Verbesserte Prozessstabilität für das Wachstum von einlagigem Graphen auf verschiedenen SiC-Substraten

Die von der PTB patentierte Technik des polymerunterstützten Sublimations-wachstums (PASG) wurde durch die Abscheidung von wohldefinierten Polymerlösungen auf verschiedenen SiC-Substraten verbessert. Das optimierte Verfahren ist hocheffizient und ermöglicht eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit von epitaktischem Monolagen-Graphen, das für die Herstellung von elektrischen Quantenwiderstandsnormalen verwendet wird.

Im Vergleich zu früheren Methoden der Polymerabscheidung wird das Polymeradsorbat nun durch Spin-Deposition aus stark verdünnten Lösungen abgeschieden. Dieser Ansatz optimiert die Stabilisierung der Substratoberfläche während des Wachstums und unterdrückt die Bildung von hohen Substratstufen zuverlässig auch auf Wafersubstraten mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Während des Hochtemperatur-Sublimationsprozesses ist es von entscheidender Bedeutung, dass eine glatte und homogene Pufferschicht an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem einlagigen Graphen entsteht. Die eingestellte Menge des adsorbierten Polymers bestimmt für jeden Wafertyp die endgültige Graphen-Monolagenbedeckung. So zeigte sich in unserer Untersuchung über den Einfluss von unterschiedlichen Polymerkonzentrationen, dass Wafer mit einem geringen Fehlwinkel im Vergleich zu Substraten mit größerem Fehlwinkel eine höhere Polymerkonzentration benötigen, um jeweils Schichten mit gleichbleibender Qualität zu erhalten.

Abgesehen von der besonders glatten Graphenschicht (siehe Bild), welche für die Herstellung von Quanten-Hall-Widerstandsnormalen benötigt wird, ermöglicht uns die präzisere Polymerabscheidung, Graphen-Nanobänder zu züchten und die Terrassenbreiten und Stufenhöhen abzustimmen, was wiederum für die Herstellung unterschiedlicher Nanostrukturen auf der Basis von Graphen nützlich sein kann.

Bild: Im Vordergrund links sind mikroskopische Aufnahmen von Graphenschichten dargestellt, die mit Hilfe des optimierten Verfahrens auf unterschiedlichen Substratwafern gewachsen wurden. Im Vordergrund rechts die mikroskopische Aufnahme von besonders glattem Monolagen-Graphen für die Herstellung von Quanten-Hall-Widerstandsnormalen.

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“