[发明专利]基于GaN衬底CVD外延生长石墨烯的化学腐蚀转移方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及石墨烯的制造方法和转移方法，特别是基于氮化镓（GaN）衬底的化学气相沉积CVD外延生长石墨烯以及通过化学腐蚀衬底来转移石墨烯的方法，可用于CVD外延设备的石墨烯材料生长和转移。

技术背景

石墨烯是一种碳基二维晶体，具有极佳的物理化学性质。石墨烯表面的二维电子密度达到10¹³cm^-2，电子的迁移率超过200000cm²V^-1s^-1，电子饱和漂移速度高达10⁸cms^-1。由于这些优异的电学性质，石墨烯具备了制造超高速电子器件的潜力，2010年，IBM公司成功研制出最高频率超过100GHz的石墨烯FET，到2011年已经超过200GHz，美国国防部先进计划预研局DARPA提出的碳基电子研究计划项目预计2013年制作出最高频率超过500GHz石墨烯场效应晶体管FET。可见，石墨烯已经成为目前国际科技界和产业界关注的焦点。

目前，石墨烯材料的制造方法很多，但是能够制造出大面积、高质量、晶圆级石墨烯的途径只有两种：一种是由过渡族金属催化分解甲烷(CH₄)来进行化学气相沉积CVD生长石墨烯，具体原理是过渡族金属催化分解出碳，通过碳-金属的固相溶解——碳原子降温析出——碳原子结晶重构，从而在金属表面形成石墨烯，这种方法可以突破衬底尺寸限制，可用于制备大面积石墨烯；另一种是碳化硅（SiC）衬底高温热分解法，这种方法则是在高真空高温下分解SiC，Si蒸发，剩余C结晶重构形成石墨烯，可以得到平整的高质量石墨烯材料。但是，当第二种方法用于制造大面积石墨烯时，它所需的SiC衬底和热分解设备昂贵，制造过程可控性差，而对于已经进入应用阶段的石墨烯研究来说，制约其发展的关键问题是制造石墨烯的成本，以及制造出的石墨烯面积大小。所以，国内外普遍采用CVD外延和衬底转移技术制备大面积石墨烯。

石墨烯转移是大面积石墨烯应用研究的关键环节，转移技术是关乎其最终电化学性质的核心技术。目前，对于CVD法制造出的石墨烯，国际上普遍采用石墨烯上表面PMMA支撑——湿法腐蚀石墨烯下方金属——石墨烯转移至目标衬底的转移工艺。对于常用的金属衬底，如铜箔、镍箔等，湿法腐蚀一般需要4～24小时。这样的转移效率，如果仅作实验室研究和小批量器件研制是可以接受的，但其相对腐蚀速度随着面积的增加而减小，导致转移耗时过长，非常不利于大面积转移。另外，用于石墨烯生长的高质量金属箔需要专门购买，其产品参数受制于供应商提供的特定规格，要想改变金属衬底尺寸、晶向、几何形状等参数还需要额外的处理，不方便进行生长衬底的质量优化；而利用热蒸发、电子束蒸发等手段先在晶体衬底淀积一层金属薄膜，在淀积过程中可以自由控制金属膜厚、金属膜晶向等，减少不必要的浪费，有利于批量生产。但因非石墨烯接触面附着在其他衬底上，另外一面被石墨烯掩蔽，所以只有金属侧边与腐蚀液接触，有效接触面积极小，其腐蚀的时间大大增加，而且腐蚀效果明显变差，以至于造成石墨烯的电学性质退化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于GaN衬底CVD外生长石墨烯的化学腐蚀转移方法，以提高石墨烯转移的效率和石墨烯的材料质量。此方法可以把石墨烯转移到任意目标衬底。

实现本发明目的技术关键是：采用非极性a面的GaN体系衬底上沉积铜膜，进而进行CVD外延生长石墨烯。利用GaN衬底侧向不同原子终止面和不同晶面的GaN衬底腐蚀特性不同，通过改变腐蚀溶液的溶质种类、浓度、温度等条件，实现石墨烯下方GaN衬底和金属的腐蚀。其实现步骤包括如下：

（1）将a面碳化硅6H-SiC衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，向反应室通入镓源与氨气的混合气体，镓源流量为50-200μmol/min，氨气流量为1000-3000sccm，持续0.5-1小时，生长出厚度为1-3μm的a面GaN衬底；

（2）将反应室抽真空，在保证气压不高于10-6Torr的条件下，在GaN衬底上电子束蒸发沉积厚度为1-2μm的Cu薄膜；

（3）向反应室通入流量为1～20sccm的H2，升高反应室内温度至900～1000℃，对沉积的Cu薄膜进行热退火，退火时间为20～60min；

（4）向反应室通入流量为20～200sccm的H2和流量为2～20sccm的CH4，通过化学气象淀积CVD生长石墨烯10～20min；