一种改善非金属衬底上直接生长的石墨烯质量的方法

摘要

一种改善非金属衬底上直接生长的石墨烯质量的方法，属于半导体材料生长领域。首先利用化学气相沉积法在非金属衬底上生长一层石墨烯薄膜，再在石墨烯薄膜上溅射一层薄金属层，将生长有薄金属层的衬底再次进行石墨烯薄膜的CVD生长，生长完成后去除表面石墨烯薄膜与金属层。本发明改善了非金属衬底上直接生长的石墨烯的质量，经过再次催化生长后，石墨烯薄膜的质量和性能均得到了显著提升。

权利要求

1.一种改善非金属衬底上直接生长石墨烯质量的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：步骤1、在非金属衬底上生长的石墨烯薄膜表面溅射一层厚度为500-600nm的Cu；

步骤2、将步骤1所得样品放入CVD反应室中再次进行石墨烯的化学气相沉积再生长；

步骤3、取出步骤3生长石墨烯后的样品，使用氧等离子体去除Cu表面的石墨烯，然后再使用FeCl3溶液腐蚀掉Cu。

2.按照权利要求1所述的一种改善非金属衬底上直接生长石墨烯质量的方法，其特征在于，步骤1在非金属衬底表面上溅射一层4-5纳米厚度的催化剂层，然后再生长石墨烯薄膜。

3.按照权利要求1所述的一种改善非金属衬底上直接生长石墨烯质量的方法，其特征在于，步骤2中进行石墨烯的再催化生长时采用化学气相沉积法，碳源气体使用甲烷，还原性气体使用氢气，保护气体使用氩气。

4.按照权利要求1所述的一种改善非金属衬底上直接生长石墨烯质量的方法，其特征在于，步骤2中化学气相沉积法再生长石墨烯的温度为不造成衬底表面结构破坏并且不使薄金属Cu层熔化的最高温度。

说明书

一种改善非金属衬底上直接生长的石墨烯质量的方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种改善非金属衬底上直接生长的石墨烯质量的方法，属于半导体材料生长技术领域。背景技术：

[0002] 2004年，石墨烯被英国曼彻斯特大学的科学家从石墨中分离了出来，在此之前，石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形呈蜂巢结构的平面薄膜，是一种只有一个碳原子厚度(约0.335nm)的二维材料。作为目前世界上最薄及最坚硬的材料，石墨烯具有许多其它材料不具备的优良性能：2 -6
室温下电子迁移率超过15000cm/V·S，电阻率只有10 Ω·cm，比铜或银更低；单层石墨烯对可见光的透射率达到97.7％，即使光波长达到几个微米，其对光波的吸收作用也是很小的；导热系数达到5300W/m·k，高于碳纳米管(CNT)和金刚石。正是由于石墨烯具有这些优良的特性，近年来受到各领域研究人员的极大关注，与石墨烯相关的研究成果层出不穷，诸如在透明电极、超级电容器、锂离子电池、生物医药等方面，石墨烯的应用已经取得了良好的效果。

[0003] 石墨烯在微电子器件中的应用是一个十分有价值的研究领域。现代微电子器件尺寸极小，精密度高，这就对应用于其中的石墨烯的质量提出了严苛的要求，因此，如何制备出高质量的石墨烯并将其完整转移至目标衬底成为了该领域研究人员的重要挑战。目前石墨烯的制备方法主要包括微机械剥离法、SiC外延法、化学剥离法和CVD法，其中CVD法制备石墨烯操作简单，制得石墨烯质量高，面积大，已经成为获得高质量石墨烯的主要方法。目前在非金属衬底上直接生长的石墨烯质量较差，这是由于含碳气体的碳氢键只有在金属催化作用下才会断裂，因此只有在金属衬底上生长石墨烯才能保证其质量较高。如果将生长在金属衬底上的石墨烯薄膜转移至非金属衬底上，就不可避免的会引入杂质、破洞等非理想因素从而降低薄膜质量。针对这一情况，已有研究人员采用在非金属衬底上镀薄金属层的方法直接生长石墨烯并取得了不错的结果，但使用这种方法生长的石墨烯质量仍然与实际应用的要求有较大差距。

[0004] 本发明以直接生长石墨烯薄膜后的非金属材料作为样品，通过磁控溅射的方式在石墨烯表面溅射薄金属层，再在金属层表面进行石墨烯的CVD法催化生长，生长完成后去除第二次生长的石墨烯薄膜和金属层。在二次催化生长石墨烯的过程中，金属层对第一次生长的石墨烯薄膜(非金属衬底上)同样起到了一定的催化作用，使其进行了再次的催化生长。与一般的在非金属衬底上直接生长石墨烯的方法相比，本发明中的方法能够明显改善石墨烯薄膜的质量，对于石墨烯在非金属衬底上的应用具有重要意义。发明内容：

[0005] 本发明的目的在于提供一种改善非金属衬底上直接生长的石墨烯质量的方法。在非金属衬底上直接生长石墨烯可以消除转移工艺带来的影响并能显著改善接触界面特性，不过由于非金属衬底对石墨烯的生长不具有催化作用，因此在非金属衬底上生长的石墨烯薄膜往往质量不高，缺陷较多，达不到应用标准。本发明旨在克服这些缺点。

[0006] 本发明提供的一种改善非金属衬底上直接生长石墨烯质量的方法，该方法的过程如附图1所示：底部是非金属衬底材料100，石墨烯101直接生长在非金属衬底表面，在101表面溅射Cu层102，再催化生长石墨烯103，最后去除102和103；附图2显示了再次催化生长前后拉曼光谱对比图；附图3显示了使用本发明进行石墨烯生长后材料的透光率与其它工艺的对比图；

[0007] 本发明中衬底材料可以是能满足生长过程中工艺水平要求的任何半导体或绝缘材料.

[0008] 本发明提供了一种改善非金属衬底上直接生长石墨烯质量的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

[0009] 步骤1、在非金属衬底上生长的石墨烯薄膜表面溅射一层厚度为500-600nm(优选550nm)的Cu；

[0010] 步骤2、将步骤1所得样品放入CVD反应室中再次进行石墨烯的化学气相沉积再生长；

[0011] 步骤3、取出步骤3生长石墨烯后的样品，使用氧等离子体去除Cu表面的石墨烯，然后再使用FeCl3溶液腐蚀掉Cu。

[0012] 本发明中薄金属层选用Cu进行石墨烯的生长，该金属材料对石墨烯生长具有良好的催化作用。

[0013] 本发明进一步优选在非金属衬底表面上溅射一层4-5纳米厚度的催化剂层，然后再生长石墨烯薄膜。

[0014] 本发明步骤2中进行石墨烯的再催化生长时采用化学气相沉积法，碳源气体使用甲烷，还原性气体使用氢气，保护气体使用氩气.

[0015] 本发明步骤2中化学气相沉积法再生长石墨烯的温度为不造成衬底表面结构破坏并且不使薄金属层熔化的最高温度；

[0016] 本发明中使用氧等离子体刻蚀去除再生长后的石墨烯薄膜，使用FeCl3溶液去除镀铜层。

[0017] 本发明效果：

[0018] 1)有研究表明，通过在非金属衬底上溅射薄金属层可以提高所生长石墨烯的质量，但经过测试，其实际质量与应用要求仍有一定差距。为了进一步提高非金属衬底上直接生长石墨烯的质量，采用了对石墨烯薄膜再催化的方法，经过再次催化生长后的石墨烯缺陷密度降低，质量明显提高；

[0019] 2)与其它生长工艺相比，利用本发明中方法进行再催化生长的石墨烯薄膜具有良好的透光率，这对于石墨烯在光电领域的应用具有重要意义；

[0020] 3)本发明中给出的石墨烯再催化方法是一种通用的方法，无论何种衬底上生长的石墨烯薄膜，只要再催化生长时的反应条件不对衬底材料造成破坏，都可以应用本方法来改善石墨烯薄膜的质量，具有很强的灵活性。附图说明：

[0021] 图1：非金属衬底上石墨烯薄膜再催化生长流程图；

[0022] 图2：石墨烯再催化生长后拉曼光谱对比图；

[0023] 图3：石墨烯再催化生长后透光率对比图。具体实施方式：

[0024] 本发明的实施通过以下实施例给予说明，但并不限于以下实施例。

[0025] 实施例1：

[0026] 步骤1、清洗同批次的两片GaN基LED外延片，使用丙酮超声5分钟，依次用丙酮、乙醇、王水煮沸，用去离子水清洗，氮气吹干；

[0027] 步骤2、在外延片表面旋涂光刻胶，采用ICP刻蚀技术形成台阶结构暴露出n-GaN层；

[0028] 步骤3、PECVD淀积SiO2，光刻并用BOE进行腐蚀，形成SiO2阻挡层；

[0029] 步骤4、在表面溅射厚度为4-5nm的薄Ni层作为催化层；

[0030] 步骤5、将外延片放入CVD反应室内进行同等条件下的石墨烯生长，氩气流量960sccm、氢气流量40sccm、甲烷流量40sccm，生长温度800℃，生长时间5min；

[0031] 步骤6、通过磁控溅射在生长有石墨烯的外延片上生长550nm的Cu；

[0032] 步骤7、利用步骤5中生长条件进行石墨烯薄膜的再次催化生长；

[0033] 步骤8、使用氧等离子体去除表面的石墨烯，使用FeCl3溶液腐蚀铜薄膜；

[0034] 步骤9、进行金属电极蒸镀(Ni/Au电极)，去光刻胶，剥离电极；

[0035] 步骤10、蓝宝石衬底减薄至150um，背面镀金属反射层；

[0036] 步骤11、划片、裂片；

[0037] 利用本发明中的方法在GaN基LED外延片上直接生长石墨烯后再次催化生长，所得石墨烯薄膜用以取代传统的ITO透明导电膜，步骤5和步骤8完成后分别对GaN基LED外延片进行了拉曼光谱测试，结果如附图2所示，可以看到石墨烯的拉曼光谱得到了明显的改善。D峰相对强度明显降低，说明薄膜中缺陷减少；2D峰增强，说明薄膜从较为无序的状态变为较为有序的状态。所以，本发明中提出的再催化方法对于改善非金属衬底上直接生长的石墨烯质量来说是一种有效的方法。