本申請(qǐng)涉及半導(dǎo)體材料，特別是涉及一種石墨烯晶圓及其原位制備方法、電子器件。

背景技術(shù)：

1、石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，其具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。由于其卓越的導(dǎo)電性和高載流子遷移率，石墨烯被認(rèn)為是下一代半導(dǎo)體材料的候選者，它在電子器件、傳感器、能源存儲(chǔ)（如超級(jí)電容器）以及柔性電子學(xué)中有廣泛的潛在應(yīng)用。目前，制備大面積高質(zhì)量石墨烯薄膜的方法主要是在銅、鎳等金屬薄膜上采用化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行石墨烯薄膜的制備；其中，化學(xué)氣相沉積法是將一種或多種氣態(tài)物質(zhì)導(dǎo)入進(jìn)反應(yīng)室中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在基底沉積出薄膜。

2、然而，在進(jìn)行大規(guī)模制備時(shí)，圖案化生長(zhǎng)過(guò)程中石墨烯的層數(shù)往往難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，而石墨烯的層數(shù)卻會(huì)直接影響器件性能；具體表現(xiàn)為，單層石墨烯（slg）具有最高的載流子遷移率和獨(dú)特的量子霍爾效應(yīng)，適用于高頻電子器件和透明導(dǎo)電薄膜；雙層石墨烯（blg）可通過(guò)外場(chǎng)調(diào)節(jié)其帶隙，適用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（fet）；多層石墨烯（mlg）機(jī)械強(qiáng)度更高，適用于屏蔽材料或復(fù)合增強(qiáng)材料；由此對(duì)石墨烯層數(shù)的精準(zhǔn)控制對(duì)于提升器件性能至關(guān)重要。此外，目前主流的石墨烯器件的制備過(guò)程中需要對(duì)石墨烯薄膜進(jìn)行轉(zhuǎn)移，這個(gè)過(guò)程有可能會(huì)造成石墨烯的污染及破損，從而影響器件性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N石墨烯晶圓及其原位制備方法、電子器件，可以實(shí)現(xiàn)石墨烯晶圓的原位制備以及石墨烯薄膜（層數(shù)）的受控生長(zhǎng)。

2、本申請(qǐng)的第一方面提供了一種石墨烯晶圓的原位制備方法，包括：

3、在晶圓一側(cè)的表面上形成圖案化的第一生長(zhǎng)基底和圖案化的第二生長(zhǎng)基底，所述第一生長(zhǎng)基底的溶碳度大于相同溫度下所述第二生長(zhǎng)基底的溶碳度；

4、在所述第一生長(zhǎng)基底的表面上和所述第二生長(zhǎng)基底的表面上分別形成第一石墨烯薄膜和第二石墨烯薄膜，所述第一石墨烯薄膜的層數(shù)大于所述第二石墨烯薄膜的層數(shù)；

5、使所述第一石墨烯薄膜與所述第一生長(zhǎng)基底解耦，以及使所述第二石墨烯薄膜與所述第二生長(zhǎng)基底解耦后，去除所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底，使所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜原位附著在所述晶圓上，獲得石墨烯晶圓。

6、在本申請(qǐng)的一些實(shí)施方式中，滿足如下條件中的一個(gè)或多個(gè)：

7、（1）所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底分別為多個(gè)，多個(gè)所述第一生長(zhǎng)基底與多個(gè)所述第二生長(zhǎng)基底相間分布；

8、（2）所述第一生長(zhǎng)基底的材料包括銅、鎳、鎢、鉬、鐵、鈷、銥、鋨、鈀、銠、鉑和金中的一種或多種；

9、（3）所述第二生長(zhǎng)基底的材料包括銅、鎳、鎢、鉬、鐵、鈷、銥、鋨、鈀、銠、鉑和金中的一種或多種，且所述第二生長(zhǎng)基底的材料的溶碳度小于相同溫度下所述第一生長(zhǎng)基底的材料的溶碳度；

10、（4）所述第一生長(zhǎng)基底與所述第二生長(zhǎng)基底的厚度各自獨(dú)立地為20nm~50μm；

11、（5）所述第一石墨烯薄膜的層數(shù)大于或等于2，所述第二石墨烯薄膜的層數(shù)等于1。

12、在本申請(qǐng)的一些實(shí)施方式中，所述在晶圓一側(cè)的表面上形成圖案化的第一生長(zhǎng)基底和圖案化的第二生長(zhǎng)基底，包括：

13、采用圖案化的第一掩膜版和圖案化的第二掩膜版先、后遮擋所述晶圓一側(cè)的表面，通過(guò)圖案化鍍膜技術(shù)先、后在所述晶圓一側(cè)的表面上形成所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底；其中，所述第一掩膜版的鏤空區(qū)域與所述第二掩膜版的鏤空區(qū)域呈相反設(shè)置；

14、可選地，所述圖案化鍍膜技術(shù)包括光刻、掩膜鍍膜、噴涂、自組裝中的一種或多種，進(jìn)一步可選為掩膜鍍膜；

15、可選地，所述掩膜鍍膜中的鍍膜方法包括電鍍、化學(xué)鍍、磁控濺射、蒸鍍、化學(xué)氣相沉積、熱噴涂和熱浸鍍中的一種或多少，進(jìn)一步可選為磁控濺射。

16、在本申請(qǐng)的一些實(shí)施方式中，所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜的形成方法包括化學(xué)氣相沉積法和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法中的一種；

17、可選地，所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜的形成過(guò)程包括：

18、將形成有所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底的所述晶圓置于化學(xué)氣相沉積設(shè)備或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，通入碳源并在保護(hù)氣氛中加熱，使碳原子沉積在所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底上，降溫后分別生長(zhǎng)成為所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜。

19、在本申請(qǐng)的一些實(shí)施方式中，所述使所述第一石墨烯薄膜與所述第一生長(zhǎng)基底解耦，以及使所述第二石墨烯薄膜與所述第二生長(zhǎng)基底解耦的步驟，包括：

20、采用界面劑對(duì)所述第一石墨烯薄膜與所述第一生長(zhǎng)基底、以及所述第二石墨烯薄膜與所述第二生長(zhǎng)基底進(jìn)行處理；

21、可選地，所述界面劑包括水、乙醇、氨水、二甲基亞砜、甲酰胺、吡啶和丙酮中的一種或多種。

22、在本申請(qǐng)的一些實(shí)施方式中，所述去除所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底的步驟，包括：

23、采用刻蝕劑對(duì)所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底進(jìn)行處理；

24、可選地，所述刻蝕劑包括氯化鐵、過(guò)硫酸銨、硝酸、氯化銅、鹽酸、過(guò)氧化氫、氫氧化鈉和乙酸銨中的一種或多種。

25、在本申請(qǐng)的一些實(shí)施方式中，在去除所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底之前的步驟，還包括：

26、在所述第一石墨烯薄膜的表面和所述第二石墨烯薄膜的表面形成支撐層；

27、可選地，使所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜原位附著在所述晶圓上之后，還包括：

28、對(duì)所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜做清洗，以去除所述支撐層。

29、本申請(qǐng)的第二方面提供了一種石墨烯晶圓，通過(guò)本申請(qǐng)第一方面所述的原位制備方法制得。

30、在本申請(qǐng)的一些實(shí)施方式中，所述石墨烯晶圓包括晶圓和設(shè)于所述晶圓一側(cè)的表面上的第一石墨烯薄膜和第二石墨烯薄膜，所述第一石墨烯薄膜的層數(shù)大于所述第二石墨烯薄膜的層數(shù)；

31、可選地，所述第一石墨烯薄膜與所述第二石墨烯薄膜相間分布；

32、可選地，所述第一石墨烯薄膜的層數(shù)大于或等于2，所述第二石墨烯薄膜的層數(shù)等于1。

33、本申請(qǐng)的第三方面提供了一種電子器件，包括本申請(qǐng)第二方面所述的石墨烯晶圓。

34、本申請(qǐng)?zhí)峁┑脑恢苽浞椒ǎㄟ^(guò)第一生長(zhǎng)基底和第二生長(zhǎng)基底的設(shè)置，可以同時(shí)在不同的區(qū)域生長(zhǎng)出不同層數(shù)的石墨烯薄膜，實(shí)現(xiàn)不同層數(shù)石墨烯薄膜的圖案化生長(zhǎng)，通過(guò)不同層數(shù)石墨烯薄膜的圖案化生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)多功能器件在單一基板上的集成（如傳感+導(dǎo)電+屏蔽），對(duì)于提升石墨烯薄膜在高端電子器件的應(yīng)用與推廣，具有至關(guān)重要的意義。同時(shí)，該原位制備方法還可實(shí)現(xiàn)石墨烯薄膜在晶圓上的原位制備及轉(zhuǎn)移，其對(duì)石墨烯薄膜在高端電子器件的應(yīng)用推廣有著重要的意義。

技術(shù)特征：

1.一種石墨烯晶圓的原位制備方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位制備方法，其特征在于，滿足如下條件中的一個(gè)或多個(gè)：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原位制備方法，其特征在于，所述在晶圓一側(cè)的表面上形成圖案化的第一生長(zhǎng)基底和圖案化的第二生長(zhǎng)基底，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原位制備方法，其特征在于，所述第一石墨烯薄膜和所述第二石墨烯薄膜的形成方法包括化學(xué)氣相沉積法和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法中的一種；

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原位制備方法，其特征在于，所述使所述第一石墨烯薄膜與所述第一生長(zhǎng)基底解耦，以及使所述第二石墨烯薄膜與所述第二生長(zhǎng)基底解耦的步驟，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原位制備方法，其特征在于，所述去除所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底的步驟，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原位制備方法，其特征在于，在去除所述第一生長(zhǎng)基底和所述第二生長(zhǎng)基底的步驟之前，還包括：

8.一種石墨烯晶圓，其特征在于，通過(guò)權(quán)利要求1~7任一項(xiàng)所述的原位制備方法制得。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的石墨烯晶圓，其特征在于，所述石墨烯晶圓包括晶圓和設(shè)于所述晶圓一側(cè)表面上的第一石墨烯薄膜和第二石墨烯薄膜，所述第一石墨烯薄膜的層數(shù)大于所述第二石墨烯薄膜的層數(shù)；

10.一種電子器件，其特征在于，包括權(quán)利要求8或9所述的石墨烯晶圓。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N石墨烯晶圓及其原位制備方法、電子器件，該原位制備方法包括在晶圓一側(cè)的表面上形成圖案化的第一生長(zhǎng)基底和圖案化的第二生長(zhǎng)基底，第一生長(zhǎng)基底的溶碳度大于相同溫度下第二生長(zhǎng)基底的溶碳度；在第一生長(zhǎng)基底的表面上和第二生長(zhǎng)基底的表面上分別形成第一石墨烯薄膜和第二石墨烯薄膜，第一石墨烯薄膜的層數(shù)大于第二石墨烯薄膜的層數(shù)；使第一石墨烯薄膜與第一生長(zhǎng)基底解耦，以及使第二石墨烯薄膜與第二生長(zhǎng)基底解耦后，去除第一生長(zhǎng)基底和第二生長(zhǎng)基底，使第一石墨烯薄膜和第二石墨烯薄膜原位附著在晶圓上，獲得石墨烯晶圓。本申請(qǐng)?zhí)峁┑脑恢苽浞椒梢詫?shí)現(xiàn)石墨烯晶圓的原位制備以及石墨烯薄膜的受控生長(zhǎng)。

技術(shù)研發(fā)人員：張寶勛,李學(xué)瑞,李炯利,王旭東,王剛,羅圭納
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京石墨烯技術(shù)研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8