本發明專利技術公開了一種基于AlN襯底的石墨烯CVD直接外延生長方法，采用III-V族化合物半導體AlN作為襯底，通過對AlN襯底進行合理的預處理，調節生長壓力，流量以及溫度，在AlN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯無需轉移過程，便可以直接用于制造各種器件，提高了器件的電學特性，可靠性，降低了器件制造的復雜性。可以生長出具有半導體潔凈度的大面積石墨烯材料，單層的可控性超過80％，圓片面積最大可以到8英寸。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于半導體材料制造領域，涉及半導體材料制備的關鍵技術，特別是一種基于III-V族化合物半導體AlN襯底的大面積石墨烯可控外延生長方法，可用于無需轉移的大面積圓片級石墨稀材料的制備。
技術介紹
隨著集成電路的發展，目前硅(Si)基器件的關鍵尺寸已經達到理論和技術極限，量子效應已經成為主要限制機制。石墨烯材料是一種碳基二維晶體，是目前已知最輕最薄的材料，單層僅原子厚度，它具有極其優異的物理化學性質，比如極高的載流子遷移率(理論估計超過200000^1^^,是Si的數百倍)，超強的機械性能(楊氏模量約1000GP)，極高的比表面積和極好的氣敏特性，極高的透明性和柔韌性，而且它與襯底不存在失配問題，可 以與Si基器件工藝完全兼容，具有突出的產業優勢。因此，石墨烯的出現為產業界和科技界帶來曙光，它是最被看好的替代Si成為下一代基礎半導體材料的新材料。盡管石墨烯具有如此優異的性質，但是目前在石墨烯的制備方面仍然存在很多亟待解決的關鍵問題。目前國際上主流的晶圓級石墨烯生長方法是基于過渡金屬催化的CVD法，可用于大面積石墨烯的制備，且不受襯底尺寸的限制，設備簡單。一個最顯著的缺點是必須使用金屬催化襯底，因此很難將石墨烯清潔轉移到其他適用于器件的介質襯底上，并且轉移過程后殘留在石墨烯上的殘留物或污染物將降低石墨烯的遷移率，從而影響石墨烯器件的電學特性。因此，必須突破現有技術的限制，從工藝上大膽突破，探索新的襯底，實現無轉移的大面積潔凈石墨烯生長方法。氮化鋁(AlN)是一種寬禁帶(6. 2eV)半導體材料，具有直接帶隙，可用于深紫外光電器件的制造，AlN基發光二極管的發光波長可達210nm。隨著AlN薄膜異質外延生長技術日益成熟，AlN基超寬禁帶異質結構HEMT器件得到了廣泛的關注，可用于高溫高壓器件。外延AlN薄膜也具有很好的壓電特性，可用于制備表面聲學波傳感器。除此以外，AlN還可以用于光電存儲器的介質層，電子器件的襯底，高熱導的芯片載體，用于移動通信的射頻濾波器等等。總之，AlN是一種很有潛力的半導體材料。石墨烯為六方蜂窩結構，晶格常數為O. 246nm,纖鋅礦AlN也為六方結構，晶格常數為O. 3112nm，二者的晶格失配較小，有效地減弱了石墨烯中的應變。AlN薄膜的表面極化光學聲子能量為83. 60meV, 104. 96meV,能量較高，在室溫下聲子對石墨烯薄膜中載流子的散射作用較弱，可見基于AlN襯底的石墨烯具有很高的電學特性。為了將Al N與石墨烯結合起來，并且無石墨烯轉移過程，以獲得高質量大面積石墨烯材料，有必要研究在AlN襯底上直接進行石墨烯CVD外延生長。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有大面積石墨烯生長技術中的不足，提出一種基于AlN襯底的無需轉移的大面積高質量石墨烯生長方法，以改善石墨烯及器件的電學特性。實現本專利技術的技術關鍵是采用III-V族化合物半導體AlN作為襯底，通過對AlN襯底進行合理的預處理，調節生長壓力，流量以及溫度，在AlN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯無需轉移過程，便可以直接用于制造各種器件，提高了器件的電學特性，可靠性，降低了器件制造的復雜性。其生長方法實現步驟包括如下(I)將AlN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗,每次時間10_30min，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣(99.9999% )吹干。(2)將AlN襯底放入化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10_5-10_6Torr，以去除反應室內的殘留氣體；(3)向反應室內通AH2進行襯底表面預處理，氣體流量l_20sccm，反應室真空度O. Ι-lTorr，襯底溫度 900-1000°C，處理時間 5-lOmin ； (4)向反應室中通入Ar和CH4，保持Ar和CH4的流量比為10 1-2 量 20-200sccm, CH4 流量 l-20sccm,氣壓維持在 O. 2-latm，溫度 1000-1100°C，升溫時間20-60min，保持時間 50_100min ；(5)自然降溫到100°C以下，保持工序(3)中的Ar和CH4流量不變，氣壓O. 2-latm,完成石墨烯的生長。經過以上工序，可以生長出具有半導體潔凈度的大面積石墨烯材料，單層的可控性超過80%，圓片面積最大可以到8英寸。本專利技術具有如下優點I.由于采用AlN作為襯底，生長的石墨烯無需轉移便可以用于器件的制造，提高了器件的可靠性和電學特性。2.由于采用AlN作為襯底，簡化了石墨烯生長步驟和器件制造工藝步驟，降低了石墨烯制造成本。附圖說明圖I是本專利技術的基于AlN襯底的石墨烯生長流程圖；圖2是本專利技術的基于AlN襯底的石墨烯生長過程結構示意圖。具體實施例方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。參照圖1，本專利技術給出如下實施例實施例I :本專利技術的實現步驟如下步驟I，AlN襯底準備。將AlN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗,每次時間lOmin，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣(99.9999% )吹干。步驟2，反應室抽真空。將半導體器件級的AlN襯底置于化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反應室內的殘留氣體。步驟3，AlN襯底表面預處理。向反應室內通入H2進行襯底表面預處理，氣體流量2sccm，反應室真空度O. ITorr，襯底溫度950°C，處理時間5min。步驟4，石墨烯CVD外延生長。向反應室中通入Ar和CH4,保持Ar和CH4的流量比為10 1，Ar流量20sccm，CH4流量2sccm,氣壓維持在O. 5atm,溫度1100°C,升溫時間20min,保持時間80min。步驟5，冷卻過程。 自然降溫到100°C以下，保持工序(3)中的Ar和CH4流量不變，氣壓O. 5atm，完成石墨稀的生長。實施例2 本專利技術的實現步驟如下步驟A，AlN襯底準備。將AlN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗,每次時間20min，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣(99.9999% )吹干。步驟B，反應室抽真空。將半導體器件級的AlN襯底置于化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10_6Torr，以去除反應室內的殘留氣體。步驟C，AlN襯底表面預處理。向反應室內通入H2進行襯底表面預處理，氣體流量5sccm，反應室真空度O. 2Torr，襯底溫度950°C，處理時間lOmin。步驟D，石墨烯CVD外延生長。向反應室中通入Ar和CH4,保持Ar和CH4的流量比為8 1，Ar流量40sccm，CH4流量5sccm,氣壓維持在O. 2atm,溫度1050°C,升溫時間20min,保持時間80min。步驟E，冷卻過程。自然降溫到100°C以下，保持工序(3)中的Ar和CH4流量不變，氣壓O. 2atm，完成石墨稀的生長。實施例3 本專利技術的實現步驟如下步驟一，AlN襯底準備。將AlN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗,每次時間30min，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣(99.9999% )吹干。步驟二，反應室抽真空。將半導體器件級的AlN襯底置于化學氣相淀積本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于AlN襯底的石墨烯CVD直接外延生長方法，其特征在于，采用III？V族化合物半導體AlN作為襯底，通過對AlN襯底進行合理的預處理，調節生長壓力，流量以及溫度，在A1N上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯直接用于制造各種器件。
【技術特征摘要】
1.一種基于AlN襯底的石墨烯CVD直接外延生長方法，其特征在于， 采用III-V族化合物半導體AlN作為襯底，通過對AlN襯底進行合理的預處理，調節生長壓力，流量以及溫度，在AlN上面直接生長石墨烯，無需金屬作為催化劑，生長的石墨烯直接用于制造各種器件。2.如權利要求I所述的石墨烯CVD直接外延生長方法，其特征在于，其生長方法實現步驟包括如下 (1)將AlN襯底先后放入丙酮，乙醇和去離子水中進行清洗，每次時間10-30min，從去離子水中取出襯底，用高純氮氣吹干； (2)將AlN襯底放入化學氣相淀積CVD反應室中，抽取真空至10_5-10_6Torr，以去除反應室內的殘留氣體； (3)向反應室內通入H2進行襯底表面預處理； (4)向反應室中通入Ar和CH4； (5)自然降溫，保持工序(3)中的Ar和QV流量不變，完成石墨烯的生長。3.如權利要求I所述的石墨...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王東，寧靜，韓碭，閆景東，柴正，張進成，郝躍，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：
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