專利名稱：一種石墨烯的生長(zhǎng)方法以及石墨烯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件與工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯的生長(zhǎng)方法及其襯底。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積法的原理為，氣態(tài)化合物在高溫、催化等作用下生成多種單原子，其中一種或多種單原子相互作用形成新的物質(zhì)并沉積于襯底表面。此法為半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)中最為常見(jiàn)的沉積技術(shù)。III族氮化物主要包括AIN、GaN, InN及其合金。由于其具有良好的光電學(xué)性質(zhì)， 他們已成為新一代半導(dǎo)體器件的代表性材料。作為III族氮化物的典型代表，GaN材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，并與SiC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。石墨烯是組成石墨晶體的基本結(jié)構(gòu)單元，這種單獨(dú)存在的只有一個(gè)原子厚度的二維晶體具有非常獨(dú)特的電性能、導(dǎo)熱性能和光學(xué)性質(zhì)。由于避免電子傳輸過(guò)程中在石墨中層間的散射，電子在常溫下的傳輸速度可達(dá)光速的1/300，遠(yuǎn)高于電子在一般導(dǎo)體中的傳輸速度。目前常用的石墨烯制備方法包括機(jī)械剝離法、微波輔助法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)還原法、超聲法、化學(xué)分散法、化學(xué)氣相沉積法、直接電化學(xué)還原、插層法等。采用現(xiàn)有方法制備的石墨烯在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，都需要轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的襯底上，導(dǎo)致石墨烯與襯底結(jié)合不緊密，無(wú)法形成歐姆接觸；加上轉(zhuǎn)移過(guò)程中不可避免產(chǎn)生的褶皺和破裂，嚴(yán)重影響和限制了石墨烯的應(yīng)用。因此，探索一種可以在功能性襯底上(如GaN)直接長(zhǎng)出石墨烯的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不需要轉(zhuǎn)移石墨烯而直接應(yīng)用目的，使其獨(dú)特的電性能、導(dǎo)熱性能和光學(xué)性質(zhì)獲得較好的體現(xiàn)， 對(duì)實(shí)現(xiàn)石墨烯的廣泛應(yīng)用具有重要價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種III族氮化物襯底的生長(zhǎng)方法及其襯底，能夠避免在轉(zhuǎn)移石墨烯過(guò)程中發(fā)生褶皺和破裂的現(xiàn)象，以及轉(zhuǎn)移的石墨烯和轉(zhuǎn)移的目標(biāo)襯底之間結(jié)合不牢固的問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種石墨烯的生長(zhǎng)方法，包括如下步驟提供 III族氮化物襯底；將所述III族氮化物襯底置于平板加熱器的中心區(qū)域；向III族氮化物襯底表面通入非氧化性氣體；加熱III族氮化物襯底；向III族氮化物襯底表面通入含碳物質(zhì)作為碳源，進(jìn)行石墨烯的生長(zhǎng)；停止通入碳源，持續(xù)通入非氧化性氣體保護(hù)并降溫至室溫。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理為，III族氮化物于一定的溫度加熱后，其表面分子結(jié)構(gòu)發(fā)生受熱分解，部分氮原子結(jié)合成氮?dú)夥肿佣莩?，從而在表面生成一層極薄的III族元素單質(zhì)構(gòu)成的液態(tài)層。當(dāng)通入碳源后，碳源在該溫度下同樣發(fā)生受熱分解并生成單質(zhì)碳，單質(zhì)碳可溶入表面的III族元素液態(tài)層，形成碳元素的飽和溶解態(tài)。當(dāng)停止碳源通入后，在非氧化性氣體保護(hù)下，III族氮化物以恒定速度降溫至室溫，在降溫過(guò)程中，單質(zhì)碳在金屬層中的溶解度逐漸下降從而不斷析出，在III族氮化物表面自組裝形成石墨烯層。作為可選的技術(shù)方案，所述非氧化性氣體的通入速率是150 1500SCCm。作為可選的技術(shù)方案，所述平板加熱器為電爐。作為可選的技術(shù)方案，所述加熱III族氮化物襯底的步驟中，平板加熱器的中心溫度為600 1200 0C ο作為可選的技術(shù)方案，向III族氮化物襯底表面通入含碳物質(zhì)作為碳源，進(jìn)行石墨烯的生長(zhǎng)的步驟中，通入含碳物質(zhì)的持續(xù)時(shí)間為10 lOOmin。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種石墨烯襯底，石墨烯層直接形成于III族氮化物襯底的表面。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用III族氮化物襯底直接生長(zhǎng)石墨烯，無(wú)需在其表面蒸鍍金屬催化劑，避免了在轉(zhuǎn)移石墨烯過(guò)程中發(fā)生褶皺和破裂的現(xiàn)象，以及轉(zhuǎn)移的石墨烯和轉(zhuǎn)移的目標(biāo)襯底之間結(jié)合不牢固的問(wèn)題。以本發(fā)明生長(zhǎng)的石墨烯為基礎(chǔ)，可直接加工各種電子器件結(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了石墨烯電子器件的制備工藝。
具體實(shí)施例方式下面以GaN襯底為例對(duì)本發(fā)明提供的一種石墨烯襯底的生長(zhǎng)方法及其襯底的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說(shuō)明。第一步將GaN襯底放置于石英管內(nèi)，然后將石英管置于電爐中心區(qū)域。第二步以150-1500SCCm的速率，優(yōu)選150sCCm，向石英管內(nèi)通入非氧化性氣體例如氮?dú)?、惰性氣體或者其混合物至少60min后，開始加熱，GaN襯底表面形成由( 單質(zhì)構(gòu)成的液態(tài)薄膜。第三步當(dāng)電爐中心區(qū)域溫度達(dá)到600-1200°C，優(yōu)選為700°C，在非氧化性氣體中通入含碳物質(zhì)作為碳源，反應(yīng)開始進(jìn)行，碳在GaN襯底表面沉積生成石墨烯，此處的含碳物質(zhì)包括但不限于甲烷等氣態(tài)烷類、含氟以及含氯的液態(tài)烷類如二氯甲烷或者三氯甲烷等。第四步反應(yīng)進(jìn)行l(wèi)O-lOOmin，并優(yōu)選20min后，停止通入含碳物質(zhì)，關(guān)閉電爐。繼續(xù)通入非氧化性氣體直至電爐冷卻至室溫。上述制備的石墨烯還可以進(jìn)一步用作襯底，繼續(xù)生長(zhǎng)包括III族氮化物在內(nèi)的各種半導(dǎo)體薄膜并進(jìn)一步形成器件。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯的生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括如下步驟 提供III族氮化物襯底；將所述III族氮化物襯底置于加熱器的中心區(qū)域； 向III族氮化物襯底表面通入非氧化性氣體； 加熱III族氮化物襯底；向III族氮化物襯底表面通入含碳物質(zhì)作為碳源，進(jìn)行石墨烯的生長(zhǎng)； 停止通入碳源，持續(xù)通入非氧化性氣體保護(hù)并降溫至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述非氧化性氣體的通入速率是150 1500sccmo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱器為電爐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱III族氮化物襯底的步驟中，加熱器的中心溫度為600 1200°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，向III族氮化物襯底表面通入含碳物質(zhì)作為碳源，進(jìn)行石墨烯的生長(zhǎng)的步驟中，通入含碳物質(zhì)的持續(xù)時(shí)間為10 lOOmin。
6.一種石墨烯，其特征在于，石墨烯層直接形成于III族氮化物襯底的表面。
全文摘要
一種石墨烯的生長(zhǎng)方法，包括如下步驟提供III族氮化物襯底；將所述III族氮化物襯底置于平板加熱器的中心區(qū)域；向III族氮化物襯底表面通入非氧化性氣體；加熱III族氮化物襯底；向III族氮化物襯底表面通入含碳物質(zhì)作為碳源，進(jìn)行石墨烯的生長(zhǎng)；停止通入碳源，持續(xù)通入非氧化性氣體保護(hù)并降溫至室溫。
文檔編號(hào)C30B29/02GK102181924SQ201110078118
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者任國(guó)強(qiáng), 劉爭(zhēng)暉, 徐科, 徐耿釗, 樊英民, 王建峰, 蔡德敏, 鐘海艦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所, 蘇州納維科技有限公司