基于4H-SiC襯底選擇性外延生長石墨烯.pdf

1、石墨烯由于具有超高的載流子遷移率以及其它獨特的性質(zhì)，在高速電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出非常大的應(yīng)用潛力。在眾多制備石墨烯的方法中，高溫熱解碳化硅外延石墨烯由于無需襯底轉(zhuǎn)移且與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)勢，被認為是將來大規(guī)模制造石墨烯納米器件最具潛力的方法之一。但是制作石墨烯納米器件的第一步需要通過氧離子干法刻蝕制備出石墨烯納米帶，這一步驟會在石墨烯納米帶的邊緣處引入缺陷以及懸掛鍵，降低了載流子的遷移率，同時光刻使用的化學有機溶劑會在石墨烯晶格中引入

2、新的雜質(zhì)，使器件的性能退化。本論文選題來源于國家科研項目，主要創(chuàng)新點在于提出了一種在碳化硅襯底上特定區(qū)域選擇性生長石墨烯的方法，主要包括在襯底表面淀積一層100nm厚的氮化鋁（AlN）作為覆蓋層，阻止其覆蓋區(qū)域下面的硅原子升華，從而只能在無 AlN覆蓋的特定區(qū)域生長石墨烯，避免了石墨烯與有機化學物質(zhì)的不必要接觸，保證了石墨烯器件的性能，可為后續(xù)制作超高速石墨烯電子器件做探究性鋪墊工作。
　　本文首先闡述了石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)和相關(guān)電學

3、性質(zhì)，總結(jié)當前制備石墨烯的主流方法及它們的優(yōu)缺點，并詳細介紹了表征石墨烯的主要手段。其次，從碳化硅的晶格結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了石墨烯在碳化硅兩種極面的生長機理及外延生長石墨烯的不同工藝條件。本文基于高溫熱解外延生長石墨烯工藝，詳細設(shè)計了在4H-SiC的碳面淀積AlN薄膜并開出圖形窗口的工藝步驟，具體包括了襯底清洗、AlN淀積、光刻以及刻蝕，并得到加工完成之后的光學顯微圖片。最后，基于中科院半導(dǎo)體所材料生長中心的SiC外延生長設(shè)備，探究了在通入

4、氬氣、壓強1mbar的環(huán)境下，溫度范圍從1400℃上升到1600℃對實驗結(jié)果有何影響。借助AFM、SEM和Raman測試對樣品進行表征。結(jié)果顯示在1400℃和1500℃時，AlN薄膜可以有效阻止硅原子的升華，但溫度升高到1600℃以上時，SEM的結(jié)果顯示AlN薄膜出現(xiàn)缺陷，表面出現(xiàn)明顯的空洞，分析可能是由于溫度過高，部分區(qū)域的 AlN發(fā)生分解，硅原子在此區(qū)域升華逸出，造成了表面缺陷。因此，可推斷本方法在4H-SiC襯底選擇性生長石墨烯的

5、極限溫度為1600℃。同時Raman光譜的結(jié)果顯示，1400℃、壓強1mbar、保溫時間10min的工藝條件無法生長出石墨烯，而隨著生長時間增加到40min，出現(xiàn)了微弱的G峰和2D峰。并且隨著溫度的進一步升高，IG/I2D比值減小，石墨烯的質(zhì)量明顯得到改善。最后測試了石墨烯層的載流子遷移率，得到的結(jié)果為150±20cm2/Vs，分析載流子遷移率較低的原因可能源于刻蝕缺陷導(dǎo)致的邊緣散射以及襯底的無序散射等原因，實驗結(jié)果為我們后續(xù)優(yōu)化實驗工