一種在非金屬襯底上直接生長石墨烯的方法
【技術領域】
:
[0001]本發明涉及一種在非金屬襯底上直接生長石墨烯的方法，屬于半導體材料生長技術領域。
【背景技術】
:
[0002]近年來，作為一種已知最薄及最堅硬的材料，石墨烯憑借著超高的電子迀移率、良好的導熱性、高透光率等特點受到了各領域研宄人員極大的關注。石墨烯是一種具有平面苯環結構的新型二維納米材料，單層石墨烯厚度僅有0.335nm，約一個原子層厚度；由于其零帶隙的能帶結構，室溫下電子迀移率能夠達到光速的1/300，電阻率比銅或銀更低；導熱系數達到5300W/m.k且由于碳原子之間化學鍵的作用，石墨烯的機械強度比鋼都要高100倍。正是由于石墨烯具有這些優良的性能，現在已經應用在晶體管、透明電極、顯示屏、超級電容器、太陽能電池等領域并取得了不錯的效果。隨著研宄的不斷深入，石墨烯在各領域的應用具有光明的前景。
[0003]目前石墨烯的制備方法主要包括微機械剝離法、化學剝離法、SiC外延生長法以及CVD法。其中CVD法制備石墨烯簡單易行，而且所得石墨烯質量高，面積大，目前已經成為制備高質量石墨烯的主要方法。然而這種方法存在一種顯而易見的弊端，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CVD法只能將石墨烯生長在金屬襯底上，有研宄表明在非金屬襯底上直接生長的石墨烯質量較差。如果將石墨烯從金屬襯底上轉移至非金屬襯底加以利用就需要采取一些特殊方法，而轉移過程不可避免要引入一些非理想因素，比如褶皺、破洞、雜質等，這些都會對器件的電學性能有影響，除此之外，轉移的石墨烯往往也難以與非金屬襯底形成良好的歐姆接觸。為了克服這些在石墨烯轉移過程中引入的非理想因素，許多研宄人員直接在非金屬襯底上進行石墨烯的CVD法生長，但研宄表明這種方法并不理想，所生長的石墨烯質量很低甚至無法生長。
[0004]本發明通過先在非金屬襯底表面濺射一層薄金屬層，再直接在非金屬襯底表面進行石墨烯的CVD法生長。這里的薄金屬層既可以對石墨烯進行催化生長，又能夠與非金屬襯底形成歐姆接觸。這種方法不但避免了任何由于轉移而引入的非理想因素，而且與傳統的直接生長方式相比，該方法在提高了石墨烯質量的基礎上又獲得了石墨烯與襯底之間較為理想的接觸特性，從而同時解決了非金屬襯底上生長石墨烯的兩大問題。
【發明內容】
:
[0005]本發明的目的在于提供一種在非金屬襯底上直接生長石墨烯的方法。傳統上石墨烯需要在金屬襯底上生長后再轉移到非金屬襯底上，而轉移過程又會對石墨烯的質量產生影響，即便完整轉移了石墨烯，其與襯底之間的接觸特性也往往較差；另一方面，非金屬襯底上直接利用CVD法生長石墨烯材料是相當困難的，所生長的石墨烯缺陷較多。本發明旨在克服這些缺點；
[0006]本發明提供的一種在非金屬襯底上直接生長石墨烯的方法，該方法的過程如附圖I所示:底部是非金屬襯底材料100，襯底材料上濺射薄金屬層101，石墨烯102直接生長在金屬層表面；附圖2顯示了在GaN基LED外延片上直接生長石墨烯后樣品的結構，從下到上依次包括有藍寶石襯底201、GaN緩沖層202，n-GaN層203、InGaN層204、p-AlGaN層205、ρ-GaN層206、金屬Ni層207、石墨稀薄膜208 ;附圖3顯示了使用本發明進行石墨稀生長后材料的拉曼測試光譜圖；
[0007]本發明采用派射方式在非金屬襯底上沉積薄金屬層，金屬層厚度1-1Onm;
[0008]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；
[0009]本發明中薄金屬層選用Cu、Ni或Pt材料進行石墨烯的生長，這些金屬材料對石墨稀生長具有催化作用，可依據襯底進行選擇；Cu、Ni或Pt材料可以選擇藍寶石、GaN、S1；^t為襯底。
[0010]本發明中進行石墨烯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；
[0011]本發明中化學氣相沉積法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；
[0012]本發明提供了一種在非金屬襯底上直接生長石墨烯的方法，其特征在于，包括以下工藝步驟:
[0013]步驟1、對非金屬襯底表面進行清洗，用氮氣吹干；
[0014]步驟2、在非金屬襯底表面派射一層1-1Onm納米厚的薄金屬層；
[0015]步驟3、將生長了薄金屬層的襯底放入CVD反應室直接進行石墨烯的化學氣相沉積生長。
[0016]本發明效果:
[0017]I)目前在非金屬襯底上進行石墨烯的生長需要先將石墨烯生長在金屬襯底上，再通過轉移的方法將其轉移到目標襯底上。這種方法關鍵的缺陷是轉移過程中的非理想因素，即石墨烯的完整性可能被破壞從而進一步影響所制造器件的性能。通過在非金屬襯底上濺射一層幾納米厚的金屬層，就可以直接在非金屬襯底上進行石墨烯的生長，有效地避免了轉移過程可能帶來的問題，極大地簡化了工藝流程；
[0018]2)根據非金屬襯底的不同，選擇一種合適的金屬在其表面進行濺射。使所選擇的金屬盡可能的與襯底具有良好的接觸特性，這樣可以極大的改善石墨烯與襯底之間的電學特性，這種電學特性的優劣對接下來所制造器件的電學性能具有重要的影響；
[0019]3)與傳統的非金屬襯底直接生長石墨烯的方法相比，利用本發明中提出的方法生長的石墨烯具有較低的缺陷密度與較少的層數。
[0020]4)本發明中給出的石墨烯生長方法是一種通用的方法，直接生長石墨烯所用的襯底只要滿足后續工藝的要求即可，該方法具有很強的靈活性。
【附圖說明】
:
[0021]圖1:非金屬襯底直接生長石墨烯薄膜流程圖；
[0022]圖2:GaN基LED外延片直接生長石墨稀后樣品結構圖；
[0023]圖3:GaN基LED外延片直接生長石墨烯后拉曼光譜圖；【具體實施方式】:
[0024]本發明的實施通過以下實施例給予說明。
[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、在表面派射厚度為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 ；
[0031]步驟6、進行金屬電極蒸鍍(Ni/Au電極)，去光刻膠，剝離電極；
[0032]步驟7、藍寶石襯底減薄至150 μ m，背面鍍金屬反射層；
[0033]步驟8、劃片、裂片；
[0034]利用本方法在GaN基LED外延片上直接生長石墨烯薄膜取代傳統的ITO透明導電膜，步驟5完成后對GaN基LED外延片進行了拉曼光譜測試，結果如附圖3所示，表面濺射Ni層的樣品存在明顯的D峰、G峰與2D峰，表明石墨烯成功生長在外延片表面；D峰峰值較大，2D/G數值偏小，表明制備的石墨烯薄膜層數較多且有一定得結構缺陷，需要對該方法進行進一步的改良和優化，經測試，石墨烯薄膜方塊電阻約為50k歐姆/方塊。這樣的實驗結果充分表明了本發明克服了傳統直接生長方法的缺陷，通過濺射薄金屬層實現了在非金屬襯底上直接生長較高質量的石墨烯薄膜的目標。
【主權項】
1.一種在非金屬襯底上直接生長石墨烯的方法，其特征在于，包括以下工藝步驟: 步驟1、對非金屬襯底表面進行清洗，用氮氣吹干； 步驟2、在非金屬襯底表面派射一層1-1Onm厚的薄金屬層； 步驟3、將生長了薄金屬層的襯底放入CVD反應室直接進行石墨烯的化學氣相沉積生長。
【專利摘要】一種在非金屬襯底上直接生長石墨烯的方法，屬于半導體材料生長技術領域。目前在非金屬襯底上進行石墨烯的生長需要先將石墨烯生長在金屬襯底上，再通過轉移的方法將其轉移到目標襯底上。這種方法關鍵的缺陷是轉移過程中的非理想因素，即石墨烯的完整性可能被破壞從而進一步影響所制造器件的性能。通過在非金屬襯底上濺射一層幾納米厚的金屬層，就可以直接在非金屬襯底上進行石墨烯的生長，有效地避免了轉移過程可能帶來的問題，極大地簡化了工藝流程。
【IPC分類】H01L21/205, H01L33/40
【公開號】CN104900497
【申請號】CN201510331057
【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
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年6月15日