共场协同调控实现6英寸单层石墨烯的直接生长与晶圆级均匀性

《National Science Review》：Co-field-reconciled direct growth of 6-inch monolayer graphene

本刊推荐：为解决绝缘衬底上晶圆级高质量石墨烯直接生长的技术瓶颈，研究人员开展了共场协同调控的CVD（化学气相沉积）合成策略研究。通过石墨垫圈优化热场分布和气流分布板消除停滞区，实现了6英寸蓝宝石晶圆上单层石墨烯的批量化均匀生长。该工作制备的顶栅石墨烯场效应晶体管（TG-GFET）阵列展现出优异的电学均一性，室温迁移率达624±93 cm2V-1s-1，为二维材料晶圆级集成奠定了技术基础。

　　

石墨烯因其独特的电学、光学和机械性能，在下一代电子和光电子器件领域展现出巨大应用潜力。然而，要实现其产业化应用，首先需要解决晶圆级高质量石墨烯薄膜的可控制备难题。目前主流的化学气相沉积（CVD）法通常在金属衬底上生长石墨烯，但后续必须通过复杂的转移工艺将石墨烯转移到目标绝缘衬底上。这一过程不可避免地会引入裂纹、污染和掺杂，严重影响了薄膜的均匀性和器件可靠性。

为规避转移带来的问题，研究人员致力于在绝缘衬底上直接生长石墨烯。蓝宝石（c-plane sapphire）因其优异的热稳定性、六方晶格对称性和成熟的制造工艺，被视为理想的生长衬底。然而，在扩大至6英寸晶圆尺寸时，传统的冷壁CVD系统面临严峻挑战：电磁感应加热的趋肤效应会导致衬底边缘和中心存在显著温度梯度，而气流分布不均又会形成停滞区，共同导致石墨烯生长不均匀、多层岛状结构出现，难以实现批量化生产。

针对这一难题，苏州大学、北京石墨烯研究院和上海科技大学等机构的研究团队在《National Science Review》上报道了一种共场协同调控（co-field-reconciled）合成策略。该团队通过在家用冷壁CVD反应器中协同优化热场和流场分布，成功实现了6英寸蓝宝石晶圆上单层石墨烯的批量化均匀生长。他们创新性地采用石墨垫圈（graphite gasket）来均化衬底表面温度，并优化气流分布板（gas distributor plate）的开孔图案以消除气流停滞区，从而实现了晶圆级石墨烯生长环境的精确控制。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：利用自制的电磁感应加热冷壁CVD系统进行石墨烯生长，通过引入石墨垫圈优化热场均匀性，采用环形阵列气流分布板改善流场分布，结合计算流体动力学（CFD）模拟验证场分布优化效果，并通过拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）和电学测试等手段对生长的石墨烯进行系统表征。顶栅石墨烯场效应晶体管（TG-GFET）阵列的制备采用了紫外光刻、电子束蒸发、原子层沉积（ALD）等标准半导体工艺。

6英寸石墨烯晶圆生产

研究团队对传统冷壁CVD反应器进行了关键改进：将电阻加热升级为电磁感应加热，实现了"载具自加热"模式，加热速率提高了30%-50%。针对6英寸大尺寸晶圆，他们设计了环形阵列开孔模式的气流分布板，有效消除了衬底中心的气流停滞区。同时，通过在石墨载具和生长衬底之间引入石墨垫圈，解决了因趋肤效应导致的边缘过热问题，使晶圆表面最大温差从50℃降至5℃以内。

晶圆尺度的共场调控

计算流体动力学（CFD）模拟结果显示，优化后的热场和流场均匀性得到显著提升。气流速度分布在衬底表面变得更加均匀，最大速度差从7×10^-4m·s^-1降至可忽略水平。活性碳物种的沉积速率分布也趋于一致，最大面内变异仅为0.06×10^-4kg·m^-2·s^-1。实验表征表明，优化后的6英寸石墨烯/蓝宝石晶圆的方块电阻（sheet resistance）平均值达到~506 Ω sq^-1，光学透过率中心值为97.7%，且空间波动显著减小，证实了薄膜的优异均匀性。

6英寸晶圆级石墨烯的均匀性评估

生长出的石墨烯薄膜在光学显微镜下呈现出均匀连续的形貌，无可见污染物。原子力显微镜表征显示，优化后的晶圆表面台阶形貌在9个代表性区域均保持一致。拉曼光谱分析表明，整个晶圆上100个随机采集点的G峰位置为1588±1 cm^-1，2D峰的半高宽（FWHM）为31±1 cm^-1，I_D/I_G强度比低于0.1，且2D峰可由单一洛伦兹函数拟合，证实了高质量单层石墨烯的形成。

透射电子显微镜（TEM）表征进一步验证了石墨烯的晶体质量。原子分辨率的TEM图像和快速傅里叶变换（FFT）图谱显示了石墨烯的高结晶性。截面高分辨TEM观察发现，石墨烯/蓝宝石界面呈现铝富集终止（Al-rich termination），这与在较低温度（~1050°C）下传统CVD生长通常观察到的氧富集终止形成鲜明对比。这种铝富集表面可能有利于碳前驱体的分解，从而促进石墨烯的形成。

单层形成的理论见解

通过从头算分子动力学（AIMD）模拟，研究人员从理论上深入理解了冷壁CVD系统中单层石墨烯的形成机制。在传统热壁CVD系统中，衬底上方的高温区会促进气相热解，使CH₄分子演化成较大的碳物种和团簇，这些团簇易吸附在生长的石墨烯表面引发二次成核，导致多层岛状生长。而在冷壁CVD系统中，高温（~1400°C）仅局限于衬底表面，显著抑制了气相反应和大碳团簇的形成。

自由能计算表明，在1350°C时，CH₄分解为CH₃和H的反应能垒比1300°C时降低了约0.5 eV，意味着分解速率提高了约40倍。这种受限的表面加热特性和均匀的衬底温度相结合，有效加速了CH₄分解，同时抑制了不可控的气相反应，为高质量单层石墨烯的定制生长提供了动力学途径。

基于6英寸石墨烯/蓝宝石晶圆的器件性能

为评估石墨烯的电学性能，研究团队在6英寸晶圆上制备了顶栅石墨烯场效应晶体管（TG-GFET）阵列。器件采用行业兼容的顶栅构型，石墨烯沟道尺寸为50×50 μm²，栅介质为50 nm厚的Al₂O₃（通过原子层沉积生长）。电学测试显示，所有器件均表现出典型的双极性场效应调制特性，且性能高度均匀。

对随机选取的60个TG-GFET器件的统计表明，场效应迁移率的平均值为624±93 cm²V^-1s^-1，最高迁移率达到1014 cm²V^-1s^-1。虽然这一数值尚未达到从铜衬底转移的CVD石墨烯的最佳性能，但已优于先前报道的在SiC、SiO₂或蓝宝石衬底上直接生长的石墨烯，且明显高于最先进的晶圆级二维半导体。在83 K的低温条件下，器件性能进一步改善，最高迁移率可达1200 cm²V^-1s^-1，显示出更好的电子-空穴对称性。

这项研究通过热场和流场的协同优化，成功实现了6英寸蓝宝石晶圆上单层石墨烯的可控生长，解决了大尺寸绝缘衬底上石墨烯直接生长的关键技术难题。该策略不仅适用于蓝宝石衬底，还可推广至SiC、WC、Si₃N₄和SiO₂等其他绝缘衬底，为二维材料的晶圆级集成提供了通用技术路线。研究成果展示了直接生长石墨烯在电子和光电子器件应用中的巨大潜力，为未来纳米电子学的发展奠定了坚实基础。