本發明涉及功能材料技術領域，具體涉及一種外延生長碳化硅-石墨烯薄膜的制備方法。
背景技術：
石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀結構的碳材料，因具有獨特的晶體和電子能帶結構而擁有非常優異的力學、熱學、光學、電學及化學性能，
如超高的載流子遷移率、超大的比表面積、完美的量子隧道效應、半整數量子霍爾效應等。2004年英國曼切斯特大學A．K．Geim 和K．S．Novoselov 首次發現石墨烯后，石墨烯迅速成為當前材料、物理、化學、半導體、微電子、生物、新能源等研究領域的國際前沿與熱點。碳化硅具有層狀結構，其基本構成單元為硅原子和碳原子組成的硅碳雙原子層。在制作碳化硅晶圓過程中，由于切刀不能做到完全的精細，導致不能完全沿層與層之間Si—C 結合鍵較弱的方向解理，而是與解理面有個夾角，以致于進行解理操作后，碳化硅沿某一方向上呈臺階狀。也正因為如此，在其臺階上生長高品質的石墨烯才成為可能。
制備石墨烯有很多種方法，如機械剝離法、液相或氣相解離法、氧化還原法、裁剪納米管法、化學氣相沉積法、單晶金屬外延法和SiC 外延生長法等。SiC外延生長法是在一定的真空下，將SiC 加熱到一定溫度，致使硅原子蒸發，剩下的碳原子進行重構形成石墨烯。由于這樣生長石墨烯的襯底SiC 是半絕緣的，生長后的樣品無需進行襯底腐蝕、樣品遷移等繁瑣的工作，直接可以進行電學測試。這樣就降低了在轉移過程中引入的缺陷、摻雜等因素的影響。這也使得SiC襯底上外延生長石墨烯成為實現石墨烯在微電子領域應用的最有效途徑之一。
目前SiC 外延生長石墨烯都是采用單晶SiC 襯底，而傳統的單晶制備法得到的SiC 材料缺陷較多，難以控制厚度和摻雜，往往達不到制造器件的要求。并且在外延生長石墨烯之前需要對襯底進行氫氣刻蝕的步驟，因為碳化硅經過化學機械拋光(CMP)工藝處理之后表面會存留很多劃痕，直接用其來生長制備的石墨形貌品質都較差，而在均勻的臺階上生長得到的樣品形貌及品質會好很多，氫氣刻蝕就是一種公認的可以除去樣品表面的劃痕等缺陷的可行的方案。但是不當的氫氣刻蝕反而會使SiC 襯底表面形成晶格缺陷，并且會產生硅的化合物沉積現象，過度削減SiC 表面硅富集。通常要用SiO、SiH4等氣體來恢復SiC 表面平衡。而CVD 法得到的外延SiC 薄膜質量往往較高，并且能夠保證較快的生長速率，非常適合于高質量SiC 薄膜的生長。
技術實現要素：
本發明旨在提出一種外延生長碳化硅-石墨烯薄膜的制備方法。
本發明的技術方案在于：
外延生長碳化硅-石墨烯薄膜的制備方法，包括如下步驟：
（1）碳化硅-石墨烯制備
對碳化硅襯底進行清洗預處理，清洗完成后直接把SiC襯底硅面朝上，放入設備中準備外延生長，
（2）碳化硅-石墨烯薄膜外延生長
第一步，首先進行4H-SiC的同質外延生長：將腔室真空度降至8×10-4Pa 以下，持續通入7L/min 的H2，將腔室溫度從室溫逐步升至1600℃；在1600℃下保持10min 作為預生長階段，然后通入9~15mL/min 的SiH4和2~6mL/min 的C3H8生長60min，此時襯底表面的劃痕、缺陷被填平覆蓋，形成性能優異的新SiC表面；最后將設備溫度降至1000℃同時繼續通Ar保護，使SiC 形成3×3SiC的穩定結構，并且朝上的面仍然為Si面；
第二步，進行在4H-SiC上的石墨烯外延生長：腔體持續通入1L/min的Ar，壓力保持在133Pa，這樣可以抑制SiC中Si 原子的過快升華，提過石墨烯的生成質量；先將腔體溫度從1000℃上升到1100℃，穩定10min，隨著溫度的上升，SiC由3×3SiC 結構逐漸轉變為1×1SiC結構，最終在1100℃穩定為3×3SiC 結構；隨后將溫度升至1200℃形成63×63R30°的過渡緩沖層結構；再將溫度升至1300~1600℃并保持30~50min，表面結構逐漸從63×63R30°轉變為1×1grphene 結構，最后降溫至室溫得到穩定的石墨烯。
所述的外延生長設備為CVD 爐。
本發明的技術效果在于：
本發明利用感應加熱的高溫CVD 設備，先在4H-SiC 襯底上外延生長一層２~１０ μm 厚的碳化硅，然后直接再在碳化硅上原位異質外延生長石墨烯，得到了缺陷較少質量較好的石墨烯薄膜。實現碳化硅-石墨烯的連續生長，從而省去了目前常用在碳化硅上生長石墨烯所需的氫氣刻蝕及重新制造富硅集的步驟，減少氫氣刻蝕帶來的晶格缺陷和表面硅富集嚴重削減現象。并且石墨烯具有較少的缺陷，層數在４層左右且均勻分布，具有較好的晶體質量。
具體實施方式
外延生長碳化硅-石墨烯薄膜的制備方法，包括如下步驟：
（1）碳化硅-石墨烯制備
對碳化硅襯底進行清洗預處理，清洗完成后直接把SiC襯底硅面朝上，放入設備中準備外延生長，
（2）碳化硅-石墨烯薄膜外延生長
第一步，首先進行4H-SiC的同質外延生長：將腔室真空度降至8×10-4Pa 以下，持續通入7L/min 的H2，將腔室溫度從室溫逐步升至1600℃；在1600℃下保持10min 作為預生長階段，然后通入9~15mL/min 的SiH4和2~6mL/min 的C3H8生長60min，此時襯底表面的劃痕、缺陷被填平覆蓋，形成性能優異的新SiC表面；最后將設備溫度降至1000℃同時繼續通Ar保護，使SiC 形成3×3SiC的穩定結構，并且朝上的面仍然為Si面；
第二步，進行在4H-SiC上的石墨烯外延生長：腔體持續通入1L/min的Ar，壓力保持在133Pa，這樣可以抑制SiC中Si 原子的過快升華，提過石墨烯的生成質量；先將腔體溫度從1000℃上升到1100℃，穩定10min，隨著溫度的上升，SiC由3×3SiC 結構逐漸轉變為1×1SiC結構，最終在1100℃穩定為3×3SiC 結構；隨后將溫度升至1200℃形成63×63R30°的過渡緩沖層結構；再將溫度升至1300~1600℃并保持30~50min，表面結構逐漸從63×63R30°轉變為1×1grphene 結構，最后降溫至室溫得到穩定的石墨烯。
所述的外延生長設備為CVD 爐。
本發明實現碳化硅-石墨烯的連續生長，從而省去了目前常用在碳化硅上生長石墨烯所需的氫氣刻蝕及重新制造富硅集的步驟，減少氫氣刻蝕帶來的晶格缺陷和表面硅富集嚴重削減現象。并且石墨烯具有較少的缺陷，層數在４層左右且均勻分布，具有較好的晶體質量。