CN102891251B - 一种石墨烯霍尔元件的封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯霍尔元件的封装结构及封装方法。本结构包括一石墨烯霍尔元件，所述石墨烯霍尔元件包括石墨烯层，石墨烯层包括石墨烯沟道以及与石墨烯沟道端口一体的接触电极接触端，接触电极接触端上表面设有接触电极，位于所述接触电极之间的所述石墨烯沟道上表面设有有机薄膜层，所述有机薄膜层上设有无机薄膜层。本发明封装方法为在石墨烯霍尔元件接触电极之间的石墨烯沟道上表面制备有机薄膜层，然后在所述有机薄膜层上制备无机薄膜层。本发明的有机薄膜层既起到了封装作用，又在沟道图形形成过程中充当了刻蚀阻挡层的作用，因而减少了工艺步骤，降低器件制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯霍尔元件的封装结构及封装方法，特别的，涉及一种采用和石墨烯直接接触的SU-8有机薄膜结合无机薄膜的封装结构和封装方法。
背景技术
石墨烯是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。该结构中，碳原子间通过很强的σ键相连，保证了材料结构的稳定性及优异的力学性能；垂直于碳原子层平面的π键提供参与导电的自由电子，通常其中的自由电子迁移率和费米速度很高，使材料具有很好的电学性能。石墨烯具有优异的电学、光学性能，被广泛用于电学、光学器件的制备和研究。基于石墨烯的场效应晶体管被用来构建高速、低功耗的模拟电路和数字电路，基于石墨烯的非对称结构被用来构建高速光电子器件。此外，石墨烯还被用来作为气体、液体、光学、磁学的传感器件。
通常，电子器件和电路必须要采取良好的封装，以隔绝环境对器件的影响，从而保证电子器件和电路的稳定性和可靠性。对于石墨烯电子器件和电路而言，由于其中的石墨烯只有几个原子层厚，因而更加容易受环境的干扰，其性能的保持更加强烈地依赖于有效的封装。和传统的硅器件相比，石墨烯上并不容易生长上致密的氧化物形成较好的封装，即使在石墨烯上生长上氧化物或者氮化物，器件的性能通常也会严重下降。因而需要寻找一种在不降低石墨烯电子器件前提下形成有效封装的封装材料和封装结构。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种石墨烯霍尔元件的有效封装结构和封装方法，所使用的封装结构和封装方法能保证有效隔绝环境的影响又不降低器件性能。
本发明的技术方案如下：
一种石墨烯霍尔元件，器件沟道由石墨烯2构成，沟道通过接触电极4下方的石墨烯2和外部电路连接。沟道上方为SU-8光刻胶有机薄膜3，胶上为氧化物或者氮化物构成的无机薄膜6。需要指出的是，虽然有机薄膜下方和接触电极下方都有石墨烯，并且这两部分石墨烯是相连在一起的，但这两部分石墨烯功能并不同，接触电极之间的石墨烯(在此即有机薄膜3下方的石墨烯)是霍尔元件对磁场产生感应信号的发生区域，通常称为石墨烯沟道，而接触电极下方的石墨烯通常只是将沟道中的信号输出到接触电极或者将接触电极中的信号输入到沟道。由于这两部分石墨烯是从同一石墨烯样品制备得到的，因而本发明附图并未刻意区分沟道部分的石墨烯和接触电极下方的石墨烯。
上述石墨烯可以是单层的或者多层的。
上述SU-8光刻胶有机薄膜的厚度在50nm以上，主要用于保护沟道不受无机薄膜层的影响(例如远程散射造成沟道中载流子迁移率降低的影响)。
上述薄膜通过液态的SU-8胶以旋涂方式形成，通过光学光刻及显影形成需要的图形，并通过烘烤进一步固化。
上述氧化物和氮化物通过原子层沉积、化学气相沉积、溅射或者蒸镀等方法得到。
上述有机薄膜层可以是单一的SU-8光刻胶薄膜，也可以在SU-8光刻胶上覆盖有其他的有机薄膜。
上述氧化物或氮化物也可以是双层或者多层的。
本发明所述封装结构为有机薄膜层和无机氧化物/氮化物膜形成的多层结构，其中有机物层的作用在于：1、在形成石墨烯沟道的过程保护其下方石墨烯不被刻蚀掉，并由此决定了石墨烯沟道形状和尺寸；2、保护石墨烯不受上方无机薄膜的远程掺杂和远程散射的作用。具体可以包括下述步骤：
1)在绝缘基底上制备石墨烯，或者在其它基底上生长石墨烯后再将石墨烯转移到表面带有绝缘层的衬底上，并在石墨烯上旋涂SU-8光刻胶薄膜，如图2(a)所示；
2)在石墨烯上通过光学光刻和显影得到所设计的SU-8的图形，如图2(b)所示，对于沟道为十字形的霍尔元件，其对应的俯视图如图2(c)所示；
3)在石墨烯上利用光学光刻制备器件接触电极的图形，然后沉积一层金属，并通过剥离的方法形成接触电极的形状，如图3(a)，对于沟道为十字形的霍尔元件，其对应的俯视图如图3(b)所示；接触电极和SU-8图形有部分重叠，该部分的电极金属并不和石墨烯发生直接接触，其他非重叠部分则和石墨烯直接接触，并由此将电信号引入SU-8下方的石墨烯沟道；所沉积金属厚度可以大于SU-8有机薄膜的厚度(如图3(a))，也可以小于SU-8有机薄膜的厚度(如图3(c))。
4)通过等离子刻蚀去除被电极和SU-8光刻胶薄膜保护之外的石墨烯。
5)通过光学光刻形成测试电极图形，然后沉积一层金属，并通过剥离的方法形成测试电极的形状，如图4(a)。
6)通过化学气相沉积、溅射或者原子层沉积等方法在所得器件上制备一层致密的、电绝缘的无机物，例如，SiO2、Si3N4或者Al2O3。
7)通过光学光刻和显影将测试电极正上方的无机物暴露出来，然后通过等离子刻蚀或者湿法刻蚀将测试电极正上方的无机薄膜去除掉，最终形成图1所示的器件。
上述步骤1)中，石墨烯可以在SiC基底上通过外延法制备或者在SiO2基底上用化学气相沉积制备，或者在Cu、Ni、Pt、Ru等金属上用化学气相沉积制备然后通过腐蚀法或者电解法将石墨烯转到到绝缘衬底上。
上述步骤3)和5)中，电极可以采用电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射或者其它镀膜方式制备。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
1、器件经过本发明封装方法处理后可以在空气中稳定工作；
2、器件沟道部分的石墨烯其载流子迁移率在封装前后基本保持不变；
3、SU-8光刻胶薄膜既起到了封装作用，又在沟道图形形成过程中充当了刻蚀阻挡层的作用，因而减少了工艺步骤，降低器件制备成本。
附图说明
图1显示了一个封装后的器件结构图，
1-衬底、2-石墨烯层(包括石墨烯沟道以及石墨烯沟道与接触电极连接的石墨烯部分)、3-SU-8光刻胶薄膜、4-接触电极、5-测试电极、6-无机氧化物/氮化物薄膜；
图2在石墨烯表面制备SU-8光刻胶有机薄膜流程图；
(a)显示了将石墨烯转移到表明带有绝缘层的衬底上并在石墨烯表面涂上SU-8光刻胶有机薄膜的示意图；
(b)显示了通过光刻得到的一个十字型的SU-8结构的截面图；
(c)为十字型的SU-8结构的俯视图；
图3为在SU-8光刻胶有机薄膜上制备接触电极流程图；
(a)显示了制备好接触电极后的器件的截面图；
(b)显示了制备好接触电极后的器件的俯视图；
(c)显示了接触电极厚度小于SU-8有机薄膜的厚度截面图。
图4为制备测试电极及无机薄膜流程图；
(a)显示了制备好测试电极后的器件结构示意图，
(b)显示了在图4(a)所示器件基础上制备上无机薄膜后所得器件的结构示意图；
图5为封装前后器件的性能对比图；
(a)显示了没有做封装处理的石墨烯器件的转移特性曲线，
(b)显示了做了上述封装处理后的石墨烯器件的转移特性曲线；
其中，器件所用衬底为表面带有300nm SiO2的硅衬底，测试时硅衬底作为栅电极，石墨烯霍尔元件的两个接触电极分别作为源、漏电极，源漏电极之间的电压为50mV，沟道中测量得到的电流Ids如图中纵坐标所示，测试过程所加栅极电压Vgs如图中横坐标所示。
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1所示的器件，其具体制备步骤如下：
1、通过化学气相沉淀将石墨烯生长在Cu或者Pt基底上，然后通过化学腐蚀或者电解法将石墨烯转移到衬底1上，并通过匀胶方式在石墨烯表明旋涂上SU-8光刻胶，如图2(a)所示；
2、通过光学光刻的方法形成SU-8光刻胶薄膜3的形状，并在高温条件下(如200度)烘烤固化光刻胶薄膜，所得器件结构截面图和俯视图分别如图2(b)和(c)所示；
3、通过光学光刻制备和石墨烯相接触的电极的图形，通过镀膜和剥离的方法形成金属电极4的形状，所得器件结构截面图和俯视图分别如图3(a)和(b)所示；
4、通过等离子刻蚀去除被接触电极4和SU-8光刻胶有机薄膜3保护之外的石墨烯；
5、通过光学光刻制备测试电极的图形，通过镀膜和剥离的方法形成测试电极5的形状，如图4(a)所示。
6、通过原子层沉积、溅射或者蒸镀等方法得到无机物薄膜6。
7、通过光学光刻和显影将测试电极正上方的无机物暴露出来，而其他部分无机氧化物/氮化物则被光刻胶覆盖，然后通过等离子刻蚀或者湿法刻蚀将测试电极正上方的无机薄膜去除掉，测试电极区域之外的光刻胶可以保留在无机物上方或者用丙酮等有机溶剂去除。
图5为封装前后器件的性能对比图；其中，图5(a)的实线代表器件在真空中的测量结果，虚线代表同一器件在空气中的测量结果；图5(b)实线部分实际上包含两条几乎重合的曲线，一条代表真空中的测试结果，另一条代表同一器件在空气中的测试结果。从图中可以看出未做封装处理的器件其特性明显受空气影响，而做了上述封装处理的器件其特性不受周围气氛的影响。
Claims (4)
1.一种石墨烯霍尔元件的封装方法，其特征在于在石墨烯霍尔元件接触电极(4)之间的石墨烯沟道上表面制备有机薄膜层(3)，然后在所述有机薄膜层(3)上制备无机薄膜层(6)；其中封装方法的步骤为：
1)在绝缘基底上制备石墨烯，或者将生长好的石墨烯转移到绝缘基底上；
2)在该石墨烯上制备有机薄膜层，然后在该有机薄膜层上制备所设计的有机薄膜层图形；
3)制备石墨烯沟道接触电极的电极图形；然后沉积一层金属，通过剥离的方法形成石墨烯沟道的接触电极；
4)去除被所述接触电极和所述有机薄膜层保护之外的石墨烯；
5)制备测试电极的电极图形，然后沉积一层金属，并通过剥离的方法形成测试电极；其中，所述测试电极与所述接触电极接触连接；
6)制备一无机薄膜层覆盖上述所得器件结构；然后去除覆盖在所述测试电极上的部分无机薄膜层，暴露出部分所述测试电极。
2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于通过在所述石墨烯上旋涂SU-8光刻胶制备所述有机薄膜层；通过对SU-8光刻胶光刻显影制备所设计的有机薄膜层图形。
3.如权利要求1或2所述的封装方法，其特征在于所述接触电极与所述有机薄膜层之间有部分重叠。
4.如权利要求2所述的封装方法，其特征在于所述SU-8光刻胶薄膜层的厚度大于50nm。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |