[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种用于在SiC衬底上外延生长的晶圆级石墨烯的新型转移技术，通过电子束蒸发沉积钛（Ti）盖帽层，实现大面积剥离与转移至SiO2/Si衬底。拉曼光谱和低能电子显微镜证实了高质量单层和双层石墨烯的成功转移，标志着石墨烯电子学在超越CMOS技术方面迈出了关键一步。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，将大面积外延石墨烯从SiC衬底转移到任意衬底，以实现器件集成。
• 克服在不损伤其结构或电子特性的情况下转移石墨烯的挑战。
• 通过实现可靠的大面积转移，使外延石墨烯能够用于实际电子器件。
• 展示通过使用Ti中间层实现缺陷极少的石墨烯转移的可行性。

提出的方法

• 在倾斜取向的4H-SiC衬底上外延生长的石墨烯表面，通过电子束蒸发沉积一层钛（Ti）层。
• Ti层与石墨烯表面形成强界面接触，从而实现石墨烯-Ti多层结构从SiC衬底上的机械剥离。
• 随后采用聚合物辅助转移工艺，将剥离后的石墨烯-Ti多层结构转移到SiO2/Si衬底上。
• 通过湿法蚀刻去除Ti层，最终在目标SiO2/Si衬底上获得自由悬挂的石墨烯。
• 利用拉曼光谱和低能电子显微镜表征转移后石墨烯的层数和结构质量。
• 该工艺具有可扩展性，仅受限于SiC上外延石墨烯的初始尺寸。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ti盖帽层是否能够实现从SiC衬底上大范围、无损伤的石墨烯剥离与转移？
• RQ2 石墨烯转移至SiO2/Si衬底后，其单层和双层石墨烯的质量如何？
• RQ3 该转移工艺是否可扩展至晶圆级尺寸，同时保持石墨烯的电子特性？
• RQ4 Ti与石墨烯之间的界面粘附力如何影响剥离效率？

主要发现

• 由于Ti盖帽层与石墨烯之间具有强界面接触，该方法可有效实现从SiC衬底上剥离外延石墨烯。
• 成功将单层和双层石墨烯转移到SiO2/Si衬底上，且结构完整性高。
• 拉曼光谱证实了转移后单层及少层石墨烯的存在，且缺陷极少。
• 低能电子显微镜验证了转移后石墨烯层的均匀性和结晶性。
• 该转移工艺具有可扩展性，仅受限于SiC上外延石墨烯的初始尺寸。
• 该方法在实现外延石墨烯在电子学中晶圆级集成方面具有重大进展。