專利名稱：一種石墨烯的生長方法以及石墨烯的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件與工藝技術領域，尤其涉及一種石墨烯的生長方法及其襯底。
背景技術：
化學氣相沉積法的原理為，氣態化合物在高溫、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并沉積于襯底表面。此法為半導體工業生產中最為常見的沉積技術。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性質， 他們已成為新一代半導體器件的代表性材料。作為III族氮化物的典型代表，GaN材料的研究與應用是目前全球半導體研究的前沿和熱點，是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，并與SiC、金剛石等半導體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導體材料、第二代GaAs、InP化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。石墨烯是組成石墨晶體的基本結構單元，這種單獨存在的只有一個原子厚度的二維晶體具有非常獨特的電性能、導熱性能和光學性質。由于避免電子傳輸過程中在石墨中層間的散射，電子在常溫下的傳輸速度可達光速的1/300，遠高于電子在一般導體中的傳輸速度。目前常用的石墨烯制備方法包括機械剝離法、微波輔助法、外延生長法、化學還原法、超聲法、化學分散法、化學氣相沉積法、直接電化學還原、插層法等。采用現有方法制備的石墨烯在實際應用時，都需要轉移到相應的襯底上，導致石墨烯與襯底結合不緊密，無法形成歐姆接觸；加上轉移過程中不可避免產生的褶皺和破裂，嚴重影響和限制了石墨烯的應用。因此，探索一種可以在功能性襯底上(如GaN)直接長出石墨烯的技術，實現不需要轉移石墨烯而直接應用目的，使其獨特的電性能、導熱性能和光學性質獲得較好的體現， 對實現石墨烯的廣泛應用具有重要價值。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種III族氮化物襯底的生長方法及其襯底，能夠避免在轉移石墨烯過程中發生褶皺和破裂的現象，以及轉移的石墨烯和轉移的目標襯底之間結合不牢固的問題。為了解決上述問題，本發明提供了一種石墨烯的生長方法，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作為碳源，進行石墨烯的生長；停止通入碳源，持續通入非氧化性氣體保護并降溫至室溫。本發明的實現原理為，III族氮化物于一定的溫度加熱后，其表面分子結構發生受熱分解，部分氮原子結合成氮氣分子而逸出，從而在表面生成一層極薄的III族元素單質構成的液態層。當通入碳源后，碳源在該溫度下同樣發生受熱分解并生成單質碳，單質碳可溶入表面的III族元素液態層，形成碳元素的飽和溶解態。當停止碳源通入后，在非氧化性氣體保護下，III族氮化物以恒定速度降溫至室溫，在降溫過程中，單質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。作為可選的技術方案，所述平板加熱器為電爐。作為可選的技術方案，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作為可選的技術方案，向III族氮化物襯底表面通入含碳物質作為碳源，進行石墨烯的生長的步驟中，通入含碳物質的持續時間為10 lOOmin。本發明進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。本發明的優點在于，采用III族氮化物襯底直接生長石墨烯，無需在其表面蒸鍍金屬催化劑，避免了在轉移石墨烯過程中發生褶皺和破裂的現象，以及轉移的石墨烯和轉移的目標襯底之間結合不牢固的問題。以本發明生長的石墨烯為基礎，可直接加工各種電子器件結構，大大簡化了石墨烯電子器件的制備工藝。
具體實施例方式下面以GaN襯底為例對本發明提供的一種石墨烯襯底的生長方法及其襯底的具體實施方式
做詳細說明。第一步將GaN襯底放置于石英管內，然后將石英管置于電爐中心區域。第二步以150-1500SCCm的速率，優選150sCCm，向石英管內通入非氧化性氣體例如氮氣、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( 單質構成的液態薄膜。第三步當電爐中心區域溫度達到600-1200°C，優選為700°C，在非氧化性氣體中通入含碳物質作為碳源，反應開始進行，碳在GaN襯底表面沉積生成石墨烯，此處的含碳物質包括但不限于甲烷等氣態烷類、含氟以及含氯的液態烷類如二氯甲烷或者三氯甲烷等。第四步反應進行lO-lOOmin，并優選20min后，停止通入含碳物質，關閉電爐。繼續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一步用作襯底，繼續生長包括III族氮化物在內的各種半導體薄膜并進一步形成器件。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種石墨烯的生長方法，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作為碳源，進行石墨烯的生長； 停止通入碳源，持續通入非氧化性氣體保護并降溫至室溫。
2.根據權利要求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.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱器為電爐。
4.根據權利要求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.根據權利要求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作為碳源，進行石墨烯的生長的步驟中，通入含碳物質的持續時間為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作為碳源，進行石墨烯的生長；停止通入碳源，持續通入非氧化性氣體保護并降溫至室溫。
文檔編號C30B29/02GK102181924SQ201110078118
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者任國強, 劉爭暉, 徐科, 徐耿釗, 樊英民, 王建峰, 蔡德敏, 鐘海艦 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所, 蘇州納維科技有限公司