采用RPCVD外延法在硅衬底上直接制备石墨烯的研究

Since the Nobel prize was awarded to the pioneering researchers in graphene in 2010, graphene as its excellent electronic, physical and chemical properties has been attracting enormous attention. It is also popularly deemed as the alterative materials in the next-generation IC devices. Common methods to synthetizing graphene including chemical vapor deposition on metal catalyst substrate,mechnical exfoliation, organic synthesis and graphitization of SiC substrates, are all incompatible with the mainstream IC processing due to metal contamination, poor repeatability and high substrate cost. We therefore in this project propose a novel method to directly fabricating graphene on large-size Si substrate (4-8 inches in diameter) by means of reduced pressure chemical vapor deposition (RPCVD). This method relys on the basic idea as the following: epitaxial growth of high-quality SiC layer on top of Si substrate and then followed by the high temperature annealing in vaccum to sublime Si atoms, remanent C atoms will self-assembly into graphene. This method is completely compatible with the mainstream IC processing， which is ought to facilitate the mass production of graphene-based devices in future.

自2010年石墨烯的开创性研究者被授予诺贝尔物理奖以来，石墨烯由于其优异的物理和化学特性受到了广泛的关注和研究，它也被视为下一代集成电路（IC）器件的替代材料之一。目前石墨烯的制备主要有常规化学气相沉积法（金属衬底）、机械剥离法、有机合成法以及碳化硅热解法等，这些方法由于金属污染、重复性差以及成本高昂等因素，均无法在主流的IC工艺中大规模应用。因此，在本课题中我们提出采用减压化学气相沉积（RPCVD）外延的方法在硅衬底上直接制备石墨烯的新方法，主要思路包括先用RPCVD法在硅衬底上外延高质量SiC薄膜，然后在真空中退火得到石墨烯。实施路线主要包括两方面：（1）硅衬底上外延SiC，然后在真空下高温热退火将硅原子升华挥发，剩下的碳原子自组装形成石墨烯;（2）硅衬底上外延SiC，高温退火的同时通入C2H4或C2H6进行石墨烯的化学气相淀积。该方法与主流IC工艺完全兼容，有利于石墨烯的大规模应用。

自石墨烯被成功分离以来，石墨烯由于其优异的物理和化学特性受到了广泛的关注和研究。目前石墨烯的制备主要有常规化学气相沉积法（金属衬底）、机械剥离法、有机合成法以及碳化硅热解法等，这些方法由于金属污染、重复性差以及成本高昂等因素，均无法在主流的 IC 工艺中大规模应用。因此，在本课题中我们使用超高真空（UHV）退火和低压气相化学沉积（LPCVD）的方法在GexSi1-xC0.02薄膜上进行大面积石墨烯薄膜的生长。GexSi1-xC0.02薄膜是通过外延工艺在大面积Si衬底上直接获得的，不仅成本低而且没有金属沾污，与主流IC工艺相兼容。在石墨烯生长工艺方面，我们发现在使用LPCVD作为生长工艺时，Si/Ge比例最优的是0.15/0.85。使用优化的衬底、生长温度、CH4/H2比例以及生长时间，我们成功在Si0.15Ge0.85C0.02的衬底上生长出了多层石墨烯。此项目资助获得的石墨烯生长工艺为后续硅锗基衬底生长单层石墨烯提供了有用的参考。同时，我们基于此项目拓展了CVD生长的石墨烯在器件领域的应用，主要包括清洁石墨烯转移工艺以及优化的石墨烯金属接触工艺等。在优化的清洁石墨烯转移工艺中，我们省略了转移过程中的后烘步骤，降低了74.5%的有机物残留覆盖率同时粗糙度降低了29%。石墨烯转移效果的优化，降低了转移后石墨烯表面的沾污从而提高了石墨烯的质量，有利于后续石墨烯器件的制备及优化。在此工作的基础上我们研究了石墨烯与金属的接触，分析了热退火对于石墨烯/金属接触电阻优化的机制，并且提出了通过自对准粒子轰击的方法增强边缘接触进一步降低接触电阻的方法。利用这种方法使得金属钯与石墨烯之间的接触电阻降低了40.1%。本项目的研究成果（石墨烯在SiGeC衬底上的生长、清洁转移工艺以及优化的石墨烯接触工艺）为未来石墨烯器件的研究奠定了坚实的基础。