[发明专利]基于C注入的Ni膜辅助SiC衬底石墨烯纳米带制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体薄膜材料及其制备方法，具体地说是基于C注入的Ni膜辅助SiC衬底石墨烯纳米带制备方法，用于制作微电子器件。

技术背景

自从2004年英国Manchester大学的Andre Geim和他的合作者Kostya Novoselov使用机械剥离法首次制备出石墨烯以来，石墨烯即引起了全球轰动，从而引发了材料、凝聚态物理、微电子、化学等领域的研究热潮。石墨烯是由sp²杂化的单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，这是目前发现最薄的材料。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量，石墨烯中存在着丰富而新奇的物理现象及优异的物理性能。由于这些优良的性质，石墨烯可望在高性能纳米电子器件、复合材料、太阳能电池、场发射材料、超级电容器等领域获得广泛应用。因此，石墨烯迅速成为材料科学和凝聚态物理领域近年来研究的热点之一。科学界认为石墨烯极有可能取代硅而成为未来的半导体材料，具有极其广阔的应用前景。石墨烯由于其优异的电学特性，引起了广泛关注，继而制备石墨烯的新方法层出不穷,但使用最多的主要有化学气相沉积法和热分解SiC法两种。

化学气相沉积法，是制备半导体薄膜材料应用最广泛的一种大规模工业化方法，它是利用甲烷、乙烯等含碳化合物作为碳源，通过其在基体表面的高温分解生长石墨烯,最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数可调控石墨烯的生长，如生长速率、厚度、面积等，此方法的缺点是制备工艺复杂，能源消耗大，成本较高，精确控制较差，而且获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，丧失了许多单层石墨烯的性质，且石墨烯的连续性不是很好。

热分解SiC法，是通过高温加热使得SiC衬底表面碳硅键断裂，使SiC表面上的Si原子升华，剩余C原子在原衬底表面重构，形成石墨烯。然而，SiC热分解时温度较高，并且生长出来的石墨烯呈岛状分布，孔隙多，而且做器件时由于光刻，干法刻蚀等会使石墨烯的电子迁移率降低，从而影响了器件性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于C注入的Ni膜辅助SiC衬底石墨烯纳米带制备方法，以有选择性地生长石墨烯纳米带，提高石墨烯纳米带表面光滑度和连续性，同时避免在后序制作器件时对石墨烯进行刻蚀的工艺过程，而导致电子迁移率降低的问题。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

（1）对SiC样片进行清洗，以去除表面污染物；

（2）制作由隔离带和离子注入带组成的掩膜板，隔离带宽度为：100-200nm，离子注入带宽度为：50-200nm；

（3）在清洗后的SiC样片中的离子注入带区域注入能量为15-45keV，剂量为5×10¹⁴~5×10¹⁶cm^-2的C离子；

（4）将注入C离子后的SiC样片放入外延炉中，调节外延炉中压强为0.5~1×10^-6Torr，快速加热至1200-1300℃，然后通入流速为500-800ml/min的Ar气，恒温保持30~90min,使离子注入带区域的SiC热解生成碳膜；

（5）在Si基体上电子束沉积300-500nm厚的Ni膜；

（6）将生成的碳膜样片置于Ni膜上，再将它们一同置于流速为30-150ml/min的Ar气中，在温度为900-1200℃下退火10-20min，使碳膜重构成石墨烯纳米带；

（7）从石墨烯纳米带样片上取开Ni膜，在SiC衬底上得到隔离带和石墨烯纳米带相互交替组成的纳米材料。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明工艺简单，节约能源，安全性高。

2.本发明由于先在SiC样品的离子注入带中注入了C离子，注入带宽度与需要制作器件的宽度相同，即石墨烯纳米带的宽度与需要制作器件的宽度相等，避免了在后序制作器件时由于要对石墨烯进行刻蚀而导致电子迁移率降低的问题。

3.本发明由于利用在Ni膜上退火，因而生成的碳膜更容易重构形成连续性较好，表面光滑的石墨烯纳米带。

附图说明

图1是本发明制备石墨烯纳米带的流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的制作方法给出如下三种实施例。

实施例1

步骤1:清洗6H-SiC样片，以去除表面污染物。