基于SiC衬底的"近自由态"外延石墨烯制备及电输运研究

Monolayer and few layer epitaxial graphene grown on Si-terminated SiC substrate is promising scalable graphene technology for electronics. However, covalent bonds at the SiC-graphene interface (buffer layer) induce strong n-doping of the graphene and scatter the charge carriers. This project will prepare quasi-free standing epitaxial graphene by atoms intercalation (H/Ge/Si/Au) into the interface of epitaxial graphene and the SiC substrates, in which the influence of SiC substrates on the epitaxial graphene will be weakened dramatically. We will investigate the process and mechanism of atoms intercalation, doping mechanism and doping concentration control of the intercalated atoms to the epitaxial graphene, and carrier transportation in the as-prepared quasi-free standing epitaxial graphene. By pretreatment (patterned graphene), lateral p-n junctions will be formed in graphene. The properties of graphene p-n junctions will be studied. The results should be helpful for the physical research and application of graphene.

Si面SiC衬底上制备的单层或少层石墨烯是制备晶圆级石墨烯电子器件的理想选择。然而石墨烯与SiC间的界面（过渡层），在石墨烯中引入了重n型掺杂和强的载流子散射。本项目拟通过氢等原子插入石墨烯与SiC衬底间的界面，极大的减弱衬底对石墨烯的影响，制备"近自由态"石墨烯。研究原子插入石墨烯与衬底间界面的过程和机制，插入原子对外延石墨烯的掺杂机制和掺杂浓度控制，近自由态石墨烯的载流子输运，并通过图形化预处理等工艺制备横向石墨烯p-n结，开展石墨烯p-n结输运特性的研究。这些研究结果将为石墨烯的理论研究和实际应用提供帮助。

由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的石墨烯具有很高的电子运动速度，同时还具有超高热导率、高载流能力、低电噪声、良好的柔韧性、高透光率等特性，可实现高频电子器件（工作频率可达THz），具有广阔的应用前景。Si面SiC衬底上制备的单层或少层石墨烯是制备晶圆级石墨烯电子器件的理想选择。然而石墨烯与SiC间的界面（过渡层），在石墨烯中引入了重n型掺杂和强的载流子散射。本项目通过氢等原子插入石墨烯与SiC衬底间的界面，极大的减弱衬底对石墨烯的影响，制备"近自由态"石墨烯。研究了原子插入机制，近自由态石墨烯的载流子输运，插入原子对外延石墨烯的掺杂机制和掺杂浓度控制，制备横向石墨烯p-n结，并实现了高性能石墨烯晶体管和放大器电路。近自由态双层石墨烯载流子迁移率达到4,310 cm2/V•s，其制备的石墨烯晶体管截止频率达到407 GHz，最大振荡频率137 GHz，为SiC外延石墨烯晶体管国际最高水平；实现了国际首支石墨烯放大器单片集成电路，电路中心频率14.3 GHz，最大增益3.4 dB，最低噪声系数6.2 dB。我们的工作是首次实现石墨烯放大器单片集成电路。这是石墨烯在未来高速射频电子应用领域迈出的重要一步。以上研究结果为石墨烯的理论研究和实际应用提供帮助。