基于AlN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102903618A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102903618A(43)申请公布日2013.01.30(21)申请号201210408354.0(22)申请日2012.10.22(71)申请人西安电子科技大学地址710065陕西省西安市雁塔区太白南路2号(72)发明人王东宁静韩砀闫景东柴正张进成郝跃(51)Int.Cl.H01L21/205(2006.01)权利要求书权利要求书1页1页说明书说明书44页页附图附图22页(54)发明名称基于AlN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件(57)摘要本发明公开了一种基于AlN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法，采用III-V族化合物半导体AlN作为衬底，通过对AlN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，在AlN上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯无需转移过程，便可以直接用于制造各种器件，提高了器件的电学特性，可靠性，降低了器件制造的复杂性。可以生长出具有半导体洁净度的大面积石墨烯材料，单层的可控性超过80％，圆片面积最大可以到8英寸。CN1029368ACN102903618A权利要求书1/1页1.一种基于AlN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，采用III-V族化合物半导体AlN作为衬底，通过对AlN衬底进行合理的预处理，调节生长压力，流量以及温度，在A1N上面直接生长石墨烯，无需金属作为催化剂，生长的石墨烯直接用于制造各种器件。2.如权利要求1所述的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，其生长方法实现步骤包括如下：(1)将A1N衬底先后放入丙酮，乙醇和去离子水中进行清洗，每次时间10-30min，从去离子水中取出衬底，用高纯氮气吹干；(2)将AlN衬底放入化学气相淀积CVD反应室中，抽取真空至10-5-10-6Torr，以去除反应室内的残留气体；(3)向反应室内通入H2进行衬底表面预处理；(4)向反应室中通入Ar和CH4；(5)自然降温，保持工序(3)中的Ar和CH4流量不变，完成石墨烯的生长。3.如权利要求1所述的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，向反应室内通入H2进行衬底表面预处理，气体流量1-20sccm，反应室真空度0.1-1Torr，衬底温度900-1000℃，处理时间5-10min。4.如权利要求1所述的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，向反应室中通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比为10∶1-2∶1，Ar流量20-200sccm，CH4流量1-20sccm，气压维持在0.2-1atm，温度1000-1100℃，升温时间20-60min，保持时间50-100min。5.如权利要求1所述的石墨烯CVD直接外延生长方法，其特征在于，自然降温到100℃以下，保持工序(3)中的Ar和CH4流量不变，气压0.2-1atm，完成石墨烯的生长。6.一种利用权利要求1所述的基于AlN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法制造的器件。2CN102903618A说明书1/4页基于AlN衬底的石墨烯CVD直接外延生长方法及制造的器件技术领域[0001]本发明属于半导体材料制造领域，涉及半导体材料制备的关键技术，特别是一种基于III-V族化合物半导体AlN衬底的大面积石墨烯可控外延生长方法，可用于无需转移的大面积圆片级石墨烯材料的制备。技术背景[0002]随着集成电路的发展，目前硅(Si)基器件的关键尺寸已经达到理论和技术极限，量子效应已经成为主要限制机制。石墨烯材料是一种碳基二维晶体，是目前已知最轻最薄的材料，单层仅原子厚度，它具有极其优异的物理化学性质，比如极高的载流子迁移率(理论估计超过200000cm2V-1s-1，是Si的数百倍)，超强的机械性能(杨氏模量约1000GP)，极高的比表面积和极好的气敏特性，极高的透明性和柔韧性，而且它与衬底不存在失配问题，可以与Si基器件工艺完全兼容，具有突出的产业优势。因此，石墨烯的出现为产业界和科技界带来曙光，它是最被看好的替代Si成为下一代基础半导体材料的新材料。[0003]尽管石墨烯具有如此优异的性质，但是目前在石墨烯的制备方面仍然存在很多亟待解决的关键问题。目前国际上主流的晶圆级石墨烯生长方法是基于过渡金属催化的CVD法，可用于大面积石墨烯的制备，且不受衬底尺寸的限制，设备简单。一个最显著的缺点是必须使用金属催化衬底，因此很难将石墨烯清洁转移到其他适用于器件的介质衬底上，并且转移过程后残留在石墨烯上的残留物或污染物将降低石墨烯的迁移率，从而影响石墨烯器件的电学特性。因此，必须突破现有技术的限制，从工艺上大胆突破，探索新的衬底，实现无转移的大面积洁净石墨烯生长方法。[0004]氮化铝(AlN)是一种宽禁带(6.2