[论文解读] Going beyond copper: wafer-scale synthesis of graphene on sapphire

Neeraj Mishra, Stiven Forti+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2019

Graphene research and applications参考文献 44被引用 24

一句话总结

本文提出了一种无需金属、可在整片蓝宝石衬底上通过商用反应器实现高质量单层石墨烯直接外延生长的化学气相沉积（CVD）方法。其关键创新在于利用蓝宝石的富铝 √3×1R9 表面重构，实现了迁移率超过 2000 cm²/Vs 且金属污染低于后端工艺（BEOL）集成限制的外延石墨烯生长，从而实现了超越传统铜衬底的可扩展、工业兼容的石墨烯合成。

ABSTRACT

The adoption of graphene in electronics, optoelectronics and photonics is hindered by the difficulty in obtaining high quality material on technologically-relevant substrates, over wafer-scale sizes and with metal contamination levels compatible with industrial requirements. To date, the direct growth of graphene on insulating substrates has proved to be challenging, usually requiring metal-catalysts or yielding defective graphene. In this work, we demonstrate a metal-free approach implemented in commercially available reactors to obtain high-quality monolayer graphene on c-plane sapphire substrates via chemical vapour deposition (CVD). We identify via low energy electron diffraction (LEED), low energy electron microscopy (LEEM) and scanning tunneling microscopy (STM) measurements the Al-rich reconstruction root31R9 of sapphire to be crucial for obtaining epitaxial graphene. Raman spectroscopy and electrical transport measurements reveal high-quality graphene with mobilities consistently above 2000 cm2/Vs. We scale up the process to 4-inch and 6-inch wafer sizes and demonstrate that metal contamination levels are within the limits for back-end-of-line (BEOL) integration. The growth process introduced here establishes a method for the synthesis of wafer-scale graphene films on a technologically viable basis.

研究动机与目标

• 为克服基于铜的石墨烯合成局限性，实现绝缘蓝宝石衬底上的直接、无金属生长。
• 实现适用于工业应用的、大面积单层石墨烯，具备优异的结构与电子品质。
• 确定导致外延石墨烯成核与生长的特定蓝宝石表面重构。
• 通过最小化金属污染，证明与后端工艺（BEOL）半导体工艺的兼容性。
• 将合成工艺扩展至 4 英寸和 6 英寸晶圆，同时保持材料品质。

提出的方法

• 在商用反应器中采用无金属化学气相沉积（CVD）工艺，在 c-面蓝宝石上生长石墨烯。
• 利用低能电子衍射（LEED）、低能电子显微镜（LEEM）和扫描隧道显微镜（STM）识别蓝宝石表面的富铝 √3×1R9 重构为外延成核的关键因素。
• 采用拉曼光谱和电输运测量表征所合成石墨烯的电子品质与迁移率。
• 优化生长参数，实现在 4 英寸和 6 英寸蓝宝石晶圆上均匀的单层石墨烯生长。
• 进行金属污染分析，验证其符合后端工艺（BEOL）集成标准。
• 结合原位与非原位表征技术，关联表面结构与石墨烯品质。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种蓝宝石表面重构能够实现高质量外延石墨烯的成核与生长？
• RQ2 是否可以在无金属催化剂的条件下，直接在绝缘蓝宝石上合成高迁移率单层石墨烯？
• RQ3 该CVD工艺是否可在保持材料品质的前提下扩展至4英寸和6英寸晶圆？
• RQ4 石墨烯薄膜中的金属污染水平如何？是否与后端工艺（BEOL）半导体集成兼容？
• RQ5 在蓝宝石上生长的石墨烯的电子品质与在铜上生长的相比如何？

主要发现

• 识别出蓝宝石的富铝 √3×1R9 表面重构是实现外延石墨烯成核与生长的关键表面结构。
• 石墨烯薄膜表现出一致的迁移率超过 2000 cm²/Vs，表明其具有优异的电子品质。
• 成功采用无金属CVD工艺在4英寸和6英寸蓝宝石晶圆上合成了高质量单层石墨烯。
• 金属污染水平处于半导体制造中后端工艺（BEOL）集成可接受范围内。
• 该方法实现了在技术可行的绝缘衬底上实现大面积、工业兼容的石墨烯合成。
• 该工艺可在商用CVD反应器中实现可扩展与可重复，支持未来在电子与光电子器件中的集成。