苏州大学​孙靖宇教授，北京大学刘忠范院士，上科大纪清清研究员 Nat.Sci.Rev.：6 英寸单层石墨烯的共场协同直接生长

苏州大学孙靖宇教授，北京大学刘忠范院士，上科大纪清清研究员等人发表了题为 Co-field-reconciled direct growth of 6-inch monolayer graphene的工作于National Science Review期刊上

本文提出了一种共场协同优化策略，通过调控热场和气流场，实现了在 6 英寸蓝宝石晶圆上直接生长单层石墨烯。该方法通过石墨垫片和气体分配板优化，显著提高了生长均匀性和批次重复性。理论计算表明，该方法降低了甲烷分解能垒，抑制了多层成核。制备的石墨烯展现出优异的晶体质量、空间均匀性和电学性能，6 英寸晶圆级顶栅石墨烯场效应晶体管阵列展现出与现有技术相当的室温迁移率。该方法还可扩展到其他绝缘衬底，为二维材料的大规模集成奠定了基础。

背景

石墨烯因其独特的电子和光学性质，在电子和光电子器件领域备受关注。然而，实现高质量石墨烯的晶圆级合成仍然是一个挑战，尤其是在绝缘衬底上。传统的化学气相沉积（CVD）方法虽然成熟，但通常需要复杂的转移过程，容易引入杂质和缺陷，降低薄膜均匀性和器件可靠性。因此，直接在目标衬底上合成石墨烯被认为是一种有前途的替代方案。

主要内容

研究团队通过优化热场和气流场，实现了在 6 英寸蓝宝石晶圆上直接生长单层石墨烯。实验中，通过石墨垫片均匀化衬底表面温度，气体分配板优化气流分布，显著改善了生长均匀性。理论计算表明，冷壁 CVD 系统中甲烷分解能垒降低，反应速度加快，且抑制了多层成核。实验结果表明，生长的石墨烯具有优异的晶体质量和电学性能，6 英寸晶圆级石墨烯场效应晶体管阵列展现出高度一致的器件特性，室温迁移率平均值与现有技术相当。

实验细节概括

实验在自制的冷壁 CVD 系统中进行，通过电磁感应加热石墨载体，实现高效的“载体自加热”模式。通过优化气体分配板和石墨垫片设计，显著改善了衬底表面的热场和气流场分布。实验中，6 英寸蓝宝石晶圆在 1400°C 下退火 10 分钟，随后在 3000 Pa 的 Ar/H₂ 气氛中引入 CH₄ 进行石墨烯生长。通过拉曼光谱、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和四探针电学测量等手段对生长的石墨烯进行了全面表征。此外，还在 6 英寸晶圆上制备了顶栅石墨烯场效应晶体管阵列，验证了器件性能的均匀性。

创新点

1. 提出了一种共场协同优化策略，通过石墨垫片和气体分配板优化热场和气流场，显著提高了石墨烯生长的均匀性和批次重复性。
2. 实现了在 6 英寸蓝宝石晶圆上直接生长高质量单层石墨烯，展现出优异的晶体质量和电学性能。
3. 理论计算揭示了冷壁 CVD 系统中甲烷分解能垒降低和反应速度加快的机制，抑制了多层成核。
4. 6 英寸晶圆级石墨烯场效应晶体管阵列展现出与现有技术相当的室温迁移率，证明了该方法的可扩展性。
5. 该方法还可扩展到其他绝缘衬底（如 SiC、WC、Si₃N₄ 和 SiO₂），为二维材料的大规模集成提供了新途径。

图文内容

图1. 在6英寸蓝宝石晶圆上直接生长单层石墨烯。(a)冷壁CVD系统示意图对比：传统电阻加热(左图)和我们自制的感应加热(右图)。(b)优化气体分布板的示意图。(c)改进石墨加热器的示意图。(d)合成的2英寸、4英寸和6英寸单层石墨烯/蓝宝石晶圆的数码照片。(e)展示6英寸单层石墨烯/蓝宝石晶圆批量生产的数码照片。(f)雷达图对比我们的生长路线与其他直接CVD方法合成石墨烯的性能指标。

图2. 6英寸蓝宝石晶圆上石墨烯均匀生长的热场和流场调控。(a、c和e)优化前基底表面的(a)温度、(c)流速和(e)沉积速率模拟分布。(b、d和f)优化后基底表面的(b)温度、(d)流速和(f)沉积速率模拟分布。(g和i)优化前6英寸石墨烯/蓝宝石晶圆的(g)薄层电阻和(i)光学透射率空间分布及对应统计分布。(h和j)优化后6英寸单层石墨烯/蓝宝石晶圆的(h)薄层电阻和(j)光学透射率空间分布及对应统计分布。

图3. 生长所得单层石墨烯/蓝宝石晶圆的表征。(a)6英寸单层石墨烯/蓝宝石晶圆的照片。(b)生长所得石墨烯的光学显微镜图像。(c)从6英寸单层石墨烯/蓝宝石晶圆上合成的石墨烯薄膜五个代表性位置采集的典型拉曼光谱。(d)2D峰半高宽(FWHM)随G峰位置变化的统计结果。(e)转移到TEM网格上的单层石墨烯原子分辨率透射电镜图像。插图：快速傅里叶变换图案。(f)蓝宝石上生长石墨烯的截面高分辨透射电镜图像。插图：橙色框区域标明了界面氧原子层、铝原子层以及石墨烯层。

图4. 通过AIMD模拟对石墨烯单层形成过程的理论研究。(a和b)以CH4和H2为反应物的(a)热壁和(b)冷壁CVD系统反应过程示意图。背景颜色表示环境温度，较浅颜色代表较低温度。(c)初始结构的侧视图(左图)和俯视图(右图)以及定义为反应坐标的集体变量(CV)。氧、铝、碳和氢原子分别用红色、蓝色、黑色和白色球体表示。(d)不同模拟温度下沿反应坐标的积分自由能分布曲线。

图5. 6英寸石墨烯晶圆的电学特性。(a)基于6英寸蓝宝石晶圆的顶栅石墨烯器件阵列照片。(b)顶栅石墨烯场效应晶体管阵列(上图)和单个器件(下图)的光学显微镜图像。(c)典型顶栅石墨烯场效应晶体管的输出特性曲线。(d)阵列化石墨烯器件在Vds=1V时的转移特性曲线。(e)6英寸石墨烯晶圆上60个顶栅石墨烯场效应晶体管载流子迁移率分布的3D彩色映射图。(f)这些石墨烯器件迁移率的对应直方图及高斯拟合结果。

结论

本文通过共场协同优化策略，实现了在 6 英寸蓝宝石晶圆上直接生长高质量单层石墨烯。该方法不仅显著提高了石墨烯生长的均匀性和批次重复性，还通过理论计算和实验验证了其在冷壁 CVD 系统中的优势。6 英寸晶圆级石墨烯场效应晶体管阵列展现出优异的电学性能，证明了该方法在大规模二维材料集成中的潜力。该研究为未来纳米电子学和光电子学的发展奠定了基础。

文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf562