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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件與工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯的生長方法及其襯底。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積法的原理為，氣態(tài)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(zhì)并沉積于襯底表面。此法為半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)中最為常見的沉積技術(shù)。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(xué)性質(zhì)， 他們已成為新一代半導(dǎo)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(yīng)用是目前全球半導(dǎo)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(dǎo)體材料，并與SiC、金剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。石墨烯是組成石墨晶體的基本結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱性能和光學(xué)性質(zhì)。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(dǎo)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(xué)還原法、超聲法、化學(xué)分散法、化學(xué)氣相沉積法、直接電化學(xué)還原、插層法等。采用現(xiàn)有方法制備的石墨烯在實際應(yīng)用時，都需要轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的襯底上，導(dǎo)致石墨烯與襯底結(jié)合不緊密，無法形成歐姆接觸；加上轉(zhuǎn)移過程中不可避免產(chǎn)生的褶皺和破裂，嚴重影響和限制了石墨烯的應(yīng)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(shù)，實現(xiàn)不需要轉(zhuǎn)移石墨烯而直接應(yīng)用目的，使其獨特的電性能、導(dǎo)熱性能和光學(xué)性質(zhì)獲得較好的體現(xiàn)， 對實現(xiàn)石墨烯的廣泛應(yīng)用具有重要價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)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(zhuǎn)移石墨烯過程中發(fā)生褶皺和破裂的現(xiàn)象，以及轉(zhuǎn)移的石墨烯和轉(zhuǎn)移的目標(biāo)襯底之間結(jié)合不牢固的問題。為了解決上述問題，本發(fā)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(qū)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(zhì)作為碳源，進行石墨烯的生長；停止通入碳源，持續(xù)通入非氧化性氣體保護并降溫至室溫。本發(fā)明的實現(xiàn)原理為，III族氮化物于一定的溫度加熱后，其表面分子結(jié)構(gòu)發(fā)生受熱分解，部分氮原子結(jié)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(zhì)構(gòu)成的液態(tài)層。當(dāng)通入碳源后，碳源在該溫度下同樣發(fā)生受熱分解并生成單質(zhì)碳，單質(zhì)碳可溶入表面的III族元素液態(tài)層，形成碳元素的飽和溶解態(tài)。當(dāng)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(zhì)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(shù)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(shù)方案，所述平板加熱器為電爐。作為可選的技術(shù)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(shù)方案，向III族氮化物襯底表面通入含碳物質(zhì)作為碳源，進行石墨烯的生長的步驟中，通入含碳物質(zhì)的持續(xù)時間為10 lOOmin。本發(fā)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(fā)明的優(yōu)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(zhuǎn)移石墨烯過程中發(fā)生褶皺和破裂的現(xiàn)象，以及轉(zhuǎn)移的石墨烯和轉(zhuǎn)移的目標(biāo)襯底之間結(jié)合不牢固的問題。以本發(fā)明生長的石墨烯為基礎(chǔ)，可直接加工各種電子器件結(jié)構(gòu)，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(fā)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(nèi)，然后將石英管置于電爐中心區(qū)域。第二步以150-1500SCCm的速率，優(yōu)選150sCCm，向石英管內(nèi)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(zhì)構(gòu)成的液態(tài)薄膜。第三步當(dāng)電爐中心區(qū)域溫度達到600-1200°C，優(yōu)選為700°C，在非氧化性氣體中通入含碳物質(zhì)作為碳源，反應(yīng)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(zhì)包括但不限于甲烷等氣態(tài)烷類、含氟以及含氯的液態(tài)烷類如二氯甲烷或者三氯甲烷等。第四步反應(yīng)進行l(wèi)O-lOOmin，并優(yōu)選20min后，停止通入含碳物質(zhì)，關(guān)閉電爐。繼續(xù)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(xù)生長包括III族氮化物在內(nèi)的各種半導(dǎo)體薄膜并進一步形成器件。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)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(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)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(qū)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(zhì)作為碳源，進行石墨烯的生長； 停止通入碳源，持續(xù)通入非氧化性氣體保護并降溫至室溫。
2.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(zhì)作為碳源，進行石墨烯的生長的步驟中，通入含碳物質(zhì)的持續(xù)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(qū)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(zhì)作為碳源，進行石墨烯的生長；停止通入碳源，持續(xù)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(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)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(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所, 蘇州納維科技有限公司