Высококачественный многослойный графен на 4H-SiC через джоулево разложение: рамановская характеристика

Аннотация

Мы представили подход Джоулевого нагревательного разложения (JHD), при котором постоянный ток подается на высоколегированный 4H-SiC субстрат, обеспечивая эпитаксиальный рост многослойного графена (MLG) на Si-терминированной (0001) поверхности всего за несколько минут. Рамановская спектроскопия использовалась для квантификации влияния джоулево-генерированной температуры на качество MLG, однородность, деформацию, число слоев и электрическое поведение. Результаты показывают, что и температура роста (контролируемая приложенным током), и длительность критически влияют на дефектность, в то время как число слоев зависит только от температуры. Оптимальные условия — ~1470 °C на 5 мин — дают ~45-слойный, бездефектный, однородный MLG участок (~12 × 5 мм²). Методом линейных передаточных линий измерили специфическое контактное сопротивление Au-MLG 5,03×10⁻⁵ Ом·см² и поверхностное сопротивление 52,36 Ом/кв.

Введение

Исключительные механические, электронные и тепловые свойства графена вывели его на передний план наноэлектроники, прозрачных электродов и печатной фотоники (см., например, ссылки [1,2]). Существует множество путей синтеза: механическое отслоение дает pristine монослои, но ограниченного размера; химическое осаждение из паровой фазы (CVD) на Ni или Cu дает крупноплощадные пленки; безметаллический CVD на кремнии дает небольшие хлопья. Термическое разложение карбида кремния (SiC) остается наиболее перспективным для производства высококачественного, вейфер-масштабного эпитаксиального графена (EG) непосредственно на полупроводниковой подложке, избегая дефектов, связанных с переносом.

Хотя изучались различные стратегии нагрева (индукционное радиочастотное, лазерное и другие) для роста EG, JHD техника предлагает быстрый, контролируемый нагрев постоянным током, достигая поверхностных температур от ~1230 °C до >1600 °C за секунды. Этот метод позволяет вейфер-масштабные графеновые пленки и предлагает дешевую, высокоэффективную платформу роста. В данном исследовании мы изучаем, как приложенный ток, результирующая температура и время роста влияют на структурные и электрические свойства MLG, выращенного на 4H-SiC методом JHD.

Методы/Эксперимент

Рост графена на 4H-SiC

Коммерческие двухдюймовые n-типа 4H-SiC вейферы (350 мкм толщиной, ~0,02 Ом·см) раскраивали на 25 мм × 5 мм куски. После ультразвуковой очистки в метаноле, ацетоне и этаноле, تبعов RCA очисткой, образцы монтировали между Mo электродами на керамической платформе (см. рис. 1a). Камеру выкачивали до ~10⁻⁶ Торр и приложали постоянный ток (2,79–3,43 А), поднимая температуру поверхности субстрата до 1230–1600 °C. Рост шел 5 мин, после чего образцы охлаждали в вакууме более 4 часов перед характеристикой.

Характеризация образцов

Поверхностные температуры мониторили MI16MB18 инфракрасным термометром. Рамановская спектроскопия на WITec alpha 300RA конфокальном микроскопе (лазер 488 нм, 600 линий/мм решетка, Пельтье-охлажденный CCD). AFM (SPA-400) картировал морфологию до и после индукционно-связанной плазменной травли (ICP) (30 ссм O₂, 60 с). Au контакты осаждали термическим испарением, и методом линейных передаточных линий (LTLM) извлекали контактное сопротивление, IV измерения на Keithley 2410 SourceMeter и 6514 электрометре при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

Четыре MLG образца синтезировали при постоянных токах 2,79, 3,05, 3,24 и 3,43 А, соответствующих пиковым поверхностным температурам ~1230, 1350, 1470 и 1600 °C соответственно. Рамановские спектры (рис. 1b) показали характерные D (~1370 см⁻¹), G (~1600 см⁻¹) и 2D (~2750 см⁻¹) полосы графена. По сравнению с графеном от механического отслоения (MCG), MLG G и 2D полосы были сине-смещены на ~20 и ~77 см⁻¹ соответственно, что согласуется с деформацией от несоответствия решеток и, в меньшей степени, легированием.

При 1230 °C высокое I_D/I_G (~1,01) и отсутствие 2D полосы указывали на сильно дефектную пленку. Повышение температуры до 1350 °C снизило I_D/I_G до ~0,38 и дало симметричную 2D полосу (FWHM ≈ 72 см⁻¹), подтверждая улучшенную кристалличность. Дальнейший нагрев до 1470 °C снизил I_D/I_G до ~0,06 и слегка красно-сместил 2D полосу, предполагая релаксацию деформации и дополнительное формирование слоев. Однако при 1600 °C I_D/I_G выросло до ~0,43, имплицируя генерацию дефектов от быстрого, неравновесного сублимирования и более выраженной релаксации деформации (красный сдвиг всех рамановских пиков).

Для изучения временного эффекта три образца выращивали при 3,24 А (~1470 °C) на 2, 5 и 10 мин (рис. 1c). 5-минутная пленка демонстрировала наименьшее I_D/I_G (~0,06) и меньше дефектов, в то время как 2- и 10-минутные имели более высокие отношения (~0,41 и ~0,29). 2-минутный рост был недостаточен для полной реконструкции слоев; 10-минутный вводил дефекты от остаточных газов камеры. Позиции рамановских пиков оставались неизменными при разных временах, указывая на стабильное деформированное состояние и похожее число слоев (I_G/I_2D ≈ 3,0).

Пространственная однородность подтвердилась рамановским маппингом точек A, B, C (рис. 1d). Точки A и B, дальше от Mo электродов, показывали низкое I_D/I_G и симметричные 2D полосы, с последовательными I_G/I_2D и I_SiC/I_G соотношениями, подтверждая однородную 45-слойную пленку на ~12 × 5 мм².

Оптическое изображение (рис. 2a) показало преимущественно однородный цветовой контраст с изолированными темными точками. Рамановский маппинг (рис. 2b) выявил, что эти точки имеют более высокую 2D интенсивность и слегка красно-смещенные G и 2D пики, предполагая предпочтительный рост графена на поверхностных дефектах или винтовых дилокациях, ускоряющих разложение SiC. FWHM 2D полосы оставался однородным, кроме областей у дефектов (рис. 2d).

AFM после ICP травли (рис. 3a) выдал четкую террасу между графеном и травленным SiC. Профили высоты (рис. 3b) дали среднюю высоту ступеньки ~15,46 нм, соответствующую ~45 слоям графена (межслойный интервал ≈ 0,34 нм). Пост-травления рамановские спектры (рис. 3c) подтвердили полное удаление графена (отсутствие D, G, 2D полос). RMS шероховатость выросла с 0,84 нм (до травли) до 2,79 нм (после травли), отражая шероховатость поверхности, индуцированную ростом графена.

Электрическая характеристика 1470 °C, 5-мин MLG (рис. 4a) использовала LTLM для извлечения поверхностного сопротивления (ρ_s = 52,36 Ом/кв) и специфического контактного сопротивления (ρ_c = 5,03×10⁻⁵ Ом·см²) через линейную зависимость R_T = (ρ_s/Z)d + 2R_C и ρ_c = ρ_s L_T². Эти значения демонстрируют отличный омический Au-графен контакт.

Заключение

Мы продемонстрировали простую JHD технику, производящую вейфер-масштабный, бездефектный, ~45-слойный MLG непосредственно на 4H-SiC (0001). Оптимизируя температуру (~1470 °C) и время роста (5 мин), мы достигли 12 × 5 мм² пленки с I_D/I_G ≈ 0,06, ρ_s ≈ 52 Ом/кв и ρ_c ≈ 5×10⁻⁵ Ом·см². Будущие работы будут исследовать эпитаксиальные SiC подложки, инертное газовое конфинмент и другие уточнения процесса для дальнейшего улучшения однородности пленки и интеграции JHD-выращенного графена в SiC-основанные оптоэлектронные устройства.

Аббревиатуры

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

Al:

Алюминий

C:

Углерод

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

DC:

Постоянный ток

EG:

Эпитаксиальный графен

FWHM:

Половина ширины на полувысоте

ICP:

Индукционно-связанная плазма

I_X:

Интенсивность X полосы

JHD:

Джоулево нагревательное разложение

LTLM:

Метод линейных передаточных линий

MCG:

Графен механического отслоения

MLG:

Многослойный графен

Mo:

Молибден

SiC:

Карбид кремния