一種改善非金屬襯底上直接生長的石墨烯質量的方法
【專利摘要】一種改善非金屬襯底上直接生長的石墨烯質量的方法，屬于半導體材料生長領域。首先利用化學氣相沉積法在非金屬襯底上生長一層石墨烯薄膜，再在石墨烯薄膜上濺射一層薄金屬層，將生長有薄金屬層的襯底再次進行石墨烯薄膜的CVD生長，生長完成后去除表面石墨烯薄膜與金屬層。本發明改善了非金屬襯底上直接生長的石墨烯的質量，經過再次催化生長后，石墨烯薄膜的質量和性能均得到了顯著提升。
【專利說明】
一種改善非金屬襯底上直接生長的石墨烯質量的方法
技術領域
:
[0001]本發明涉及一種改善非金屬襯底上直接生長的石墨烯質量的方法，屬于半導體材料生長技術領域。
【背景技術】
:
[0002]2004年，石墨烯被英國曼徹斯特大學的科學家從石墨中分離了出來，在此之前，石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角形呈蜂巢結構的平面薄膜，是一種只有一個碳原子厚度(約0.335nm)的二維材料。作為目前世界上最薄及最堅硬的材料，石墨烯具有許多其它材料不具備的優良性能:室溫下電子迀移率超過15000cm2/V.S，電阻率只有10—6Ω.cm，比銅或銀更低;單層石墨烯對可見光的透射率達到97.7%，即使光波長達到幾個微米，其對光波的吸收作用也是很小的；導熱系數達到5300W/m.k，高于碳納米管(CNT)和金剛石。正是由于石墨烯具有這些優良的特性，近年來受到各領域研究人員的極大關注，與石墨烯相關的研究成果層出不窮，諸如在透明電極、超級電容器、鋰離子電池、生物醫藥等方面，石墨烯的應用已經取得了良好的效果。
[0003]石墨烯在微電子器件中的應用是一個十分有價值的研究領域。現代微電子器件尺寸極小，精密度高，這就對應用于其中的石墨烯的質量提出了嚴苛的要求，因此，如何制備出高質量的石墨烯并將其完整轉移至目標襯底成為了該領域研究人員的重要挑戰。目前石墨烯的制備方法主要包括微機械剝離法、SiC外延法、化學剝離法和CVD法，其中CVD法制備石墨烯操作簡單，制得石墨烯質量高，面積大，已經成為獲得高質量石墨烯的主要方法。目前在非金屬襯底上直接生長的石墨烯質量較差，這是由于含碳氣體的碳氫鍵只有在金屬催化作用下才會斷裂，因此只有在金屬襯底上生長石墨烯才能保證其質量較高。如果將生長在金屬襯底上的石墨烯薄膜轉移至非金屬襯底上，就不可避免的會引入雜質、破洞等非理想因素從而降低薄膜質量。針對這一情況，已有研究人員采用在非金屬襯底上鍍薄金屬層的方法直接生長石墨烯并取得了不錯的結果，但使用這種方法生長的石墨烯質量仍然與實際應用的要求有較大差距。
[0004]本發明以直接生長石墨烯薄膜后的非金屬材料作為樣品，通過磁控濺射的方式在石墨烯表面濺射薄金屬層，再在金屬層表面進行石墨烯的CVD法催化生長，生長完成后去除第二次生長的石墨烯薄膜和金屬層。在二次催化生長石墨烯的過程中，金屬層對第一次生長的石墨烯薄膜(非金屬襯底上)同樣起到了一定的催化作用，使其進行了再次的催化生長。與一般的在非金屬襯底上直接生長石墨烯的方法相比，本發明中的方法能夠明顯改善石墨烯薄膜的質量，對于石墨烯在非金屬襯底上的應用具有重要意義。
【發明內容】
:
[0005]本發明的目的在于提供一種改善非金屬襯底上直接生長的石墨烯質量的方法。在非金屬襯底上直接生長石墨烯可以消除轉移工藝帶來的影響并能顯著改善接觸界面特性，不過由于非金屬襯底對石墨烯的生長不具有催化作用，因此在非金屬襯底上生長的石墨烯薄膜往往質量不高，缺陷較多，達不到應用標準。本發明旨在克服這些缺點。
[0006]本發明提供的一種改善非金屬襯底上直接生長石墨烯質量的方法，該方法的過程如附圖1所示:底部是非金屬襯底材料100，石墨烯101直接生長在非金屬襯底表面，在101表面濺射Cu層102，再催化生長石墨烯103，最后去除102和103;附圖2顯示了再次催化生長前后拉曼光譜對比圖；附圖3顯示了使用本發明進行石墨烯生長后材料的透光率與其它工藝的對比圖；
[0007]本發明中襯底材料可以是能滿足生長過程中工藝水平要求的任何半導體或絕緣材料.
[0008]本發明提供了一種改善非金屬襯底上直接生長石墨烯質量的方法，其特征在于，包括以下工藝步驟:
[0009]步驟1、在非金屬襯底上生長的石墨稀薄膜表面派射一層厚度為500-600nm(優選550nm)的Cu;
[0010]步驟2、將步驟I所得樣品放入CVD反應室中再次進行石墨烯的化學氣相沉積再生長；
[0011 ]步驟3、取出步驟3生長石墨稀后的樣品，使用氧等離子體去除Cu表面的石墨稀，然后再使用FeCl3溶液腐蝕掉Cu。
[0012]本發明中薄金屬層選用Cu進行石墨烯的生長，該金屬材料對石墨烯生長具有良好的催化作用。
[0013]本發明進一步優選在非金屬襯底表面上濺射一層4-5納米厚度的催化劑層，然后再生長石墨烯薄膜。
[0014]本發明步驟2中進行石墨烯的再催化生長時采用化學氣相沉積法，碳源氣體使用甲烷，還原性氣體使用氫氣，保護氣體使用氬氣.
[0015]本發明步驟2中化學氣相沉積法再生長石墨烯的溫度為不造成襯底表面結構破壞并且不使薄金屬層熔化的最高溫度；
[0016]本發明中使用氧等離子體刻蝕去除再生長后的石墨烯薄膜，使用FeCl3溶液去除鍍銅層。
[0017]本發明效果:
[0018]I)有研究表明，通過在非金屬襯底上濺射薄金屬層可以提高所生長石墨烯的質量，但經過測試，其實際質量與應用要求仍有一定差距。為了進一步提高非金屬襯底上直接生長石墨烯的質量，采用了對石墨烯薄膜再催化的方法，經過再次催化生長后的石墨烯缺陷密度降低，質量明顯提高；
[0019]2)與其它生長工藝相比，利用本發明中方法進行再催化生長的石墨烯薄膜具有良好的透光率，這對于石墨烯在光電領域的應用具有重要意義；
[0020]3)本發明中給出的石墨烯再催化方法是一種通用的方法，無論何種襯底上生長的石墨烯薄膜，只要再催化生長時的反應條件不對襯底材料造成破壞，都可以應用本方法來改善石墨烯薄膜的質量，具有很強的靈活性。
【附圖說明】
:[0021 ]圖1:非金屬襯底上石墨烯薄膜再催化生長流程圖；
[0022]圖2:石墨烯再催化生長后拉曼光譜對比圖；
[0023]圖3:石墨烯再催化生長后透光率對比圖。
【具體實施方式】
:
[0024]本發明的實施通過以下實施例給予說明，但并不限于以下實施例。
[0025]實施例1:
[0026]步驟1、清洗同批次的兩片GaN基LED外延片，使用丙酮超聲5分鐘，依次用丙酮、乙醇、王水煮沸，用去離子水清洗，氮氣吹干；
[0027]步驟2、在外延片表面旋涂光刻膠，采用ICP刻蝕技術形成臺階結構暴露出n-GaN層；
[0028]步驟3、PECVD淀積S12，光刻并用BOE進行腐蝕，形成S12阻擋層；
[0029]步驟4、在表面濺射厚度為4-5nm的薄Ni層作為催化層；
[0030]步驟5、將外延片放入CVD反應室內進行同等條件下的石墨烯生長，氬氣流量960sccm、氫氣流量40sccm、甲烷流量40sccm，生長溫度800°C，生長時間5min ；
[OO31 ]步驟6、通過磁控派射在生長有石墨稀的外延片上生長550nm的Cu;
[0032]步驟7、利用步驟5中生長條件進行石墨烯薄膜的再次催化生長；
[0033]步驟8、使用氧等離子體去除表面的石墨烯，使用FeCl3溶液腐蝕銅薄膜；
[0034]步驟9、進行金屬電極蒸鍍(Ni/Au電極)，去光刻膠，剝離電極；
[0035]步驟10、藍寶石襯底減薄至150um，背面鍍金屬反射層；
[0036]步驟11、劃片、裂片；
[0037]利用本發明中的方法在GaN基LED外延片上直接生長石墨烯后再次催化生長，所得石墨烯薄膜用以取代傳統的ITO透明導電膜，步驟5和步驟8完成后分別對GaN基LED外延片進行了拉曼光譜測試，結果如附圖2所示，可以看到石墨烯的拉曼光譜得到了明顯的改善。D峰相對強度明顯降低，說明薄膜中缺陷減少;2D峰增強，說明薄膜從較為無序的狀態變為較為有序的狀態。所以，本發明中提出的再催化方法對于改善非金屬襯底上直接生長的石墨烯質量來說是一種有效的方法。
【主權項】
1.一種改善非金屬襯底上直接生長石墨烯質量的方法，其特征在于，包括以下工藝步驟: 步驟1、在非金屬襯底上生長的石墨稀薄膜表面派射一層厚度為500-600nm的Cu; 步驟2、將步驟I所得樣品放入CVD反應室中再次進行石墨烯的化學氣相沉積再生長；步驟3、取出步驟3生長石墨烯后的樣品，使用氧等離子體去除Cu表面的石墨烯，然后再使用FeCl3溶液腐蝕掉Cu。2.按照權利要求1所述的一種改善非金屬襯底上直接生長石墨烯質量的方法，其特征在于，步驟I在非金屬襯底表面上濺射一層4-5納米厚度的催化劑層，然后再生長石墨烯薄膜。3.按照權利要求1所述的一種改善非金屬襯底上直接生長石墨烯質量的方法，其特征在于，步驟2中進行石墨烯的再催化生長時采用化學氣相沉積法，碳源氣體使用甲烷，還原性氣體使用氫氣，保護氣體使用氬氣。4.按照權利要求1所述的一種改善非金屬襯底上直接生長石墨烯質量的方法，其特征在于，步驟2中化學氣相沉積法再生長石墨烯的溫度為不造成襯底表面結構破壞并且不使薄金屬層恪化的最高溫度。
【文檔編號】C01B31/04GK105836733SQ201610144523
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月14日
【發明人】孫捷, 樊星, 許坤, 郭偉玲, 徐晨, 鄧軍
【申請人】北京工業大學