成果简介
本文，徐晨教授、解意洋副教授、福州大学孙捷教授等在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Transfer-Free CVD Growth of High-Quality Wafer-Scale Graphene at 300 °C for Device Mass Fabrication”的论文，研究报告了一种高质量、大规模的石墨烯CVD生长路线，可以满足低温生长和直接无转移生长的高要求。为了保证碳自由基在低温下有足够的活性，作者设计了一个多区热CVD系统，并根据计算流体动力学（CFD）模型对每个加热区的温度进行了合理的校准。作为决定石墨烯薄膜质量的关键因素，研究了腔体压力和氢气流量。
此外，还开发了一种通过复合铜箔制备单晶金属牺牲层的技术，用于石墨烯的低温无转移生长。拉曼结果显示，在300℃下获得的石墨烯具有良好的均匀性和质量，强度比为ID/IG=0.08和I2D/IG=1.67。我们的技术显示出与半导体技术的良好兼容性，并成功地制造了晶圆级石墨烯晶体管阵列。电学测量结果表明，通过我们的低温无转移生长技术可以实现高达1500cm2/(V-s)的迁移率，并且在衬底上的嵌入式电路可以保持不破损，这为实现高性能石墨烯电子器件的大规模生产和应用提供了一条具有高度可行性的途径。
图文导读
图1.具有梯度温度控制的多区域CVD系统，用于石墨烯的低温生长。
图2. 生长参数（室压和H2比率）对石墨烯的形态和质量的影响
图3. 在300℃下生长的高质量的石墨烯薄膜。
图4. 在300℃下直接在衬底上生长的2英寸晶圆级无转移石墨烯及其埋入式栅极FET阵列。
小结
在这项工作中，在300℃下成功实现了高质量连续单层石墨烯薄膜的生长。我们的研究证明了以下几点：(i) 多区管式炉的阶梯式温度配置可以为低温石墨烯生长保持足够的碳自由基。(ii) 较低的炉膛压力可以促进碳原子的扩散，从而提高石墨烯的均匀性和连续性。(iii) 适当的H2控制可以有效提高低温下石墨烯的质量。
石墨烯的低温无转移生长为当前电子电路与石墨烯器件的大规模集成提供了一个有吸引力的场景。在实验中，作者已经证明了层压过程和生长温度并没有破坏衬底上的嵌入式电极和二氧化硅门介质。因此，可以得出结论，这种技术也不会对CMOS中常用的氮化硅（熔点比SiO2高）和电极造成损害。这样一来，CMOS电路就可以用来控制石墨烯器件（包括数据输入、读出和可寻址操作），解决石墨烯器件阵列大规模使用的问题，这将大大促进石墨烯器件的应用。另一方面，石墨烯器件的优异性能（包括生物传感器、探测器、人工突触等）将拓展现有电子芯片的功能，使其更好地服务于人工智能、能源、生物医药等重要行业。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.2c16505
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