山东大学攻克SiC外延石墨烯关键瓶颈 实现6英寸晶圆级均匀单晶制备

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（来源：第三代半导体产业）

碳化硅热分解法是制备晶圆级免转移石墨烯的核心技术路径，可将石墨烯直接原位集成在宽禁带半导体衬底上，规避湿法转移带来的表面污染、裂纹、褶皱等缺陷，在射频高频器件、AR 光学器件等前沿领域具备突出应用潜力。但传统高温生长工艺会引发 SiC 衬底表面原子剧烈迁移重构，产生数十纳米级台阶聚并现象，造成石墨烯成核不均，带来电学输运各向异性、界面热阻升高等问题，成为制约SiC基石墨烯器件性能落地的行业共性技术障碍。

针对上述痛点，山东大学新一代半导体材料研究院陈秀芳、任华英、郁万成教授团队创新提出缓冲层形成石墨烯生长解耦的分步生长方案，依靠缓冲层介导调控生长动力学，一举破解大台阶聚并、台阶边缘优先成核两大核心难题。

该技术采用双阶段精准控温工艺：第一阶段维持相对低温，在 SiC (0001) 表面构筑连续完整缓冲层。缓冲层充当原子扩散屏障，束缚升华硅原子的扩散范围，抑制衬底台面长程原子迁移，从源头遏制台阶聚并，稳定衬底表面形貌。后续提升温度开展石墨烯生长，预先成型的缓冲层能够钝化 SiC 衬底表面悬挂键，缩小台阶边缘与台面之间悬挂键密度差距，平衡两处硅原子升华速率，优化表面碳化学势分布，实现台面、台阶边缘双位点同步成核，打破传统工艺台阶边缘主导成核的固有模式，成功获得高质量、单晶、均匀单层石墨烯，完成6英寸晶圆级可控制备。

图1. 传统高温直接生长与缓冲层形成与石墨烯生长解耦的分步生长机制差异示意图。

图2. 传统高温直接生长与分步生长石墨烯质量及表面台阶形貌对比。

图3. 分步生长石墨烯表征(a) XPS成分表征、(b)光学透过率测试、(c)、(d)低能电子衍射图样。

图4. DFT计算生长初期(a)、(b)armchair构型和(c)、(d)zigzag构型缓冲层横向扩展与石墨烯纵向生长的形成能对比。

图5. 第一阶段不同温度下(a)-(e) AFM台阶形貌及(f)-(j)拉曼mapping缓冲层及石墨烯覆盖率的变化趋势。(k)、(l)台阶高度和宽度分布统计。(m)、(n)缓冲层和石墨烯覆盖率统计。

图6. (a)-(c)传统高温直接生长与(d)-(f)分步生长成核路径SEM表征及示意图。

研究团队结合第一性原理计算开展机理剖析，证实生长初期缓冲层横向扩展相较垂直方向石墨烯生长，热力学能量优势可达 3‑10 eV，验证该生长机制的理论合理性。同时系统探究 350‑1800℃区间第一阶段退火温度，对缓冲层覆盖率、衬底台阶形貌的调控规律，实验结合理论划定缓冲层与石墨烯分步生长的有效温度窗口，为大尺寸 SiC 外延石墨烯工艺放大提供完整理论依据与实验参考。

该项成果打通 SiC 基晶圆级石墨烯高质量制备关键环节，为射频器件、AR 光电器件等下一代异质集成器件开发夯实材料基础，对推动二维?宽禁带半导体融合技术产业化具备重要意义。

文章信息

Jiang X, Wang Y, Cheng T, et al. Stepwise growth of graphene on silicon carbide: Decoupling formation buffer layer from graphene growth. Nano Research, 2026,

https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908882.

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