上海微系統(tǒng)所等在石墨烯單晶晶圓研究中獲進展

近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室在高遷移率的石墨烯單晶晶圓研究方面取得進展，相關研究成果以Wafer-scale growth of single-crystal graphene on vicinal Ge(001) substrate為題，發(fā)表在Nano Today上。

單晶石墨烯由于其超高的載流子遷移率，被認為是后硅CMOS時代最具潛力的溝道材料之一，直接在CMOS技術兼容的襯底上制備單晶石墨烯晶圓是石墨烯走向微電子應用的基礎，目前依然存在挑戰(zhàn)。工業(yè)界主流的CMOS技術基于(001)晶面硅晶圓，這意味著相較于(110)晶面的鍺晶圓，(001)晶面的鍺晶圓與CMOS工藝的兼容性更強。然而，通常(001)晶面鍺上生長的石墨烯晶疇取向無法控制，晶疇合并形成的石墨烯晶圓含有大量晶界，無法獲得石墨烯單晶晶圓烯，影響石墨烯在微電子領域的潛在應用。

研究發(fā)現(xiàn)，選用10o以上斜切角度的(001)晶面鍺作為石墨烯的生長襯底，可以獲得單一取向的石墨烯晶疇。通過將這些取向一致的石墨烯晶疇無縫拼接，研究人員在15o切角(001)晶面鍺襯底表面制備出高遷移率的單晶石墨烯晶圓。實驗結果和理論計算表明，石墨烯晶疇的形核取向與鍺襯底的斜切角度緊密關聯(lián)。同時，研究人員利用原子力顯微鏡對石墨烯生長行為進行連續(xù)觀察，結果表明，15o切角(001)晶面鍺襯底表面上沿著斜切方向的石墨烯的形核被抑制，而垂直于斜切方向的石墨烯形核不受影響。整個石墨烯生長過程中，無新的石墨烯形核產(chǎn)生，單晶石墨烯晶圓的制備是由取向一致的石墨烯晶疇無縫拼接而成。通過此技術制備出的單晶石墨烯晶圓展現(xiàn)出超高的載流子遷移率，有望對石墨烯納米電子器件的研制提供材料支撐。

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利用原子力顯微鏡連續(xù)觀察單晶石墨烯生長過程

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4英寸單晶石墨烯晶圓的載流子遷移率分布及統(tǒng)計

論文由上海微系統(tǒng)所信息功能材料國家重點實驗室與華東師范大學合作完成。上海微系統(tǒng)所直博生李攀林與華東師范大學博士生魏文婭為共同第一作者，上海微系統(tǒng)所研究員狄增峰和華東師范大學教授袁清紅為共同通訊作者，上海微系統(tǒng)所為第一完成單位。研究工作得到國家科技重大專項、中科院前沿科學重點研究項目、國家自然科學基金杰出青年基金、上海市科學技術委員會、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220300773