烯的结晶质量首先提高SiC衬底的表面平整度及减少表面缺陷。提高衬底表面的平整度选择3C-SiC进行石墨烯外延。由于4H/6H-SiC晶体在z轴方向上存在转折现象，因此很容易在近(0001)面的晶体表面出现台阶束现象。而3C-SiC在[111]方向上原子层排列的方向不变，可以避免台阶束的产生，从而制备出更高质量的石墨烯。减小表面缺陷有效的方式是通过预刻蚀SiC，有效隔离缺陷间的相互影响，在刻蚀台面上实现完美结晶薄膜。通过以下参考附图的详细说明，本专利技术的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本专利技术的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。附图说明下面将结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细的说明。图1为本专利技术实施例提供的一种高结晶质量石墨烯的制备方法的流程图；图2为一种常用掩模版；图3为本专利技术实施例提供的一种刻蚀SiC衬底的掩膜版；图4a-图4i为本专利技术实施例提供的一种高结晶质量石墨烯的制备方法的工艺示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。实施例一图1为本专利技术实施例提供的一种高结晶质量石墨烯的制备方法的流程图。该方法包括如下步骤：步骤a、选取SiC衬底；步骤b、刻蚀所述SiC衬底形成台面结构的预刻蚀衬底；步骤c、在所述预刻蚀衬底上生长3C-SiC材料；步骤d、热解所述3C-SiC材料，以完成所述高结晶石墨烯的制备.其中，步骤a中所述SiC衬底为4H-SiC衬底或者6H-SiC衬底。其中，步骤b可以包括：步骤b1、在所述SiC衬底形成预刻蚀图形；步骤b2、利用ICP工艺或RIE工艺，在所述SiC衬底刻蚀台面形成台面结构的预刻蚀衬底。进一步地，步骤b1可以包括：步骤b11、在所述SiC衬底淀积金属及光刻胶；步骤b12、利用标准显影工艺，采用掩膜版，刻蚀所述光刻胶，形成所述预刻蚀图形。进一步地，步骤b2中的所述台面结构沿横截面形成的多边形的边长为500μm～5mm，沿纵截面形成的深度为2～4μm。其中，所述SiC衬底为4H-SiC衬底，相应地，对于步骤c之前，还可以包括：在所述预刻蚀衬底上同质外延4H-SiC材料，以在所述预刻蚀衬底表面形成晶面为(0001)的4H-SiC层。进一步地，对于步骤c，可以包括：在晶面为(0001)的4H-SiC层表面生长晶面为(111)的3C-SiC材料。其中，所述SiC衬底为6H-SiC衬底，相应地，对于步骤c之前，还可以包括：在所述预刻蚀衬底上同质外延6H-SiC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高结晶质量石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：选取SiC衬底；刻蚀所述SiC衬底形成台面结构的预刻蚀衬底；在所述预刻蚀衬底上生长3C‑SiC材料；热解所述3C‑SiC材料，以完成所述高结晶石墨烯的制备。

【技术特征摘要】
1.一种高结晶质量石墨烯的制备方法，其特征在于，包括：选取SiC衬底；刻蚀所述SiC衬底形成台面结构的预刻蚀衬底；在所述预刻蚀衬底上生长3C-SiC材料；热解所述3C-SiC材料，以完成所述高结晶石墨烯的制备。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SiC衬底为4H-SiC衬底或者6H-SiC衬底。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预刻蚀所述SiC衬底形成台面结构的预刻蚀衬底，包括：在所述SiC衬底形成预刻蚀图形；利用ICP工艺或RIE工艺，在所述SiC衬底刻蚀台面形成台面结构的预刻蚀衬底。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述SiC衬底形成预刻蚀图形，包括：在所述SiC衬底淀积金属及光刻胶；利用标准显影工艺，采用掩膜版，刻蚀所述光刻胶，形成所述预刻蚀图形。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述台面结构沿横截面形成的多边形的边长为500μm～5mm，沿纵截面形成的深度为2～4μm。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述SiC衬底为4H-SiC衬...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛斌，尹巍，杨文耀，刘文波，夏继宏，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50