CN103280398B - 一种制备横向石墨烯pn结的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备横向石墨烯PN结的方法，属于半导体器件及薄膜晶体生长领域。该发明首先在SiC衬底上制备n型掺杂的石墨烯，然后对石墨烯进行选择处理，包括掩膜或图形化处理或预沉积适量的p型掺杂元素，最后在氢气气氛或真空下进行退火，控制退火时间与温度，得到横向石墨烯PN结。该方法是通过对SiC衬底与石墨烯的界面控制，实现石墨烯掺杂类型、掺杂浓度的控制；与化学掺杂或静电调制等手段实现石墨烯PN结相比，该方法避免了化学掺杂带来的污染和晶格破坏，同时石墨烯PN结尺寸可控，且制备工艺简单。该方法为研究石墨烯PN结的新奇特性和实现各种石墨烯功能器件奠定了基础。

Description

一种制备横向石墨烯PN结的方法

技术领域

本发明属于半导体器件及薄膜晶体生长领域领域。

背景技术

石墨烯(graphene)是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。由于石墨烯特殊的电子能谱，它的电荷载体是无质量的Dirac费米子。石墨烯在室温下具有弹道输运特性，其化学和力学的稳定性以及纳米尺度的可量测性使得它在纳米光电子器件以及半导体器件研究方面有着非常突出的应用前景。由于石墨烯是严格的二维材料，它所显示的高纯二维晶体特性和电学特性已经为材料物理和凝聚态物理揭开了一个新的基础物理研究和新型纳米器件研究的平台。对于硅基电路，掺杂是实现各种功能器件的基础。对于石墨烯基电子器件的应用，石墨烯PN结的制备（即实现石墨烯载流子类型和浓度的调制）至关重要。

发明内容

本发明提供了一种制备横向石墨烯PN结的方法，该方法通过对石墨烯与SiC衬底间的界面选择性钝化，实现了石墨烯掺杂类型、掺杂浓度与掺杂区域的可控制备，同时避免了化学掺杂带来的污染和晶格破坏，同时石墨烯PN结尺寸可控，且制备工艺简单。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种制备横向石墨烯PN结的方法，包括以下步骤：

第一步，在SiC衬底上制备一层以上石墨烯，石墨烯的掺杂类型为n型掺杂，；

第二步，对石墨烯进行选择性处理，处理方式为以下三种中的一种：

1）利用掩膜工艺在需要保持n型掺杂的石墨烯区域上沉积掩膜层；

2）对需要保持n型掺杂的石墨烯区域进行图形化处理；

3）在需要获得p型掺杂的石墨烯区域预沉积适量的p型掺杂的元素；

第三步，进行退火操作，控制退火时间与温度，得到横向石墨烯PN结；当上述第二步采用处理方式1）和2）时，退火在氢气气氛进行；采用处理方式3）时，退火在真空下进行。

所述石墨烯的掺杂浓度为10¹²-10¹⁴cm^-2。

采在氢气气氛下退火时，界面钝化温度为400-1000℃，时间为1-120min，氢气压强为1-1000mbar；在真空下退火时，界面钝化温度为400-1000℃，时间为1-120min。

所述石墨烯为1-10层。

所述掩膜层为Si₃N₄或SiO₂。

所述p型掺杂的元素为锗、硅、金。

采用上述技术方案取得的技术进步为：该方法是通过对SiC衬底与石墨烯的界面控制，实现石墨烯掺杂类型、掺杂浓度的控制；与化学掺杂或静电调制等手段实现石墨烯PN结相比，该方法避免了化学掺杂带来的污染和晶格破坏，同时石墨烯PN结尺寸可控，且制备工艺简单。该方法为研究石墨烯PN结的新奇特性和实现各种石墨烯功能器件奠定了基础。

附图说明

图1为采用本发明制备的实施例1的制备流程图；

图2为采用本发明制备的实施例2的制备流程图；

图3为采用本发明制备的实施例3的制备流程图。

具体实施方式

实施例1

图1所示为利用一种制备横向石墨烯PN结的方法制备的横向石墨烯PN结，具体操作步骤为：

第一步，采用SiC热解法在SiC衬底上制备1层石墨烯，在Si面SiC衬底上制备的石墨烯材料通常为n型掺杂，该掺杂是石墨烯与SiC衬底间的界面层（或过渡层）造成的。过渡层中的未成对电子引入了被部分占据的局域态，钉轧石墨烯的费米面，使得石墨烯的费米面偏离迪拉克点Δ=E _F -E _D ＞0，使得石墨烯为n型掺杂。本方法中n型掺杂浓度控制在10¹²-10¹⁴cm^-2之间。

第二步，利用掩膜工艺在需要保持n型掺杂的石墨烯区域上沉积50纳米Si₃N₄（或SiO₂）作为掩膜层。

第三步，将样品在氢气气氛下退火，压强900mbar，温度900℃，退火15min。在石墨烯上未做掩膜层的区域，氢原子扩散进入石墨烯与SiC衬底间的界面层，该区域的n型掺杂石墨烯转变为p型掺杂，掩膜层区域的石墨烯则保持n型掺杂，这样便形成了横向石墨烯PN结。最后可将掩膜层去除，得到可用的石墨烯PN结。

实施例2

图2所示为利用本发明制备的横向石墨烯PN结，具体操作步骤为：

第一步，采用CVD法在Si面SiC衬底上制备5层石墨烯，石墨烯的掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度控制在10¹²-10¹⁴cm^-2之间。

第二步，对需要保持n型掺杂的石墨烯区域进图形化处理，具体做法为：对石墨烯进行光刻，氧等离子体隔离，得到图形化的石墨烯。

第三步，在氢气气氛下退火，氢气压强100mbar，退火温度500℃，退火时间15min。氢原子从边界扩散进入图形化的石墨烯与衬底间的界面层，控制退火时间与温度，控制氢原子扩散距离，图形化的石墨烯区域的边界转变为p型掺杂，中心区域保持n型掺杂，这样就形成了横向石墨烯PN结。

以实施例1和实施例2为例，在实际操作过程中，根据需要设计界面钝化温度、时间和压强。通常，在氢气气氛下退火时界面钝化温度为400-1000℃，时间为1-120min，氢气压强为1-1000mbar。

实施例3

图3所示为利用本发明制备的横向石墨烯PN结，具体操作步骤为：

第一步，采用CVD法在Si面SiC衬底上制备10层石墨烯，石墨烯的掺杂类型为n型掺杂，掺杂浓度控制在10¹²-10¹⁴cm^-2之间。

第二步，在石墨烯上需要获得p型掺杂的部分沉积一个原子层的金原子。

第三步，在真空气氛下进行高温退火，退火温度700℃，退火时间15min。沉积在石墨烯表面的金原子扩散进入石墨烯与衬底间的界面层，此处的石墨烯钝化转变为p型，未沉积区域的石墨烯仍然保持n型，这样就形成石墨烯PN结。

除了金元素之外，还可以采用硅元素或锗元素等其他元素，这些元素的沉积厚度为0.1-10nm，界面钝化温度为400-1000℃，时间为1-120min。

利用本发明制作的横向石墨烯PN结p型和n型区域的掺杂浓度为10¹²-10¹⁴cm^-2可控，PN结的尺寸为0.01-1000微米可控。

本发明是通过对SiC衬底与石墨烯的界面控制，实现石墨烯掺杂类型、掺杂浓度的控制；与化学掺杂或静电调制等手段实现石墨烯PN结相比，该方法避免了化学掺杂带来的污染和晶格破坏，同时石墨烯PN结尺寸可控，且制备工艺简单。该方法为研究石墨烯PN结的新奇特性和实现各种石墨烯功能器件奠定了基础。

Claims (6)

1.一种制备横向石墨烯PN结的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，在SiC衬底上制备一层以上石墨烯，石墨烯的掺杂类型为n型掺杂；

第二步，对石墨烯进行选择性处理，处理方式为以下三种中的一种：

1）利用掩膜工艺在需要保持n型掺杂的石墨烯区域上沉积掩膜层；

2）对需要保持n型掺杂的石墨烯区域进行图形化处理；

3）在需要获得p型掺杂的石墨烯区域预沉积适量的p型掺杂的元素；

第三步，进行退火操作，控制退火时间与温度，得到横向石墨烯PN结；当上述第二步采用处理方式1）和2）时，退火在氢气气氛进行；采用处理方式3）时，退火在真空下进行。

2.根据权利要求1所述的一种制备横向石墨烯PN结的方法，其特征在于所述石墨烯的掺杂浓度为10¹²-10¹⁴cm^-2。

3.根据权利要求1所述的一种制备横向石墨烯PN结的方法，其特征在于采在氢气气氛下退火时，界面钝化温度为400-1000℃，时间为1-120min，氢气压强为1-1000mbar；在真空下退火时，界面钝化温度为400-1000℃，时间为1-120min。

4.根据权利要求1所述的一种制备横向石墨烯PN结的方法，其特征在于所述石墨烯为1-10层。

5.根据权利要求1所述的一种制备横向石墨烯PN结的方法，其特征在于所述掩膜层为Si₃N₄或SiO₂。

6.根据权利要求1所述的一种制备横向石墨烯PN结的方法，其特征在于所述p型掺杂的元素为锗、硅、金。