在SiC衬底C面外延石墨烯生长过程研究

摘要

石墨烯具有非常优异的性质，具有非常高的研究价值以及应用前景，然而目前尚没有成熟的能够廉价制备出高质量大面积的石墨烯薄膜的方法。SiC外延石墨烯法是一种可以与现有半导体工艺兼容的石墨烯制备方法。为了研究SiC衬底外延石墨烯的生长机制及过程，本文在较低真空度（1~2Pa）条件下在0°偏角的4H-SiC衬底的C面做了大量的高温外延石墨烯的实验，并通过拉曼光谱、原子力显微镜、扫描电子显微镜以及光学显微镜等仪器对外延结果做了表征研究。
　　本文通过大量的国内外文献的阅读与研究，确定了研究的出发点：在1~2Pa真空条件下在4H-SiC衬底的C面外延石墨烯的形成温度应该高于1400℃，在C面外延生长过程中衬底表面发生由（1×1）SiC→（3×3）SiC→（2×2）SiC→（1×1） g的结构变化；在不通硅流的条件下形成的石墨烯缺陷更多，有序性更差；氢刻蚀工艺有利于石墨烯在 SiC衬底表面的形成与扩张。在参考国内外实验过程的基础上，基于实验室现有的条件制定了自己的实验方案，实验过程大致分为衬底清洗、氢刻蚀、去化合物以及外延生长等过程。通过对实验结果的表征测试进行对比研究，得出了以下的结论：大致可以断定在1075℃~1200℃范围内，4H-SiC的 C面由（1×1）结构逐渐转变为（3×3）结构；在1200℃~1400℃范围内，4H-SiC衬底的C面由（3×3）结构逐渐转变为（2×2）结构；在1400℃~1500℃范围内，4H-SiC衬底的C面由（2×2）结构逐渐转变为（1×1）结构的石墨烯；在1580℃保温10min条件下生成的石墨烯的质量最高，随着保温时间的增长，石墨烯的层数迅速增加；升温速率对4H-S iC衬底C面外延石墨烯的影响非常大，一般来说升温速率越低石墨烯生长质量越高；通硅流能有效减少外延石墨烯的缺陷，使得到的石墨烯具有更好的有序性；氢刻蚀工艺能够去除表面划痕和缺陷，有利于石墨烯在4H-S iC衬底C面的形成与扩张。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 石墨烯材料概述

1.3本论文的主要工作及章节划分

第二章 石墨烯的表征方法及制备方法

2.1 石墨烯的表征方法

2.2 石墨烯的制备方法

2.3 本章小结

第三章 SiC高温外延石墨烯的生长过程及工艺过程

3.1 SiC衬底

3.2 在SiC衬底上高温外延石墨烯的生长过程

3.3 高温外延石墨烯预处理工艺过程

3.4 高温热解法外延生长石墨烯

3.5 本章小结

第四章SiC衬底C面高温外延石墨烯结果分析

4.1实验结果的拉曼表征

4.2 实验结果的AFM表征结果

4.3实验结果的其他表征

4.4未刻蚀与氢刻蚀SiC外延结果对比

4.5本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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