Wafer-scale growth of graphene on Si and Ge wafers by reduced-pressure chemical vapor deposition

In the last years, graphene raised high interest in the scientific and industrial communities due to its extraordinary properties. Various techniques to grow it have been proposed, but complications such as scalability, contamination and cost have not been solved yet. The controlled growth of high quality graphene on standard Si wafers is an appealing process, since it can solve these difficulties. In this thesis, it is shown that Reduced-Pressure Chemical Vapor Deposition (CVD) is a promising technique to grow graphene on large Ge/Si wafers. After suitable conditions for the growth on bulk Ge wafers are established, graphene is grown on relaxed Ge/Si wafers. The tool used is a 200mm semiconductor production reactor (ASM Epsilon 2000), so the process is compatible with Si mainstream technology and easily scalable to 300mm wafers. The behavior of graphene layers grown on Ge(110) and Ge(001) virtual substrate were found to be really different. In the first case, Ge substrate shows an anisotropic structure and graphene domains grow elongated along the direction of the steps generated. In the second case, graphene expand in several directions and induce the formation of facets along Ge(107) direction. Following growth, graphene was transferred onto 90nm SiO2/Si to properly evaluate its structural and electrical properties. Using TLM mobility measurements, values comparable with graphene grown on Cu and Pt are obtained.

Negli ultimi anni, il grafene ha generato molto interesse sia nelle comunità scientifiche che industriali grazie alle sue straordinarie proprietà. Diverse tecniche sono state proposte per produrlo, ma complicazioni quali scalabilità del processo, contaminazioni e costi non sono ancora state risolte. La crescita controllata di grafene di alta qualità su wafer standard di Si è un processo estremamente interessante, data la sua capacità di risolvere queste difficoltà. In questa tesi, si dimostra che la Deposizione Chimica in fase Vapore effettuata a pressioni ridotte (Reduced-Pressure CVD) è una tecnica promettente per la crescita di grafene su ampi wafer di Ge/Si. Identificate le condizioni ideali della crescita di grafene su substrati di Ge bulk, il processo è esteso su strati di Ge depositati su wafer di Si. Lo strumento utilizzato è un reattore ''ASM Epsilon 2000'' da 200mm, quindi il processo è compatibile con la ''Silicon mainstream technology'' e facilmente scalabile a wafer da 300mm in diametro. La crescita di grafene su substrati virtuali di Ge(110) e Ge(001) esibisce caratteristiche molto differenti. Nel primo caso, il substrato di Ge mostra una struttura anisotropica e i domini di graphene crescono allineati lungo la direzione di questi gradini. Nel secondo caso, il grafene si espande in diverse direzioni e induce la formazione di sfaccettature lungo la direzione Ge(107). Successivamente alla crescita, il grafene è trasferito su un substrato di 90nm SiO2/Si in modo da valutare correttamente le sue proprietà strutturali ed elettriche. Utilizzando TLM per la mobilità, valori simili a quelli del grafene cresciuto su Cu e Pt sono ottenuti.