SiC熱裂解外延石墨烯的可控制備及性能研究.pdf

1、石墨烯是一種二維六方蜂窩狀結(jié)構(gòu)的新材料。因具有高載流子遷移率、大承載電流密度及雙極型場(chǎng)效應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，石墨烯在微電子器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，成為近年來(lái)國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。碳化硅單晶熱裂解法可制備大面積、高質(zhì)量的外延石墨烯薄膜，該方法無(wú)需轉(zhuǎn)移工藝，且與現(xiàn)有硅平面加工工藝兼容，因而成為微電子器件領(lǐng)域最有前景的石墨烯制備方法之一。本論文以外延石墨烯的熱裂解制備及性能為研究對(duì)象，首先研制了一套外延石墨烯制備系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了外延石墨

2、烯薄膜的可控制備工藝并提出了在溫度、氣流微小擾動(dòng)條件下制備外延石墨烯薄膜的方法，并進(jìn)一步研究了外延石墨烯的液相摻雜、液相插層及光電效應(yīng)。主要的研究結(jié)果如下：
　　1.研制了一套碳化硅熱裂解外延石墨烯薄膜制備系統(tǒng)。該系統(tǒng)最高工作溫度可達(dá)2200℃、背底真空達(dá)3×10-6 Pa，樣品的溫度、氣體流量及腔內(nèi)分壓等工藝參數(shù)可精確調(diào)控，能滿足碳化硅襯底表面的氫氣刻蝕工藝及外延石墨烯可控制備工藝要求，利用該系統(tǒng)制備出了高質(zhì)量的外延石墨烯薄膜。

3、
　　2.研究并獲得了外延石墨烯薄膜形貌和層數(shù)可控的制備方法。研究結(jié)果表明：對(duì)于Si面SiC襯底，通過(guò)控制石墨化溫度可大范圍調(diào)控石墨烯的表面形貌和厚度，通過(guò)對(duì)石墨化時(shí)間的控制，還可進(jìn)一步對(duì)石墨烯薄膜的厚度進(jìn)行微小調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯薄膜形貌和層數(shù)的可控制備，調(diào)控精度達(dá)到0.2個(gè)原子層；對(duì)于 C面 SiC襯底，由于僅通過(guò)對(duì)石墨化溫度和時(shí)間的控制難以生長(zhǎng)出2層以下的石墨烯薄膜，通過(guò)氧等離子刻蝕工藝能有效將石墨烯厚度減薄到單層。

4、>　　3.提出了一種在溫度、氣流微小擾動(dòng)條件下，制備高質(zhì)量、大疇外延石墨烯薄膜的技術(shù)方法。研究結(jié)果表明：采用微小擾動(dòng)生長(zhǎng)方法，石墨烯薄膜的生長(zhǎng)速率大大降低，石墨烯的晶疇尺寸大大增加，電學(xué)性能顯著提升。這主要是由于采用微擾動(dòng)法制備石墨烯時(shí)，在石墨化過(guò)程中 SiC襯底處于一個(gè)相對(duì)密閉的樣品室中，增大了外延區(qū)Si蒸汽分壓，導(dǎo)致石墨烯的生長(zhǎng)速度降低或需要更高的生長(zhǎng)溫度，同時(shí)由于在相對(duì)密閉的空間中，樣品外延表面的溫度更加均勻且避免了氬氣氣流的直接

5、沖刷對(duì)SiC表面C原子重構(gòu)成石墨烯過(guò)程的擾動(dòng)，從而能生長(zhǎng)出具有更高晶體質(zhì)量、更大晶疇、更少缺陷的石墨烯薄膜，使石墨烯薄膜電學(xué)性能得到顯著提升。
　　4.研究了外延石墨烯薄膜的硝酸摻雜效應(yīng)，研究結(jié)果表明：硝酸與 C面 SiC上外延石墨烯的氧化還原反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致石墨烯空穴濃度增加，形成 p型摻雜并降低方阻，與CVD石墨烯的硝酸摻雜效應(yīng)相似。而硝酸與Si面SiC上外延石墨烯的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致明顯不同的摻雜效應(yīng)，形成n型摻雜，并使石墨烯的方阻

6、增加，主要原因在于：由于界面緩沖層的存在，硝酸的氧化還原反應(yīng)釋放出的熱量會(huì)使懸掛鍵上的氧脫附，增強(qiáng)了Si面SiC上的石墨烯與襯底之間的耦合效應(yīng)及載流子散射效應(yīng)，導(dǎo)致 n型摻雜使電子濃度提高同時(shí)散射效應(yīng)的增強(qiáng)使石墨烯的方阻增加。
　　5.針對(duì)Si面SiC襯底提出了一種簡(jiǎn)單、有效的液相氟插層新方法。在室溫、大氣環(huán)境下，通過(guò)氫氟酸、硝酸及鉬混合溶液反應(yīng)生成的中間產(chǎn)物（H2MoF8）與Si面SiC上外延石墨烯之間的插層反應(yīng)，使緩沖層與Si

7、C襯底之間的碳硅鍵斷裂并將氟原子插入到界面中，從而有效去除Si面SiC襯底與外延石墨烯之間的耦合效應(yīng)，并將部分緩沖層轉(zhuǎn)化為石墨烯，使石墨烯的遷移率得到提升。
　　6.系統(tǒng)研究了Si面SiC襯底上外延石墨烯的異常光電效應(yīng)。對(duì)比研究了Si面SiC上的外延石墨烯與C面SiC上的外延石墨烯及轉(zhuǎn)移到SiO2/Si、STO、Si面SiC襯底上的CVD石墨烯的光電效應(yīng)，研究結(jié)果表明：Si面SiC上外延石墨烯具有異常的光電效應(yīng)，在光照下其電流增大