CN102181924A - 一种石墨烯的生长方法以及石墨烯 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯的生长方法，包括如下步骤：提供III族氮化物衬底；将所述III族氮化物衬底置于平板加热器的中心区域；向III族氮化物衬底表面通入非氧化性气体；加热III族氮化物衬底；向III族氮化物衬底表面通入含碳物质作为碳源，进行石墨烯的生长；停止通入碳源，持续通入非氧化性气体保护并降温至室温。

Description

一种石墨烯的生长方法以及石墨烯
技术领域
本发明涉及半导体器件与工艺技术领域，尤其涉及一种石墨烯的生长方法及其衬底。
背景技术
化学气相沉积法的原理为，气态化合物在高温、催化等作用下生成多种单原子，其中一种或多种单原子相互作用形成新的物质并沉积于衬底表面。此法为半导体工业生产中最为常见的沉积技术。
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电学性质，他们已成为新一代半导体器件的代表性材料。作为III族氮化物的典型代表，GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
石墨烯是组成石墨晶体的基本结构单元，这种单独存在的只有一个原子厚度的二维晶体具有非常独特的电性能、导热性能和光学性质。由于避免电子传输过程中在石墨中层间的散射，电子在常温下的传输速度可达光速的1/300，远高于电子在一般导体中的传输速度。目前常用的石墨烯制备方法包括：机械剥离法、微波辅助法、外延生长法、化学还原法、超声法、化学分散法、化学气相沉积法、直接电化学还原、插层法等。采用现有方法制备的石墨烯在实际应用时，都需要转移到相应的衬底上，导致石墨烯与衬底结合不紧密，无法形成欧姆接触；加上转移过程中不可避免产生的褶皱和破裂，严重影响和限制了石墨烯的应用。
因此，探索一种可以在功能性衬底上(如GaN)直接长出石墨烯的技术，实现不需要转移石墨烯而直接应用目的，使其独特的电性能、导热性能和光学性质获得较好的体现，对实现石墨烯的广泛应用具有重要价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种III族氮化物衬底的生长方法及其衬底，能够避免在转移石墨烯过程中发生褶皱和破裂的现象，以及转移的石墨烯和转移的目标衬底之间结合不牢固的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种石墨烯的生长方法，包括如下步骤：提供III族氮化物衬底；将所述III族氮化物衬底置于平板加热器的中心区域；向III族氮化物衬底表面通入非氧化性气体；加热III族氮化物衬底；向III族氮化物衬底表面通入含碳物质作为碳源，进行石墨烯的生长；停止通入碳源，持续通入非氧化性气体保护并降温至室温。
本发明的实现原理为，III族氮化物于一定的温度加热后，其表面分子结构发生受热分解，部分氮原子结合成氮气分子而逸出，从而在表面生成一层极薄的III族元素单质构成的液态层。当通入碳源后，碳源在该温度下同样发生受热分解并生成单质碳，单质碳可溶入表面的III族元素液态层，形成碳元素的饱和溶解态。当停止碳源通入后，在非氧化性气体保护下，III族氮化物以恒定速度降温至室温，在降温过程中，单质碳在金属层中的溶解度逐渐下降从而不断析出，在III族氮化物表面自组装形成石墨烯层。
作为可选的技术方案，所述非氧化性气体的通入速率是150～1500sccm。
作为可选的技术方案，所述平板加热器为电炉。
作为可选的技术方案，所述加热III族氮化物衬底的步骤中，平板加热器的中心温度为600～1200℃。
作为可选的技术方案，向III族氮化物衬底表面通入含碳物质作为碳源，进行石墨烯的生长的步骤中，通入含碳物质的持续时间为10～100min。
本发明进一步提供了一种石墨烯衬底，石墨烯层直接形成于III族氮化物衬底的表面。
本发明的优点在于，采用III族氮化物衬底直接生长石墨烯，无需在其表面蒸镀金属催化剂，避免了在转移石墨烯过程中发生褶皱和破裂的现象，以及转移的石墨烯和转移的目标衬底之间结合不牢固的问题。以本发明生长的石墨烯为基础，可直接加工各种电子器件结构，大大简化了石墨烯电子器件的制备工艺。
具体实施方式
下面以GaN衬底为例对本发明提供的一种石墨烯衬底的生长方法及其衬底的具体实施方式做详细说明。
第一步：将GaN衬底放置于石英管内，然后将石英管置于电炉中心区域。
第二步：以150-1500sccm的速率，优选150sccm，向石英管内通入非氧化性气体例如氮气、惰性气体或者其混合物至少60min后，开始加热，GaN衬底表面形成由Ga单质构成的液态薄膜。
第三步：当电炉中心区域温度达到600-1200℃，优选为700℃，在非氧化性气体中通入含碳物质作为碳源，反应开始进行，碳在GaN衬底表面沉积生成石墨烯，此处的含碳物质包括但不限于甲烷等气态烷类、含氟以及含氯的液态烷类如二氯甲烷或者三氯甲烷等。
第四步：反应进行10-100min，并优选20min后，停止通入含碳物质，关闭电炉。继续通入非氧化性气体直至电炉冷却至室温。
上述制备的石墨烯还可以进一步用作衬底，继续生长包括III族氮化物在内的各种半导体薄膜并进一步形成器件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种石墨烯的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供III族氮化物衬底；
将所述III族氮化物衬底置于加热器的中心区域；
向III族氮化物衬底表面通入非氧化性气体；
加热III族氮化物衬底；
向III族氮化物衬底表面通入含碳物质作为碳源，进行石墨烯的生长；
停止通入碳源，持续通入非氧化性气体保护并降温至室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非氧化性气体的通入速率是150～1500sccm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热器为电炉。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热III族氮化物衬底的步骤中，加热器的中心温度为600～1200℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向III族氮化物衬底表面通入含碳物质作为碳源，进行石墨烯的生长的步骤中，通入含碳物质的持续时间为10～100min。
6.一种石墨烯，其特征在于，石墨烯层直接形成于III族氮化物衬底的表面。
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