CN102263121A

CN102263121A - 基于石墨烯的霍尔集成电路及其制备方法

Info

Publication number: CN102263121A
Application number: CN 201110202706
Authority: CN
Inventors: 徐慧龙; 张志勇; 彭练矛; 王胜
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: CN102263121B

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的霍尔集成电路及其制备方法。该霍尔集成电路包括霍尔元件和对霍尔元件输出的霍尔电压信号进行放大的放大器，霍尔元件和放大器中的场效应晶体管都采用石墨烯作为沟道材料，在制备工艺上具有很好的兼容性。而且本发明的霍尔集成电路具有较高的灵敏度和温度稳定性，在电压模式和电流模式下都可以较好地工作。

Description

基于石墨烯的霍尔集成电路及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种霍尔集成电路及其制备方法，特别的，涉及一种同时采用石墨烯作为霍尔元件和晶体管的沟道材料的霍尔集成电路以及其制备方法。

背景技术

霍尔集成电路是在磁敏感的霍尔元件基础上集成了放大器等单元后所组成的集成电路，又称磁传感集成电路，其应用非常广泛，可用于电流、功率、位移、压力、速度、加速度、角度、角速度等参数的测量，因此在汽车安全装置、汽车发动机点火定时、电流电压传感器、无刷电机、齿轮转速检测、过程控制中的无触点开关、定位开关等领域有着广泛的应用。霍尔集成电路一般包含霍尔元件和放大电路，更复杂的还同时集成有温度补偿电路、稳压电源、恒流源等。其中，霍尔元件是其核心元件，该元件在磁场作用时可输出电压信号，即产生霍尔效应，一般输出的电压信号仅为毫伏量级，实际应用中通常需要在其电压输出端集成一个或多个放大器将霍尔元件产生的信号作放大处理。

霍尔集成电路目前主要采用硅材料制作(如Honeywell公司公布的一种硅基霍尔集成电路，美国专利US 6,903,429B2)，其优点在于硅基霍尔集成电路制备工艺和主流的硅基CMOS工艺完全兼容，不需要额外的设备和工艺流程的支持，因而制备成本较低。但是在电路中处于核心地位的硅霍尔元件一般灵敏度较低、信噪比差，因而即使在后端集成放大器形成霍尔集成电路后，其敏感度也相对有限，输出信号的信噪比也难以改善。此外，由于硅霍尔元件及放大器对温度敏感，因而一般需要额外的温度补偿电路来克服其工作状态随温度漂移的问题，这增加了硅基霍尔集成电路的复杂程度，也增加了制备成本。

此外还有基于InSb薄膜的霍尔集成电路，其中的霍尔元件用InSb制备，霍尔元件灵敏度高，但其后级的放大器电路很难继续用InSb制备，一般转为用Si制备，工艺兼容性差，这样就极大地增加了工艺复杂性。

因此，需要开发出一种性能优异的材料来制备霍尔集成电路，使得其中的霍尔元件有高灵敏度、低温度漂移，其中的放大器有良好的放大能力和较低的温度漂移，并且霍尔元件和放大器基于同种材料制备，工艺兼容性好。

石墨烯是指由单层或少数几层呈正六边形排布的sp²杂化C原子构成的二维材料，其本征载流子迁移率远高于常用的半导体材料。作为一种特殊的导电材料，石墨烯已经被证明能够用于制作高性能的场效应晶体管器件(例如，IBM公布了一种基于石墨烯材料的晶体管，美国专利US 7,732,859B2)。另外，石墨烯特殊的能带结构及其独特的散射机制，导致其载流子迁移率和载流子浓度对温度并不敏感，因此，基于石墨烯的霍尔元件和场效应晶体管都将具有很好的温度稳定性，例如，IBM报道了在液氦温度到室温都能正常工作且保持工作状态恒定的石墨烯高频器件(Wu YQ等，Nature，2011年4月，doi：10.1038/nature09979)，这将保证基于石墨烯材料制备的集成电路在非常大的温度范围都会具有很好的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、温度稳定性好、制作工艺简单的霍尔集成电路。

本发明的技术方案如下：

一种霍尔集成电路，包括霍尔元件和对霍尔元件输出的霍尔电压信号进行放大的放大器，其中：所述霍尔元件包括一对激励电极、一对霍尔电极和沟道，该霍尔元件的沟道材料是石墨烯，一对激励电极分别与沟道两端接触，一对霍尔电极分别与沟道两侧接触；所述放大器包括一个或多个场效应晶体管，所述场效应晶体管的沟道材料是石墨烯。

所述霍尔元件和放大器可集成在同一个芯片上，其中霍尔元件用于探测磁场强度，其输出端连接到放大器的输入端，用于信号放大。霍尔元件的激励电极与石墨烯沟道两端接触以提供电流源或电压源，霍尔电极与石墨烯沟道两侧接触用于输出霍尔电压。输出的霍尔电压信号通过互连线连接到放大器上进行放大。

本发明石墨烯霍尔集成电路还包括一个或多个电阻，以及各元器件之间的互连线，所述电阻和互连线可以是金属材料的，也可以是石墨烯材料的。

上述放大器可以是由石墨烯场效应晶体管以及电阻和/或电容等构建的各种放大电路，如差分放大器、运算放大器或其他类型的放大器。石墨烯场效应晶体管是指沟道材料是石墨烯的场效应晶体管，可以采用底栅结构，也可以采用顶栅结构。石墨烯场效应晶体管包括石墨烯沟道，分别与石墨烯沟道两端接触的源、漏电极，覆盖在石墨烯沟道表面的绝缘栅介质，以及在栅介质上的栅电极。

本发明集成电路中的石墨烯可以是单层的或者多层的。石墨烯可以位于绝缘基底上，也可以是悬空的。所述绝缘基底可以是覆盖有SiO₂的硅片，也可以是SiC、石英、云母、玻璃、氮化硼(BN)等绝缘材料基片。

石墨烯场效应晶体管中，源、漏电极和栅电极一般是金属电极；栅介质可以是Y₂O₃、HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、La₂O₃、LaAlO₃、SiO₂等无机氧化物，也可以是Si₃N₄、BN等无机氮化物，或者是电绝缘的有机物。

本发明的霍尔集成电路中所集成的霍尔元件可以是一个或者多个，所集成的晶体管也可以是一个或者多个。

图1显示了一个基于石墨烯的霍尔集成电路，其中，通有电流的石墨烯霍尔元件1在磁场作用下由于霍尔效应产生霍尔电压，该电压被其后级的放大器2放大后输出。霍尔集成电路中各元器件之间的互连线3(包括霍尔元件1和放大器2之间的互连线以及电路中的其它互连线)为石墨烯材料或者金属材料制备的导线。霍尔元件的激励源4可以为电流源或者电压源，若为电流源则该霍尔元件为电流工作模式，若为电压源则该霍尔元件为电压工作模式。

图1所示的霍尔集成电路中，石墨烯霍尔元件1主要由石墨烯材料和金属电极构成。图2显示了两种不同形状的霍尔元件，其中石墨烯材料被裁成十字形(a)或者矩形(b)，激励电极6和7分别与石墨烯沟道5两端相连，霍尔电极8和9则与石墨烯沟道5的两侧相连。器件工作时，磁场方向垂直于器件平面(即石墨烯材料平面)，在激励电极6和7之间施加一个恒定电压源或者电流源，由于霍尔效应，霍尔电极8与9之间就会产生霍尔电压。根据激励源4的类型，该霍尔元件可以工作在不同模式，如果加恒流源，就是电流模式，如果加恒压源，就是电压模式。

图3(a)显示了图1中放大器2的一种具体电路结构，即一个由石墨烯晶体管10和电阻11和互连线3构成的差分放大器。信号从两个石墨烯晶体管10的栅极输入，由两晶体管的漏端输出。其中，栅极、漏极和源极的负载电阻R_g、R_d和R_s可以是金属材料或者石墨烯材料；各元件之间的互连线可以是金属或者石墨烯材料。图3(b)显示了将石墨烯霍尔元件1连接到上述差分放大器后组成的总电路图，即一个石墨烯霍尔集成电路。放大器2除了使用上述的差分放大器形式外，还可以采用更为复杂的集成运算放大器等。

图4(a)、(b)分别显示了一个顶栅结构的石墨烯晶体管的俯视图和截面图(沿图3(a)中AA’所示位置截开)。金属电极12、13分别与石墨烯17两端接触形成源、漏电极，绝缘介质14覆盖在石墨烯17表面形成顶栅介质，金属15覆盖在顶栅介质14上形成顶栅电极。整个器件在衬底16上(图4(b))。其中，顶栅介质14可以是Y₂O₃、HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、La₂O₃、LaAlO₃、SiO₂等氧化物，也可以是Si₃N₄、BN等氮化物，或者是电绝缘的有机物。绝缘基底16可以是覆盖有SiO₂的硅片，也可以是SiC、石英、云母、玻璃、氮化硼(BN)、塑料等绝缘材料基片。图4(c)显示了一个底栅结构的石墨烯晶体管，这里衬底16’必须为带有绝缘介质的导电衬底，例如带有SiO₂的Si衬底，其中绝缘介质和石墨烯接触作为晶体管的栅介质，导电衬底作为栅电极。

本发明中所用的石墨烯可以通过不同的方式制备得到，比如机械剥离法、化学气相沉积(CVD)法、偏析法等都可以用来制备石墨烯。

本发明中的石墨烯霍尔元件可以直接在绝缘基底上制备，例如通过机械剥离将石墨烯分散到绝缘基底上，或者采用化学气相沉积将石墨烯生长在绝缘基底上，也可以通过化学气相沉积或金属偏析法在金属上生长石墨烯，然后再将石墨烯转移到绝缘基底上面，而且霍尔元件的沟道部分可以是悬空的。

本发明阐述的石墨烯霍尔集成电路的制备方法非常简单，其中，石墨烯霍尔元件的制备包括制作一对激励电极和一对霍尔电极与石墨烯材料电学连接，并通过光刻定义并刻蚀石墨烯材料形成沟道；石墨烯晶体管的制备包括制作源、漏金属电极与石墨烯材料电学连接，通过光刻定义并刻蚀石墨烯材料形成沟道，在源、漏之间通过光刻定义和沉积形成栅介质，在栅介质上制作栅电极。

具体的，对于放大器中的场效应晶体管是顶栅结构的霍尔集成电路，其制备可以包括下述步骤：

1)在绝缘基底上制备石墨烯，或者在金属上生长石墨烯后再将石墨烯转移到绝缘基底上；

2)通过光刻在绝缘基底上定义石墨烯霍尔元件的激励电极和霍尔电极、石墨烯场效应晶体管的源、漏电极的图形，然后沉积一层金属，通过剥离的方法形成与石墨烯电学连接的所述电极；

3)通过光刻在石墨烯上定义石墨烯霍尔元件和石墨烯晶体管的沟道图形，然后刻蚀形成石墨烯沟道；

4)在石墨烯场效应晶体管源漏之间通过光刻定义栅介质图形，然后沉积一层栅介质材料，并通过剥离的方法形成栅介质；

5)在石墨烯场效应晶体管栅介质上通过光刻定义顶栅电极图形，然后沉积一层金属，并通过剥离的方法形成栅电极。

对于采用金属材料制作互连线和电阻的情况，可以在步骤2)和/或步骤5)中与电极的制作同时完成；对于采用石墨烯材料制作互连线和电阻的情况，可以在步骤3)中和石墨烯沟道的制作同时完成。电路中相互交叉的互连线(参见图3(a)和图3(b))之间的电绝缘可通过沉积绝缘电介质实现，其实具体制作可在步骤4)制备晶体管栅介质时同时完成。

上述步骤1)可以通过机械剥离将石墨烯分散到绝缘基底上，或者采用化学气相沉积将石墨烯生长在绝缘基底上，或者采用化学气相沉积或者金属偏析法在金属上生长石墨烯，然后将金属上的石墨烯转移到绝缘基底上。

上述步骤2)和5)可以采用电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射或者其它镀膜方式沉积金属。

上述步骤3)光刻定义沟道图形后，可以通过氧等离子刻蚀或者其它刻蚀方法形成所需石墨烯沟道的形状。

上述步骤4)可以通过电子束蒸镀SiO₂、HfO₂等材料形成栅介质，也可以通过原子层沉积形成栅介质，或者通过蒸镀金属Al、Y、Hf、Sc并氧化形成栅介质。

本发明的霍尔集成电路中霍尔元件和晶体管都是基于石墨烯材料的器件，在制备工艺上具有很好的兼容性，制备工艺简单。而且，石墨烯特殊的能带结构使其载流子迁移率和载流子浓度对温度并不敏感，基于石墨烯材料制备的器件和电路在非常大的温度范围具有很好的稳定性。实验证明石墨烯霍尔元件具有较高的灵敏度、非常优异的线性度和温度稳定性。相应的，本发明基于石墨烯霍尔集成电路也具有高灵敏度和温度稳定性，在电压模式和电流模式下都可以较好地工作。

附图说明

图1显示了一个石墨烯霍尔集成电路的结构图。

图2显示了沟道形状为十字形(a)和矩形(b)的石墨烯霍尔元件的俯视图。

图3(a)显示了一个石墨烯晶体管构成的差分放大器；

图3(b)显示了一个石墨烯霍尔集成电路。

图4(a)显示了一个顶栅结构的石墨烯晶体管的俯视图；

图4(b)显示了一个顶栅结构的石墨烯晶体管的截面图；

图4(c)显示了一个底栅结构的石墨烯晶体管的截面图。

图5(a)显示了工作在电流模式下、不同环境温度下的石墨烯霍尔元件的霍尔电压随磁场强度的变化关系；

图5(b)显示了工作在电流模式下，石墨烯霍尔元件的灵敏度随温度的变化关系；

图5(c)显示了工作在电压模式下，石墨烯霍尔元件的霍尔电压随磁场强度的变化关系，其中按图中箭头所指方向各曲线对应的激励电压分别为0.5V、1V、2V和4V。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图3(b)所示的石墨烯霍尔集成电路的具体制备步骤如下：

1、通过机械剥离将石墨烯分散到绝缘基底上，或者采用化学气相沉淀将石墨烯生长在绝缘基底上，或者通过化学气相沉积或者金属偏析在金属上生长石墨烯，然后再将石墨烯转移到绝缘基底上面；

2、通过光刻的方法在绝缘基底上定义石墨烯霍尔元件激励电极、霍尔电极和石墨烯晶体管源、漏电极的图形，然后采用电子束蒸发或者热蒸发或者磁控溅射或者其它镀膜方式沉积一层金属电极，通过剥离的方法形成金属电极；

3、通过光刻的方法在石墨烯上定义石墨烯霍尔元件和晶体管的沟道图形以及石墨烯电阻和互连线图形，然后通过氧等离子刻蚀或者其它刻蚀方法形成霍尔元件和晶体管中石墨烯沟道的形状以及石墨烯电阻和互连线；

4、在石墨烯晶体管沟道区以及需要交叉布线的互连线节点区域通过光刻方法定义电介质图形，然后通过电子束蒸镀SiO₂、HfO₂或Al₂O₃等形成电介质，也可以通过原子层沉积SiO₂、HfO₂或Al₂O₃等形成电介质，或者通过蒸镀金属Al、Y、Hf或Zr并氧化形成电介质，剥离后形成晶体管的栅介质以及交叉布线区的绝缘电介质；

5、通过光刻定义栅电极及金属电阻和互连线的图形，然后通过电子束蒸镀、热蒸发、溅射或者原子层沉积形成金属层，剥离后形成栅电极和金属互连线和金属电阻。

在此，对二氧化硅基底上的十字型石墨烯霍尔元件(有源区沟道长约8微米，激励电极和输出电极材料为Ti)进行了测试。

在电流模式下，石墨烯霍尔元件显示出非常优异的线性度和温度稳定性。图5(a)显示了工作在电流模式下、不同环境温度下的石墨烯霍尔元件的霍尔电压随磁场强度的变化关系，其中激励电流为100微安，测量温度点为2K、10K、50K、100K、150K、200K、250K、300K和350K，2K至300K下的曲线几乎完全重合，350K下的曲线和其它曲线略有偏差。图5(b)给出了电流工作模式下(电流偏置为100微安)，该霍尔器件的灵敏度随着温度的变化关系，可以看出灵敏度随温度变化很小。

在电压模式下，石墨烯霍尔器件同样实现出很好的线性度，如图5(c)所示。图中，沿箭头方向不同曲线对应的激励电压分别是0.5V，1V，2V和4V。

上述实施例是通过具体制备顺序来阐述本发明的霍尔集成电路，但是本发明并不受限于具体的制备顺序，任何采用石墨烯材料来制作的霍尔集成电路都属于本发明的范畴。

Claims

1.一种霍尔集成电路，包括霍尔元件和对霍尔元件输出的霍尔电压信号进行放大的放大器，其特征在于，所述霍尔元件包括一对激励电极、一对霍尔电极和以石墨烯为材料的沟道，一对激励电极分别与沟道两端接触，一对霍尔电极分别与沟道两侧接触；所述放大器包括一个或多个场效应晶体管，所述场效应晶体管的沟道材料是石墨烯。

2.如权利要求1所述霍尔集成电路，其特征在于，所述霍尔集成电路还包括一个或多个电阻，以及各元器件之间的互连线，所述电阻和互连线的材料是金属或石墨烯。

3.如权利要求1所述霍尔集成电路，其特征在于，放大器中的场效应晶体管包括石墨烯沟道，分别与石墨烯沟道两端接触的源、漏电极，覆盖在石墨烯沟道表面的绝缘栅介质，以及在栅介质上的栅电极。

4.如权利要求1所述霍尔集成电路，其特征在于，所述石墨烯是单层的或者多层的。

5.如权利要求1所述的霍尔集成电路，其特征在于，所述霍尔元件和放大器集成在同一个芯片上。

6.如权利要求1所述的霍尔集成电路，其特征在于，所述的放大器是差分放大器或运算放大器。

7.权利要求1～6任一所述霍尔集成电路的制备方法，包括下列步骤：

2)通过光刻在绝缘基底上定义霍尔元件的激励电极和霍尔电极、场效应晶体管的源、漏电极的图形，然后沉积一层金属，通过剥离的方法形成与石墨烯电学连接的所述电极；

3)通过光刻在石墨烯上定义霍尔元件和场效应晶体管的沟道图形，然后刻蚀形成石墨烯沟道；

4)在场效应晶体管源漏之间通过光刻定义栅介质图形，然后沉积一层栅介质材料，并通过剥离的方法形成栅介质；

5)在场效应晶体管栅介质上通过光刻定义顶栅电极图形，然后沉积一层金属，并通过剥离的方法形成栅电极。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)采用化学气相沉积将石墨烯生长在绝缘基底上，或者通过机械剥离将石墨烯分散到绝缘基底上。

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)和/或步骤5)制作金属电极的同时制作霍尔集成电路中的金属电阻和金属互连线。

10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)制作石墨烯沟道的同时制作霍尔集成电路中的石墨烯电阻和石墨烯互连线。