Small:更平更大更低温—6英寸无褶皱高质量石墨烯单晶晶圆

从一片雪花到一块岩石,从一枚芯片到一只铁锤,物质世界中不同材料的性质主要决定于元素的组成成份和原子的排列方式。而当物质中原子以周期性的点阵方式排列时,我们便把此物质称作晶体。单一的晶体被称之为单晶,其尺寸迥然不同。既有日常生活中小于毫米的食盐单晶,也可以找到矿洞中数米长的石膏的单晶。而更多的物质是由多个小单晶杂乱组成的块体,被称作多晶材料。因为多晶材料中小单晶之间的边界会影响材料诸多的性质,在对材料有苛刻要求的电子工业中,单晶被广泛使用。

自从2004年石墨烯,也就是单层石墨,从块体石墨中通过机械剥离的方法得到以来,二维材料的时代就此开启。因其独特的二维结构,石墨烯拥有诸多优异的物理化学性质。例如,它可以在常规环境下,以单原子层形式稳定存在;并由其高于硅材料至少两个两级的载流子迁移率,人们寄希望石墨烯在未来的高速电子器件中发挥作用。生长晶圆尺寸的石墨烯单晶是未来制造石墨烯电子器件和电路的先决条件。目前制备石墨烯单晶主要有两种途径:一种方式是单点形核控制来制备石墨烯单晶;另一种是表面外延生长取向一致的石墨烯晶畴,最后无缝拼接的方法来制备石墨烯单晶。其中外延生长制备石墨烯单晶方法主要采用铜(111)单晶或者锗(110)作为衬底。但是此前单晶石墨烯晶圆的生长一般需要1000℃或更高的温度,石墨烯表面容易产生、褶皱、污染,不但产生较高的能耗,更为关键得是这样高得温度和诸多得微电子制造工艺不兼容。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所石墨烯单晶晶圆研究取得新进展。由谢晓明研究员领导的石墨烯研究团队首次在较低温度(750℃)条件下采用化学气相沉积外延成功制备6英寸无褶皱高质量石墨烯单晶晶圆。该团队采用蓝宝石作为衬底成功制备出具有更强催化能力并且具有原子级平整度的铜镍(111)单晶薄膜,成功将外延生长石墨烯单晶的生长温度从1000℃降低到750℃,同时降低了石墨烯-衬底间的热膨胀系数差。制备出的石墨烯单晶薄膜无褶皱,无颗粒污染,电学性能可以与高温条件下得到的石墨烯相媲美。其原子级的平整度更为石墨烯的优异的电学性能和在半导体工艺中的兼容给予保障。

单晶硅是微电子技术发展的基石,而单晶石墨烯晶圆的批量化制备则是其在电子学领域规模化应用的前提。通过低温外延制备晶圆级石墨烯单晶对于推动石墨烯在电子学领域的应用具有重要意义。相关研究论文于Small上在线发表(DOI: 10.1002/smll.2018053)。