专利名称：由绝缘衬底上超薄六方相碳化硅膜外延石墨烯的方法
技术领域：
本发明属于半导体低维、薄膜材料制备领域，特别
是涉及一种由绝缘衬底上超薄六方相碳化娃膜外延石
烯的方法
背享技术
石墨烯Grap h e n e是种由单层或数层c低于
10o层碳原子组成的薄片， 这样的—维石黑 耍薄片
被证实有许多超强属性，如它的电子在亚微米距离中
以弹道方式输运，不会有任何的散射員有非常吸引
人的导电能力这为制造超性台匕曰 冃匕曰曰体管提供了条件
石黑 歪烯晶体管可以在室温下工作，有预曰石黑 耍烯薄膜
可能最终替代硅，因为石黑 蛮烯晶体管比娃管更高效，
更快而耗能更低
石墨烯女厶半导体行业带来了 一个新的机遇当未来6 5、4 5 nm甚至3 2 nm的硅制程不能细足半导
体工业需求的时候，或许就应该由石墨烯来替代它
巨前的挑战在于如何使这种薄膜成本低廉及适于大规
模应用有两种典型的石墨烯制备方法，一种是用机
械方法从高取向的热解炭中刮擦出单层或数层石黑 歪烯
薄片(K.S. Novoselov， science,2 0 0 4)。另
种方法是以热蒸发方式从六方相的碳化硅单晶表面蒸
发掉一层或数层(低于l Q 0层)硅原子，以此外延
出石墨烯(C. Berger， science, 20 0 6 )0 两种方
法比较起来，后 一 种方法有利于制备大规模石墨烯，
并且它与当前硅平面工艺相兼容，因而有望在半导体
行业中得到应用。但是后 一 种方法要使用价格昂虫 贝的
碳化硅半绝缘衬底，这使得外延石墨烯的成本过咼，
另外，碳化硅衬底与石墨烯之间的相互作用，制约了
石墨稀的器件性育g ( F. Varchon， Physica1 Rev i
Letters ,2 0 0 7)。
综合上述石墨烯制备方法的利弊，本发明提出了
一种新的外延石墨烯制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供 一 种二维外延石墨炼的制
备方法该方法外延石墨烯不依赖于昂贵的半绝缘碳化硅衬底，而是由廉价易得的绝缘六方相单晶衬底通
过外延超薄碳化娃层制备。
本发明的另—巨的在于提供 一 种二维外延石墨烯
的制备方法，该方法的衬底完全绝缘，外延石墨烯的
电性能不受衬底制约
本发明的又巨的在于提供 一 种二维外延石墨烯
的制备方法，该方法外延石墨烯的层数由超薄碳化硅
膜的碳娃双原子层数决定，可根据需要设计石墨烯的
层数
本发明采用的技术方案是
本发明提供种由绝缘衬底上超薄六方相碳化硅
膜外延石黑 歪烯的方法，其特征在于，包括如下步骤
步骤1:取绝缘衬底
步骤2:采用氢气对绝缘衬底进行高温刻蚀预处
理，用于去除表面划痕等缺陷，将表面刻蚀平整；
步骤3:对绝缘衬底进行高温氮化处理，用于活
化外延表面，使后续碳化硅易于附着在衬底表面且与
衬底保持相同曰 曰曰向关系
步骤4:在绝缘衬底上外延六方相单晶态碳化硅，
步骤5:将碳化娃中的硅原子蒸发掉，完成在绝缘衬底上制备石黑 蛮烯
7中绝缘衬底为单晶态，具有六方相结构，绝缘
衬底的外延面为C(0001)面或R(11^2)面。
苴 乂 、中在绝缘衬底上外延碳化硅是采用高温化学气
相沉积方法外延，该碳化硅是超薄层。w 。苴 、中绝缘衬底进行高温氮化处理时是采用NH3或
丄N 2中绝缘衬底外延碳化硅时，采用惰性气体为载
气
其中绝缘衬底外延碳化硅时，采用含碳和硅原子
的单反应物为先驱体。
中绝缘衬底外延碳化硅时，采用碳源和硅源混
合反应物为先驱体。
中绝缘衬底外延碳化硅时，采用 HC1或含氯元
素的娃源为夕卜延生长时的刻蚀性先驱体。
中绝缘衬底外延碳化硅为单晶态，六方相结构，
厚度为i10 O个碳硅双原子层厚。
其中将碳化硅中的硅原子蒸发掉是采用热蒸发的
方法
其中执 八"菡 i、、、发温度为1100 1 8 00 。C，气压
为i0- 910 —4帕，时间为0 . 2 5小时。
本发明有的有益效果是
81)外延石黑 变烯不依赖于昂贵的半绝缘碳化娃
衬底，而是由廉价易得的绝缘六方相单晶衬底通过外
延超薄碳化硅层制备
2)衬底兀全绝缘，外延石墨烯的电性能不受
衬底制约
c3)外延石黑 耍烯的层数由超薄碳化硅膜的碳娃
双原子层数决定，可根据需要设计石墨烯的层数。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合
实施及附图详细说明如后，其中
图1是本发明使用的绝缘衬底示意图2是本发明外延碳化硅超薄层的装置；示意图3是本发明的碳化硅超薄层示意图4是本发明外延石墨烯的装置示意图5是本发明的外延石墨烯示意图
图中:
10、绝缘衬底
20、 衬底托
30、进气□
40、出气□
950 、化学气相外延装置
60 、超薄层碳化娃
70 、石黑 歪烯
員体实施方式
本发明由绝缘衬底上超薄六方相碳化硅膜制备外
延石黑 耍烯，包括以下步骤
1)如图1所示，准备绝缘衬底1 o ，化学抛光
外延生长表面，采用标准的半导体晶片清洗工艺清洗
干净，外延表面没有沾污；
2)如图2所示，采用化学气相外延装置50 (为
现有的装置)，进行碳化硅超薄层的高温化学气相沉积
外延生长。将绝缘衬底1 0置于绝缘衬底托20上，
往进气□ 3 0通入氢气，出气口4 0接排空系统，绝
缘衬底1 0表面升温到指定温度，对绝缘衬底1 0进
行氢气刻蚀，此时表面划痕等缺陷被刻蚀清除，外延
表面更加平整
3)往进气口3 0通入氨气(或氮气)，出气口4
0接真空系统，维持生长腔内指定压力，绝缘衬底1
0表面升温到指定温度，对绝缘衬底1 0进行氮化处
理，此时外延表面充分活化，后续碳化硅双原子层易
于附着在衬底表面且与衬底具有相同晶向关系4关闭氨气(或氮气)，保持通惰性气体(如氢
气)，出气口4 0接真空系统，维持生长腔内指定压力，
绝缘衬底10表面升温到指定温度，同时通入碳源和
娃源气体进行超薄层碳化硅6 0外延生长，若所用硅
源气体不含—* 虱兀素则通入HC 1对外延缺陷进行原位刻
蚀消除生长完成后如图3所示；
5如图4所示，关闭所有气体，出气口 4 0接
真空系统，维持生长腔内指定压力，绝缘衬底1 0表
面升温到指定温度，保温 一 段时间后，绝缘衬底1 0
表面外延的碳化硅6 0全部转化为石墨烯7 0 ，所得
石墨烯为——维晶态结构，生长完成后如图5所示。
实施例1
采用单曰 曰曰石'基片(a -AI2O3 )绝缘衬底1
0)，cc000 1表面经过化学抛光处理，清洗干
净后放入生长炉中，通入氢气对单晶蓝宝石基片表面
进行刻蚀抛光，刻蚀时氢气流量为3 000s c c m，单
晶拔 JUL宝石基片表面温度为i350 °C ，生长室压力为
常压，刻蚀30分钟刻蚀兀后衬底表面在显微镜下
可以看到原子级的平整度，没有划痕等缺陷。然后通
入氨气对单曰 曰曰始:玉-石基片表面进行氮化处理，氮化时
氨气流量为1s c cm，单曰 曰曰蓝宝石基片表面温度为15
110 0 °C ，生长室压力4 0托，氮化处理1 0分钟。保 持通入氢气，关闭氨气，同时通入C3H8和SiHCl3进行 超薄层碳化硅外延生长，生长时单晶蓝宝石基片表面 温度为l 5 0 0 °C，生长室压力l 0—2帕，C3H8和
siHC13流量分另ij为0 . 1 sccm禾口 0 . 3 sccm，生长时间
5分钟制备的碳化硅与衬底具有相同的晶型及晶向关系。关闭所有气体，保持单晶蓝宝石基片表面温度
为1 500。C，将生长室压力调整为i o 一7巾卩1 ，保持3
0分钟，即可将外延的碳化硅全部转化为二维曰 曰曰态的
石墨炼
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非
用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识
者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作扭许的
更动与润饰因此本发明的保护范围当视本发明的权
利要求的范围所界定的为准。
1权利要求
1、一种由绝缘衬底上超薄六方相碳化硅膜外延石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1取一绝缘衬底；步骤2采用氢气对绝缘衬底进行高温刻蚀预处理，用于去除表面划痕等缺陷，将表面刻蚀平整；步骤3对绝缘衬底进行高温氮化处理，用于活化外延表面，使后续碳化硅易于附着在衬底表面且与衬底保持相同晶向关系；步骤4在绝缘衬底上外延六方相单晶态碳化硅；步骤5将碳化硅中的硅原子蒸发掉，完成在绝缘衬底上制备石墨烯。
2 、根据权利要求1所述的由绝缘衬底上超薄六 方相碳化硅膜外延石墨烯的方法，其特征在于，其中 绝缘衬底为单晶态，具有六方相结构，绝缘衬底的外延面为C(O 0 0 1)面或R(l 122)面。
3 、根据权利要求1所述的由绝缘衬底上超薄六 方相碳化硅膜外延石墨烯的方法，其特征在于，其中 在绝缘衬底上外延碳化硅是采用高温化学气相沉积方 法外延，该碳化硅是超薄层。
4、根据权利要求1所述的由绝缘衬底上超薄六方相碳化硅膜外延石黑 耍烯的方法，其特征在于，g巾绝缘衬底进行高温氮化处理时是采用NH3或N2。
5、根据权利要求1所述的由绝缘衬底上超薄六方相碳化桂膜外延石黑 歪烯的方法，其特征在于，g巾绝缘衬底外延碳化硅时采用惰性气体为载气。
6、根据权利要求1所述的由绝缘衬底上超薄六方相碳化娃膜外延石黑 耍烯的方法，其特征在于，其中绝缘衬底外延碳化硅时，采用含碳和硅原子的单反应物为先驱体
7、根据权利要求1所述的由绝缘衬底上超薄六方相碳化娃膜外延石黑 耍烯的方法，其特征在于，其中绝缘衬底外延碳化娃时，采用碳源和硅源混合反应物为先驱体
8、根据权利要求1所述的由绝缘衬底上超薄六方相碳化娃膜外延石黑 蛮烯的方法，其特征在于，3巾绝缘衬底外延碳化硅时，采用HC1或含氯元素的硅源为外延生长时的刻蚀性先驱体。
9、根据权利要求1所述的由绝缘衬底上超薄六方相碳化娃膜外延石黑 歪烯的方法，其特征在于，其巾绝缘衬底外延碳化娃为单晶态，六方相结构，*厚度为1100个碳硅双原子层厚。
10 、根据权利要求1所述的由绝缘衬底上超薄 六方相碳化硅膜外延石墨烯的方法，其特征在于，其 中将碳化硅中的硅原子蒸发掉是采用热蒸发的方法。
11 、根据权利要求1 1所述的由绝缘衬底上超 薄六方相碳化硅膜外延石墨烯的方法，其特征在于，其中热蒸发温度为l 1 0 0 1 S 0 0°C，气压为l 0 —9 1 0 "巾白，时间为0 . 2 5小时。
全文摘要
本发明一种由绝缘衬底上超薄六方相碳化硅膜外延石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1取一绝缘衬底；步骤2采用氢气对绝缘衬底进行高温刻蚀预处理，用于去除表面划痕等缺陷，将表面刻蚀平整；步骤3对绝缘衬底进行高温氮化处理，用于活化外延表面，使后续碳化硅易于附着在衬底表面且与衬底保持相同晶向关系；步骤4在绝缘衬底上外延六方相单晶态碳化硅；步骤5将碳化硅中的硅原子蒸发掉，完成在绝缘衬底上制备石墨烯。
文档编号C30B29/02GK101492835SQ20081005672
公开日2009年7月29日 申请日期2008年1月24日 优先权日2008年1月24日
发明者刘兴昉, 孙国胜, 曾一平, 李晋闽, 挺 杨, 亮 王, 雷 王, 刚 纪, 赵万顺, 赵永梅 申请人:中国科学院半导体研究所