[論文レビュー] A breakthrough toward wafer-size epitaxial graphene transfer

Ayako Hashimoto, Hiromitsu Terasaki+3 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2010

Graphene research and applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、SiC基板上に成長したウェーハスケールエpitaxialグラフェンに対する新規な転写技術を提示する。電子ビーム蒸着法で形成したチタン（Ti）キャッピング層を用いることで、大面積での剥離およびSiO2/Si基板への転写が可能となる。ラマン分光法および低エネルギー電子顕微鏡法により、高品質なモノレイヤーおよびバイレイヤーのグラフェンの成功した転写が確認され、CMOSを超えるスケーラブルなグラフェンエレクトロニクスへの重要な一歩を示している。

ABSTRACT

The formation of graphene on any desirable substrate is extremely essential for the successful replacement of Si with graphene in all technological applications in the beyond-CMOS era. Recently, we observed that a Ti layer formed on epitaxial graphene by electron-beam evaporation has the sufficiently large area of contact with the surface of epitaxial graphene for the exfoliation process to take place. We also observed that the exfoliated FLG on the Ti layer can be easily transferred onto a SiO2/Si substrate. In this paper, we have proposed a new technique for transferring graphene having a large area of several square mm from the graphitized vicinal SiC substrate. Raman scattering spectroscopy and low-energy electron microscopy analysis have revealed that we can transfer mono-layer and bi-layer graphene onto the SiO2/Si substrate by using the proposed transfer process. The initial size of epitaxial graphene formed on the SiC substrate is the only limitation of the new transfer process. The transfer process is expected to become an extremely important technology that will mark the beginning of a new era in the field of graphene electronics.

研究の動機と目的

• エピタキシャルグラフェンをSiC基板から任意の基板へ大規模に転写するためのスケーラブルな手法の開発。
• 構造的または電子的性質に損傷を与えることなくグラフェンを転写する課題の克服。
• 信頼性の高い大面積転写を可能にすることで、エピタキシャルグラフェンを実用的なエレクトロニクスデバイスに応用可能にする。
• Ti中間層を用いて欠际を最小限に抑えた転写の可能性を実証すること。

提案手法

• ビシナル4H-SiC基板上に成長したエピタキシャルグラフェンに、電子ビーム蒸着法を用いてチタン（Ti）層を堆積する。
• Ti層がグラフェン表面と強い界面的接触を形成し、グラフェン-TiスタックをSiC基板から機械的剥離可能にする。
• 剥離されたグラフェン-Tiスタックを、ポリマー支援転写プロセスを用いてSiO2/Si基板に転写する。
• その後、湿式エッチングによりTi層を除去し、目的のSiO2/Si基板上にフリー・スタンディングのグラフェンを残す。
• ラマン分光法および低エネルギー電子顕微鏡法を用いて、転写されたグラフェンのレイヤー数および構造的品質を評価する。
• このプロセスはスケーラブルであり、SiC上に初期に形成されたエピタキシャルグラフェンのサイズに制限されるのみである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tiキャッピング層は、SiC基板からの大面積・損傷なしのグラフェン剥離および転写を可能にするか？
• RQ2 SiO2/Si基板への転写後、転写されたモノレイヤーおよびバイレイヤーのグラフェンの品質はいかほどか？
• RQ3 ウェーハスケールの寸法にまでこの転写プロセスをスケーリング可能であり、グラフェンの電子的性質を保持できるか？
• RQ4 Tiとグラフェンの界面接着性は、剥離効率にどのように影響するか？

主な発見

• 強い界面的接触のおかげで、Tiキャッピング層によりSiC基板からのエピタキシャルグラフェンの効果的剥離が可能となった。
• モノレイヤーおよびバイレイヤーのグラフェンが、SiO2/Si基板に高い構造的整合性を保ちながら効果的に転写された。
• ラマン分光法により、転写後も欠际が最小限に抑えられた単層および少数層グラフェンの存在が確認された。
• 低エネルギー電子顕微鏡法により、転写されたグラフェン層の均一性および結晶性が検証された。
• この転写プロセスはスケーラブルであり、SiC上に初期に形成されたエピタキシャルグラフェンのサイズに制限されるのみである。
• 本手法は、エピタキシャルグラフェンをエレクトロニクス分野にウェーハスケールで統合する上で顕著な前進を示している。