CN105405965B - 一种高灵敏度石墨烯磁场传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高灵敏度石墨烯磁场传感器及其制备方法。涉及半导体技术领域，以干法转移的方法形成h‑BN—石墨烯—h‑BN的霍尔器件作为磁场传感器的核心结构，可以避免湿法转移工艺及图形化刻蚀、金属沉积工艺等对材料晶格造成的污染与破坏；以h‑BN作为衬底及封装层，有利于维持石墨烯载流子迁移率，并保护器件避免吸附空气中的O₂、H₂O及微粒，以提高器件电学性能；此外石墨烯与金属电极之间采用一维线接触的方式连接，将大大降低器件的接触电阻及功耗。

Description

一种高灵敏度石墨烯磁场传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，涉及一种高灵敏度石墨烯磁场传感器及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由sp²轨道杂化的单层碳原子构成的二维正六边形原胞紧密蜂窝式的结构晶格，其优越的电子输运特性成为研究人员研究及关注的焦点。2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，并在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯以及反常量子霍尔效应的发现为Geim和Novoselov赢得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯中二维六角布里渊区的六个角附近的低能色散关系是线性的，导致电子和空穴的零有效质量，因而其载流子迁移率极高，传输速度达到光速的1/300,理论迁移率可以达到10⁶cm²/Vs，为硅中电子迁移率的100倍。石墨烯可以作为半导体灵敏器件的核心材料。霍尔效应是1879年由E.H.霍尔发现的，在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导体中的载流子(电子与空穴)受到不同方向的洛伦兹力而使轨迹发生偏移而往不同方向上聚集，在材料两侧产生积累起来的电荷(电子与空穴)之间会产生垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。石墨烯的霍尔效应应用于霍尔元件，通过测量霍尔电压获得所加磁场的大小，因此可以制备得到高灵敏度石墨烯磁场传感器。

磁传感器的性能主要取决于2个参数：灵敏度及其功耗，主要由载流子的浓度及迁移率决定。因此与硅基传感器相比，由于石墨烯载流子迁移率较高，其灵敏度也将大幅提高。由此可见维持石墨烯中载流子迁移率及并降低器件接触电阻，是获得高性能石墨烯磁场传感器的关键。另外石墨烯具有很好的温度稳定性，制备成石墨烯传感器时不需要额外的温度补偿，降低了器件工艺难度。

鉴于此，本发明将提供一种高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高灵敏度石墨烯磁场传感器及其制备方法，以期获得具有稳定的高性能微电子器件

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，该方法至少包括以下步骤：

1)提供第一、第二、第三衬底以及PDMS薄膜；

2)在所述第一衬底上依次形成一PPC—h-BN结构；所述PPC—h-BN结构包括位于第一衬底上的聚碳酸亚丙酯PPC薄膜和位于聚碳酸亚丙酯PPC薄膜上的第一h-BN薄膜；

3)将形成于所述第一衬底上的PPC—第一h-BN结构剥离出来放置于所述PDMS薄膜上；形成PDMS—PPC—第一h-BN结构；

4)在所述第二衬底上形成石墨烯薄膜；

5)用所述PDMS—PPC—h-BN结构吸附上述石墨烯薄膜，形成PDMS—PPC—第一h-BN—石墨烯结构；

6)在所述第三衬底上形成第二h-BN薄膜；

7)将所述PDMS—PPC—第一h-BN—石墨烯结构覆盖所述第三衬底上的第二h-BN薄膜，形成位于所述第三衬底上的PDMS—PPC—第一h-BN—石墨烯-第二h-BN结构；

8)揭掉PDMS，丙酮去除PPC，即形成位于所述第三衬底上的第一h-BN—石墨烯—第二h-BN结构；

9)采用反应离子刻蚀所述第三衬底上的第一h-BN—石墨烯—第二h-BN结构，形成霍尔结构器件，露出第一h-BN—石墨烯—第二h-BN截面结构；即露出线状石墨烯边界；

10)沉积金属，覆盖露出的第一h-BN—石墨烯—第二h-BN截面结构，形成一维石墨烯与金属电极接触。

优选地，所述步骤2)中在所述第一衬底上形成聚碳酸亚丙酯PPC薄膜的具体步骤是用匀胶机在将聚碳酸亚丙酯PPC涂在所述第一衬底上，然后在120度温度下加热3-5min直至固化成膜。

优选地，所述第一、第二、第三衬底为SiO₂衬底、SiO₂/Si衬底、MgO、Al₂O₃、SiC衬底或者柔性衬底。

优选地，所述步骤9)中形成霍尔结构时，所述第二h-BN薄膜不刻蚀、部分刻蚀或者全部刻蚀。

优选地，所述步骤9)中形成霍尔结构后，所述第一、第二h-BN薄膜的厚度为10nm-50nm，

本发明还提供一种采用上述制备方法制备的高灵敏度石墨烯磁场传感器。

本发明采用干法转移技术将机械剥离的石墨烯、h-BN薄膜堆叠成三明治结构器件，干法转移有效的避免了湿法转移及器件制备工艺对材料造成的污染及晶格破坏，由于h-BN薄膜具有良好的化学稳定性及原子级平整的表面，是微纳电子器件良好的封装及衬底层。采用h-BN—Gr—h-BN器件结构的益处在于，保护整个器件堆叠层避免吸附空气中的H₂O及微粒引起惨杂或者层间褶皱导致载流子迁移率降低，另外平整无悬挂键的h-BN衬底减少对载流子的散射。本发明采用金属与石墨烯之间形成一维的石墨烯-金属电极接触，一方面减小了石墨烯金属接触面积，降低器件接触电阻，另一方面减少器件工艺对石墨烯的破坏以保持其极高的电子迁移率，解决了微电子器件制备过程中电性能降低的问题。

附图说明

图1至图11显示为本发明实施例一的制备流程图。

图12-13显示为本发明实施例二的制备流程图。

图14a和14b为本发明中霍尔元件的俯视图。

元件标号说明

PDMS薄膜 1

第一衬底 10

PPC薄膜 11

第一h-BN薄膜 12

第二衬底 20

石墨烯薄膜 21

第三衬底 30

第二h-BN薄膜 31

金属电极 50、50’

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅附图1-11所示，本发明提供一种高灵敏度石墨烯磁场传感器制备方法，具体实施方式如下：

步骤1，提供第一衬底，在第一衬底10上形成聚碳酸亚丙酯PPC薄膜11；用匀胶机在1500r/min下将PPC涂在该第一衬底10上，在120度温度下加热3-5min直至固化成膜；然后在该PPC薄膜上形成第一h-BN薄膜12。形成位于第一衬底上的PPC—h-BN结构。请参阅图1所示。

步骤2，将该第一衬底10上的PPC—h-BN结构揭下来，放到PDMS薄膜1上，形成PDMS—PPC—h-BN结构。请参阅图2所示。该PDMS薄膜1及PPC薄膜表面光滑且具有弹性，由于PDMS薄膜较厚，在后续的干法转移的过程中起到支撑作用，能够通过范德华力能够很好的粘附PPC薄膜，同时PPC及PDMS良好的透光性也便于在显微镜下观察样品实现样品之间的对准。另外采用PDMS—PPC结构吸附硬性衬底上机械剥离的薄膜时，能够很好的排除样品膜层之间的空气，通过范德华力吸附更加牢固，使得干法转移达到理想的效果。请参阅图2所示。

步骤3，请参阅图3所示，提供第二衬底20，在第二衬底20上形成单层石墨烯薄膜21。

步骤4，请参阅图4所示，用步骤2)获得的PDMS—PPC—h-BN结构吸附步骤3)获得的石墨烯薄膜21，形成PDMS—PPC—h-BN—石墨烯结构；如图5所示。具体的将PDMS—PPC—h-BN结构放在显微镜载玻片上，PDMS薄膜通过范德华力很好的粘在玻璃片上不会掉下来，另外将步骤3)获得的结构放在样品座上，透过光学显微镜观察样品，通过调节显微镜或者是样品底座的移位器控制h-BN薄膜与石墨烯在X/Y方向上移动，使得h-BN薄膜与石墨烯对准，随后再调节移位器Z方向，直到h-BN与石墨烯接触上，形成了载玻片—PDMS—PPC—h-BN—石墨烯—SiO₂结构，接下来慢慢将PDMS薄膜及载玻片向上抬起，石墨烯便被吸附到h-BN上，形成PDMS—PPC—h-BN—石墨烯结构。

步骤5，请参阅图6所示，在第三衬底30上形成第二h-BN薄膜31；

步骤6，请参阅图7、图8所示，用步骤4)获得的PDMS—PPC—h-BN—石墨烯结构覆盖第三衬底30上的第二h-BN薄膜31，形成位于第三衬底上的PDMS—PPC—h-BN—石墨烯—h-BN薄膜结构。

步骤7，请参阅附图9所示，揭掉PDMS薄膜1，丙酮去除PPC薄膜11，即形成位于第三衬底上的h-BN—石墨烯—h-BN器件结构。

步骤8，请参阅图10所示，将位于第三衬底上的h-BN—石墨烯—h-BN结构采用光刻或者EBL进行图形化，光刻胶保护样品表面中间区域，采用反应离子进行刻蚀，形成霍尔结构，此时石墨烯露出线性边界，并露出h-BN—石墨烯—h-BN截面结构，最后沉积金属覆盖器件截面形成一维石墨烯与金属电极50接触；请参阅图11所示。

请继续参照图14a和14b所示，本实施例中，霍尔元件的至少包括四个电极，该霍尔结构包括一组用于加恒流源或者恒压源的激励电极以及与所述激励电极垂直的至少一对霍尔电极。优选地，所述霍尔电极为与所述激励电极垂直的两对。

所述第一、第二以及第三衬底的材料选自SiO₂或者SiO₂/Si、MgO、Al₂O₃、SiC或者其它柔性衬底等材料。

所述步骤1中在PPC薄膜上形成机械剥离的h-BN薄膜，可以为直接用机械剥离的方法将h-BN剥离在PPC上，或者先将h-BN采用机械剥离法剥在SiO₂或者SiO₂/Si等衬底上，在用PPC吸附形成PPC—h-BN结构。

所述PPC及PDMS均为透明弹性薄膜，依靠范德华力层层吸附h-BN，石墨烯薄膜，能够很好的排除膜层间的空气，增强膜层间的吸附接触作用，使得整个结构更牢固。

上述步骤中采用机械剥离的h-BN作为器件衬底及器件表面的封装层，其稳定的化学特性及原子级平整度，无悬挂键的表面有利于维持石墨烯的本征电学特性，保护整个器件结构避免在空气中吸附杂质及H₂O粒子。

所述整个器件制备过程均采用干法转移，避免材料表面因湿法转移造成的污染，石墨烯与h-BN薄膜之间通过范德华力吸附形成超干净的界面，减少了缺陷及电荷捕获。

实施例二

本实施例与上述实施例制备工艺和过程类似，区别之处在于形成霍尔结构的步骤时，所述第二h-BN薄膜不刻蚀、部分刻蚀或者全部刻蚀。具体参照图12和13所示。

本发明针对基于石墨烯器件结构及制备工艺技术的一些关键问题，提出了提供一种以石墨烯高灵敏度磁场传感器的技术领域。通过干法转移的方法，形成金属—h-BN—石墨烯—h-BN霍尔结构的器件。避免了湿法转移带来的污染与杂质，膜层之间通过通过范德华力吸附形成超干净的界面，减少了缺陷及电荷捕获避免载流子迁移率的下降。减少了光刻、刻蚀等图形化工艺，采用h-BN作为器件衬底及封装层，能够很好的保护器件并避免材料中载流子受到电荷杂质的散射而降低器件性能。此外金属与石墨烯电极之间的一维接触能够有效降低器件电阻，有利于提高磁场传感器的灵敏度并降低功耗。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：

1)提供第一、第二、第三衬底以及PDMS薄膜；

2)在所述第一衬底上依次形成一PPC—h-BN结构；所述PPC—h-BN结构包括位于第一衬底上的聚碳酸亚丙酯PPC薄膜和位于聚碳酸亚丙酯PPC薄膜上的第一h-BN薄膜；

3)将形成于所述第一衬底上的PPC—第一h-BN结构剥离出来放置于所述PDMS薄膜上；形成PDMS—PPC—第一h-BN结构；

4)在所述第二衬底上形成石墨烯薄膜；

5)用所述PDMS—PPC—h-BN结构吸附上述石墨烯薄膜，形成PDMS—PPC—第一h-BN—石墨烯结构；具体的，将PDMS—PPC—h-BN结构放在显微镜载玻片上，将步骤3)获得的结构放在样品座上，透过光学显微镜观察样品，通过调节显微镜或者是样品底座的移位器控制h-BN薄膜与石墨烯在X/Y方向上移动，使得h-BN薄膜与石墨烯薄膜对准，随后再调节移位器Z方向，直到h-BN与石墨烯接触上，形成了载玻片—PDMS—PPC—h-BN—石墨烯—SiO₂结构，接下来慢慢将PDMS薄膜及载玻片向上抬起，石墨烯便被吸附到h-BN上，形成PDMS—PPC—h-BN—石墨烯结构；

6)在所述第三衬底上形成第二h-BN薄膜；

7)将所述PDMS—PPC—第一h-BN—石墨烯结构覆盖所述第三衬底上的第二h-BN薄膜，形成位于所述第三衬底上的PDMS—PPC—第一h-BN—石墨烯-第二h-BN结构；

8)揭掉PDMS，丙酮去除PPC，即形成位于所述第三衬底上的第一h-BN—石墨烯—第二h-BN结构；

9)采用反应离子刻蚀所述第三衬底上的第一h-BN—石墨烯—第二h-BN结构，形成霍尔结构，露出第一h-BN—石墨烯—第二h-BN截面结构；即露出线状石墨烯边界；

10)沉积金属，覆盖露出的第一h-BN—石墨烯—第二h-BN截面结构，形成一维石墨烯与金属电极接触。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中在所述第一衬底上形成聚碳酸亚丙酯PPC薄膜的具体步骤是用匀胶机在将聚碳酸亚丙酯PPC涂在所述第一衬底上，然后在120度温度下加热3-5min直至固化成膜。

3.根据权利要求1所述高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述第一、第二、第三衬底为SiO₂衬底、SiO₂/Si衬底、MgO、Al₂O₃、SiC衬底或者柔性衬底。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤9)中形成霍尔结构时，所述第二h-BN薄膜不刻蚀、部分刻蚀或者全部刻蚀。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤9)中形成霍尔结构后，所述第一、第二h-BN薄膜的厚度为10nm-50nm。

6.根据权利要求1所述的高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述霍尔结构包括一组用于加恒流源或者恒压源的激励电极以及与所述激励电极垂直的至少一对霍尔电极。

7.根据权利要求1所述的高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，其特征在于，所述霍尔电极为与所述激励电极垂直的两对。

8.一种采用权利要求1至7任意一项制备方法制备的高灵敏度石墨烯磁场传感器。