Nat.Sci.Rev. | 6 英寸单层石墨烯的共场协同直接生长

日期：

2025-12-26 17:30

苏州大学孙靖宇教授，北京大学/北京石墨烯研究院刘忠范院士，上科大纪清清研究员及其团队在National Science Review期刊共同发表了题为 Co-field-reconciled direct growth of 6-inch monolayer graphene的论文。

本文提出了一种协同场调控策略，通过调控温场和流场，实现了在 6 英寸蓝宝石晶圆上直接生长单层石墨烯。该方法通过引入石墨垫片和优化匀气盘，显著提高了生长均匀性和批次重复性。理论计算表明，该方法显著降低了甲烷分解能垒，抑制了多层成核。制备的石墨烯薄膜展现出优异的晶体质量、空间均匀性和电学性能，6 英寸晶圆级顶栅石墨烯场效应晶体管阵列展现出与现有技术相当的室温迁移率。该方法还可扩展到其他绝缘衬底，为二维材料的大规模集成奠定了基础。

背景

石墨烯因其独特的电子和光学性质，在电子和光电子器件领域备受关注。然而，实现高质量石墨烯的晶圆级合成仍然是一个挑战，尤其是在绝缘衬底上。传统的化学气相沉积（CVD）方法虽然成熟，但通常需要复杂的转移过程，容易引入杂质和缺陷，降低薄膜均匀性和器件可靠性。因此，直接在目标衬底上合成石墨烯被认为是一种有前途的替代方案。

主要内容

研究团队通过优化温场和流场，实现了在 6 英寸蓝宝石晶圆上直接生长单层石墨烯。实验中，通过引入石墨垫片均匀衬底表面温度，优化匀气盘均匀流场分布，显著改善了生长均匀性。理论计算表明，冷壁 CVD 系统中甲烷分解能垒降低，反应速率加快，且抑制了多层成核。实验结果表明，生长的石墨烯具有优异的晶体质量和电学性能，6 英寸晶圆级石墨烯场效应晶体管阵列展现出高度一致的器件特性，室温迁移率平均值与现有技术相当。

实验细节概括

实验在自制的冷壁 CVD 系统中进行，通过电磁感应加热石墨盘，实现高效的“载体自加热”模式。通过匀气盘优化石墨垫片设计，显著改善了衬底表面的温场和流场分布。实验中，6 英寸蓝宝石晶圆在 1400°C 下退火 10 分钟，随后在 3000 Pa 的 Ar/H₂ 气氛中引入 CH₄ 进行石墨烯生长。通过拉曼光谱、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和四探针电学测量等手段对生长的石墨烯进行了全面表征。此外，还在 6 英寸晶圆上制备了顶栅石墨烯场效应晶体管阵列，验证了器件性能的均匀性。

创新点

1.提出了一种协同场调控策略，通过引入石墨垫片和优化匀气盘均匀温场和流场，显著提高了石墨烯生长的均匀性和批次重复性。

2.实现了在 6 英寸蓝宝石晶圆上直接生长高质量单层石墨烯，展现出优异的晶体质量和电学性能。

3.理论计算揭示了冷壁 CVD 系统中甲烷分解能垒降低和反应速率加快，抑制了多层成核。

4.6 英寸晶圆级石墨烯场效应晶体管阵列展现出与现有技术相当的室温迁移率，证明了该方法的可扩展性。

5.该方法还可扩展到其他绝缘衬底（如 SiC、WC、Si₃N₄ 和 SiO₂），为二维材料的大规模集成提供了新途径。

结论

本文通过协同场调控策略，实现了在 6 英寸蓝宝石晶圆上直接生长高质量单层石墨烯。该方法不仅显著提高了石墨烯生长的均匀性和批次重复性，还通过理论计算和实验验证了其在冷壁 CVD 系统中的优势。6 英寸晶圆级石墨烯场效应晶体管阵列展现出优异的电学性能，证明了该方法在大规模二维材料集成中的潜力。该研究为未来纳米电子学和光电子学的发展奠定了基础。