石墨烯材料具有良好的物理和电学性能,是国际上二维材料研究的热点之一,在国防和国民经济中具有广阔的应用前景。但是在实际应用中要把石墨烯的优良特性完全展现出来并非易事,首先要面对的就是高性能石墨烯材料的制备问题。到目前为止有多种方法能够实现石墨烯的制备,但是主要有以下四种方法能够制备应用于微电子制造的石墨烯材料:微机械剥离法,基于金属衬底的CVD法,氧化还原石墨法,基于碳化硅衬底的外延生长法。但就石墨烯在微电子领域的应用和与现有半导体技术兼容性而言,SiC基外延石墨烯最具发展潜力,且SiC基外延石墨烯已经促使石墨烯器件有了突破性进展。这种石墨烯制备方法是利用SiC材料中Si和C的饱和蒸汽压不同的特征,在高温和高真空环境下,Si原子首先升华,留下C原子重构成石墨烯。普通的SiC高温热解法存在工艺温度较高、生长时间较长,对真空度和气氛的控制要求高等不足之处,限制了SiC外延石墨烯的高效、高质合成。传统SiC热解工艺制备的石墨烯材料品质不高、不能有效的打开一个较宽带隙,不能直接应用于微纳米器件及相关电路的制造。本研究围绕高纯SiC衬底上石墨烯新型制备方法的开发和相关性能表征进行实验和理论研究。在石墨烯外延过程中更新改进工艺、选择合适的衬底材料、考虑成本和效率的前提下,制备出高质量及具有特殊用途的石墨烯材料。主要研究工作和创新如下:1.通过face-to-face方法在4H-SiC衬底上制备出高质量的石墨烯样品。在SiC衬底上制备高质量的外延石墨烯要求材料成核点分布均匀、密度适宜且Si原子析出的速度适中。为了得到适合的C原子成核点和大面石墨烯材料,对衬底表面进行氢刻蚀预处理。为了得到分布均匀的成核点,详细研究了氢气刻蚀条件对外延石墨烯的质量的影响。为了使衬底各个部分具有相同的Si原子析出速率,基于前期对SiC上石墨烯外延生长的实验和理论研究,更改石墨烯外延工艺,提出新型盖帽和face-toface技术实现石墨烯材料高效、高质量制备,实现生长温度和生长时间两个维度对外延石墨烯层数的有效控制。2.深入研究高纯衬底上外延石墨烯的制备工艺。在研究衬底对外延石墨烯的影响过程中,不仅发现衬底形貌对外延石墨烯制备的成核点有十分重要的影响,而且衬底的掺杂情况对外延石墨烯的质量有十分重要的影响。因此,为了提高外延材料的质量,探究了高品质、高纯衬底上外延石墨烯的生长工艺。研究发现高纯衬底上外延石墨烯的制备对工艺的要求更高,且和掺杂半绝缘衬底比较起来高纯衬底上制备的外延石墨烯具有更高的质量。3.研究了C离子注入对外延石墨烯的影响。衬底C离子的注入不仅对外延石墨烯质量影响很大,而且由于衬底的掺杂使得外延石墨烯和衬底间的结合方式发生了变化,从而影响到外延石墨烯的电学性质。详细研究C离子注入各要素对外延石墨烯电学特性的影响以及C离子注入对外延石墨烯制备工艺的影响,研究发现C离子注入一方面能够使得外延石墨烯的制备对工艺的要求有所降低,另一方面,C离子的注入使得衬底负电荷向外延石墨烯转移的情况发生了变化。4.研究Ⅲ,Ⅴ,Ⅱ,Ⅳ元素掺杂到SiC后对外延石墨烯电学性质的影响。研究发现和C离子注入SiC表面不同,这四种类型的原子注入到SiC表面后,使得负电荷转移量减少,表现为空穴的转移,且这几种原子注入到SiC表面后都会使得外延石墨烯的禁带展宽。5.在研究新型CCS制备技术的基础上,开展高纯衬底上大面积外延石墨烯制备的研究。通过微调已有工艺参数,在高纯4H-SiC衬底的Si面和C制备出了大面积的外延石墨烯。