Study of CVD growth of 2D materials on Si-based substrates : layer control and quality enhancement via structure-induced transient gas retention

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Two-dimensional (2D) quantum materials such as Graphene, Hexagonal boron nitide (h-BN), and Molybdenum disulfide (MoS2) have been synthesized using methods such as epitaxy, Chemical Vapor Deposition (CVD), and mechanical exfoliation. Substrates such as Silicon Carbide (SiC), Copper, Nickel, and Sapphire are commonly used in epitaxial and CVD processes. To integrate 2D quantum materials into commercial electron devices, it is essential to develop techniques that enable their direct growth on commercially viable substrates, eliminating the need for a separate transfer process.

However, conventional SiO2/Si wafers exhibit chemical inhomogeneity and high surface roughness, and epitaxial growth using SiC wafer is limited to graphene. This has led to a demand for the development of new substrates that are chemically uniform and atomically flat. Recent studies have proposed Silicon Oxynitride (SiON) thin film grown on SiC as a promising platform for the growth of 2D quantum materiasl. There have also been reports of graphene being transferred onto SiON/SiC wafers after CVD growth.
In this study, we successfully achieved the direct growth of multi-layer graphene on SiON/SiC wafers via a CVD process. By adjusting the partial pressure of Argon gas and the annealing time during the pre-growth annealing step, we were able to control the number of graphene layers from mono-layer to tri-layer. This layer control was confirmed through Atomic Force Microscope (AFM) and Raman spectroscopy analyses. Our results present a new possibility for developing 2D quantum material-based devices without requiring a transfer process.

Furthermore, to enhance the quality of the grown graphene, we implemented a transient gas retention effect by placing the SiO2 substrate inside a tubular alumina structure during the graphene growth process. This setup allowed intentional control of gas inflow and outflow within the structure, which reduced defects and improved the uniformity of the graphene. Raman spectroscopy further confirmed the improved quaility of the grown graphene

These results demonstrate that direct growth of graphene on silicon-based substrates can enable precise control of the number of layers while simultaneously reducing defect density and improving thickness uniformity across the sample. Such improvements provide a solid foundation for the realization of layer-sensitive two-dimensional semiconductor devices, including tunneling field-effect transistors, whose performance is governed by tunneling barrier thickness, and TMDC-based optoelectronic devices, in which optical and electronic properties strongly depend on the number of layers.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 실리콘 카바이드(SiC) 기판 위에 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)를 합성하였으며, 저에너지 전자 회절(LEED)과 원자력 현미경(AFM) 이미지를 통해 SiON이 성공적으로 형성되었음을 확인하였다. 이후 화학 기상 증착(CVD) 장비를 이용하여 대면적으로 그래핀을 성장시켰다. 초기 어닐링 과정과 그래핀 성장 사이에 짧은 어닐링 단계를 아르곤(Ar) 가스만을 주입한 상태에서 수행하였으며, 이 과정에서 아르곤 가스의 주입량과 어닐링 시간을 조절함으로써 그래핀 핵생성 밀도를 제어할 수 있었고, 이를 통해 성장되는 그래핀의 층수를 정밀하게 조절할 수 있었다. 그 결과, 아르곤 가스의 유량과 어닐링 시간이 증가할수록 단층 그래핀에 가까운 형태로 성장되는 경향이 나타났다.
이러한 경향은 라만 분광법을 통해 확인되었으며, 2D/G 피크 비율을 통해 층수를 분석하였고, 라만 맵핑 이미지를 통해 시편 전반에 걸친 균일한 성장 여부를 평가하였다. 추가로, AFM 이미지를 통해 그래핀이 SiON 표면을 따라 균일하게 성장했음을 확인할 수 있었다.
또한, 일반적으로 많은 결함을 가지는 실리콘 다이옥사이드(SiO2) 기판 위에서의 그래핀 성장 과정에서는 다양한 형태의 튜브형 알루미나 구조물을 활용하여 성장 중 기체의 흐름을 제어함으로써 그래핀의 결함성과 균일성에 변화를 유도할 수 있음을 확인하였다. 알루미나 구조물의 사용을 통해 공정 가스의 유입과 유출을 조절하고, 구조물 내부의 압력 증가와 유속 감소를 유도함으로써, 그래핀 성장 영역에서 가스가 더 오래 체류하는 일시적인 가스 정체 효과를 확인하였다. 이를 통해 성장한 그래핀은 층 수 조절이 가능하며, 결함 밀도 감소 및 균일성 향상 효과가 관찰되었다. 이러한 변화는 라만 분광법의 D/G 비율을 통해 결함성을 분석하였고, 라만 맵핑을 통해 샘플의 균일성을 평가하였다.
이와 같은 실험 결과를 통해 본 연구에서는 실리콘 기반 기판 위에서의 화학기상증착 공정을 통해 그래핀을 직접 성장시키고, 성장 전 어닐링 단계에서의 공정 조건 조절을 통해 단층부터 다층에 이르는 그래핀의 층수 제어가 가능함을 확인하였다. 또한 성장 과정에서 기판 주변에 구조물을 도입하여 가스 유동을 효과적으로 제어함으로써 결함 밀도를 감소시키고, 시료 전반에 걸친 층수 균일성을 향상시켰다. 이러한 성장 전략을 통해 확보된 층수 제어성과 구조적 품질 향상은 터널링 장벽 두께에 의해 성능이 지배되는 터널링 Field effect transistor (FET)와, 층수 변화에 따라 광·전자 특성이 민감하게 달라지는 TMDC 기반 광전자 소자와 같은 층수 의존적 특성을 갖는 2차원 물질 기반 반도체 소자의 구현에 있어 중요한 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Two-dimensional materials and Application 1
• 1.2 Characteristics of Graphene 5
• 1.3 Silicon based Substrate: SiO2 and SiON 8
• 1.4 Direct Growth of 2D materials on Silicon based Substrates 11
• 1.5 References 13
• 2. Experiment 18
• 2.1 Chemical Vaper Deposition (CVD) 18
• 2.2 Micro Raman Spectroscopy 23
• 2.3 Low Energy Electron Diffraction (LEED) 28
• 2.4 Atomic Force Microscope (AFM) 35
• 2.5 References 41
• 3. Synthesis of Multi-layer Graphene on an atomically thin SiON layer grown on a SiC substrate 46
• 3.1 Introduction 46
• 3.2 Experiments 48
• 3.3 Results and discussion 50
• 3.4 Conclusion 60
• 3.5 References 61
• 4. Control of Graphene direct growth on SiO2 substrate using Alumina Structures 65
• 4.1 Introduction 65
• 4.2 Experiments 67
• 4.3 Results and discussion 71
• 4.4 Conclusion 89
• 4.5 References 90
• 5. Conclusions 94
• 논문요약 96