CN103280397A - 一种横向石墨烯pin结的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种横向石墨烯PIN结的制备方法，属于半导体器件及薄膜晶体生长领域。本发明在衬底上制备的n型或p型的底层石墨烯，通过光刻将需要的底层石墨烯保留，在需要作为原掺杂类型区域的底层石墨烯上沉积遮挡层，将另一掺杂类型的转移石墨烯转移到所得样品的表面，后光刻并腐蚀去除遮挡层及其上的转移石墨烯，形成横向石墨烯PIN结。本发明通过光刻技术、转移技术等实现了横向石墨烯PIN结的可控制备，填补了PIN结制备技术的空白；本制备方法中石墨烯PIN结中材料的掺杂浓度、层厚度、大小尺寸等容易控制，且所用工艺简单，易实现。利用本发明制备的横向石墨烯PIN结可应用于制备石墨烯光电探测器等功能器件，提高器件的性能。

Description

一种横向石墨烯PIN结的制备方法
技术领域
本发明是属于半导体器件及薄膜晶体生长领域。
背景技术
石墨烯是一种具有理想二维晶体结构的碳质新材料，是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶体。电子在石墨烯蜂巢状结构中传输满足Dirac方程，载流子无静止质量，运动速度很高，其传导速率为5×105 ms-1，载流子迁移率大于100,000 cm2V-1s-1，是目前已知导电性能最出色的材料，在微电子领域具有巨大的应用潜力。对于硅基电路，掺杂是实现各种功能器件的基础。对于石墨烯基光电子器件的应用，例如光电探测器，需要实现石墨烯PIN结的制备和精确控制。二维石墨烯材料的掺杂控制是目前存在的难题，特别是石墨烯PIN结的实现困难。
发明内容
本发明提供了一种横向石墨烯PIN结的制备方法，目前石墨烯PIN结制备尚属空白，该方法实现了石墨烯PIN结的可控制备，且工艺简单、易实现。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种横向石墨烯PIN结的制备方法，包括如下步骤：
第一步，在衬底上制备底层石墨烯，所述底层石墨烯的掺杂类型为n型或p型；
第二步，将上述底层石墨烯光刻，并氧等离子刻蚀，保留需要区域的底层石墨烯，去除其它区域的底层石墨烯；
第三步，在上述第二步得到样品中底层石墨烯上需要作为原掺杂类型区域上沉积遮挡层；
第四步，将与上述第三步得到的样品中底层石墨烯掺杂类型不同的转移石墨烯转移到样品的表面；
第五步，腐蚀去除所述遮挡层及遮挡层上的转移石墨烯，得到横向石墨烯PIN结。
所述遮挡层为Si3N4或SiO2或Au或Al或Ti。
所述衬底为SiC、Si、SiO2、玻璃或柔性衬底。
上述第一步中采用SiC热解法在SiC衬底上制备底层石墨烯或采用CVD法在衬底上生长底层石墨烯或将CVD法生长的底层石墨烯转移到Si、SiO2、玻璃或柔性衬底。
上述第二步中通过光刻将需要保留区域的底层石墨烯保留，其它区域的石墨烯采用氧等离子体刻蚀去除。
采用上述技术方案取得的技术进步为：本发明通过光刻技术、转移技术等实现了横向石墨烯PIN结的可控制备，填补了PIN结制备技术的空白；本制备方法中石墨烯PIN结中材料的掺杂浓度、层厚度、大小尺寸等容易控制，且所用工艺简单，易实现。利用本发明制备的横向石墨烯PIN结可应用于制备石墨烯光电探测器等功能器件，提高器件的性能。
附图说明
图1为利用本发明制备的实施例1的制备流程图；
图2为利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
由图1所示的流程图可知，实施例1的制备步骤为：
第一步，采用SiC热解法在SiC衬底上生长底层石墨烯，所述底层石墨烯的掺杂类型为n型，掺杂浓度为1012-1014 cm-2可控。
第二步，利用光刻将上述底层石墨烯上需要保留n型掺杂的区域保留，其他区域采用氧等离子体刻蚀去除；需要保留n型掺杂的区域就是要作为N区和I区的区域，去除的区域就是要作为P区的区域。
第三步，在上述第二步得到的样品中的底层石墨烯中需要作为n型的区域上沉淀Si3N4遮挡层。
第四步，将CVD法生长的p型转移石墨烯转移到第三步得到的样品上，此时，遮挡层、裸露的n型底层石墨烯和裸露的SiC衬底的表面均被p型转移石墨烯覆盖。
第五步，腐蚀去除Si3N4遮挡层及遮挡层上的p型转移石墨烯，得到横向石墨烯PIN结：底层石墨烯构成N区，转移石墨烯构成P区，两者相交的区域构成I区。
所述底层石墨烯和转移石墨烯的层数都在1-5层之间，这样，本征石墨烯I区的层数就位于2-10之间。
实施例2
与实施例1不同的是，实施例2的制备步骤为：
第一步，采用CVD法在SiC衬底上生长n型底层石墨烯，将底层石墨烯在氢气气氛下退火，氢原子进入底层石墨烯与SiC衬底间的界面，这样底层石墨烯转变为p型掺杂，掺杂浓度为1012-1014 cm-2可控。
第二步，利用光刻将上述底层石墨烯上需要保留p型掺杂的区域保留，其他区域采用氧等离子体刻蚀去除；需要保留p型掺杂的区域就是要作为P区和I区的区域，去除的区域就是要作为N区的区域。
第三步，在上述底层石墨烯中需要作为p型的区域上沉淀SiO2遮挡层。
第四步，将CVD法生长的n型转移石墨烯转移到第三步得到的样品上，此时，遮挡层、裸露的p型石墨烯和裸露的Si衬底的表面均被n型石墨烯覆盖。
第五步，腐蚀去除SiO2遮挡层及遮挡层上的n型石墨烯，得到横向石墨烯PIN结：底层石墨烯构成P区，转移石墨烯构成N区，两者相交的区域构成I区。
衬底上制备底层石墨烯的方法很多，根据衬底的类型选择合适的制备方法。当然也可以现在其他衬底上生长底层石墨烯然后再将其转移到目标衬底上，这样的话，就类似于转移石墨烯的制备了。可以采用SiC热解法在SiC衬底上制备底层石墨烯，或采用CVD法在衬底上生长底层石墨烯，或将CVD法生长的底层石墨烯转移到Si、SiO2、玻璃或柔性衬底。
实施例3
由图2所示可知，与实施例1和实施例2不同的是，该实施例的具体制备步骤为：
第一步，采用CVD法在Cu衬底生长p型底层石墨烯；将p型底层石墨烯转移到Si衬底上，其掺杂浓度为1012-1014 cm-2可控。
第二步，利用光刻将上述底层石墨烯上需要保留的区域进行保留处理操作，其他区域采用氧等离子体刻蚀去除；需要保留p型掺杂的区域就是要作为P区和I区的区域，去除的区域就是要作为N区的区域。
第三步，将上述底层石墨烯中需要作为p型的区域上沉淀Au遮挡层。
第四步，将CVD法生长的n型石墨烯转移到第三步得到的样品上，此时，遮挡层、裸露的p型石墨烯和裸露的玻璃衬底的表面均被n型石墨烯覆盖。
第五步，腐蚀去除SiO2遮挡层及遮挡层上的n型石墨烯，得到横向石墨烯PIN结：底层石墨烯构成P区，转移石墨烯构成N区，两者相交的区域构成I区。
本发明中衬底所用材料有很多种选择，可以为SiC、Si、SiO2、玻璃、金属衬底、柔性衬底等，在实际制作过程中根据需要选择合适的材料即可。制备底层石墨烯和转移石墨烯的方式也有很多种，可以直接生长，也可以通过转移，总之，本领域技术人员根据实际需要，选择最合适的方式进行实现。遮挡层是本领域最常用的一种技术，其材料可以为Si3N4或SiO2或Au，Al等金属，根据需要选择其他材料也可，只要能满足需求即可。
本发明通过底层石墨烯的生长和转移石墨烯的后处理等工艺控制横向石墨烯PIN结各区的层数和掺杂浓度。本征石墨烯I区的层数是n型石墨烯和p型区石墨烯的层数之和，掺杂浓度应低于1011 cm-2。利用本发明制备的横向石墨烯PIN结的尺寸为0.01-1000 微米。
表1是利用本发明的方法制备的横向石墨烯PIN结的一些参数。
表1
区域 石墨烯层数 载流子浓度（cm-2） 尺寸（微米）
P区 1-5 1012-1014 0.01-1000
I区 2-10 ≤1011 0.01-1000
N区 1-5 1012-1014 0.01-1000
本发明通过光刻技术、转移技术等实现了横向石墨烯PIN结的可控制备，填补了PIN结制备技术的空白；本制备方法中石墨烯PIN结中材料的掺杂浓度、层厚度、大小尺寸等容易控制，且所用工艺简单，易实现。利用本发明制备的横向石墨烯PIN结可应用于制备石墨烯光电探测器等功能器件，提高器件的性能。 

Claims (5)

1.一种横向石墨烯PIN结的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步，在衬底上制备底层石墨烯，所述底层石墨烯的掺杂类型为n型或p型；
第二步，将上述底层石墨烯光刻，并氧等离子刻蚀，保留需要区域的底层石墨烯，去除其它区域的底层石墨烯；
第三步，在上述第二步得到样品中底层石墨烯上需要作为原掺杂类型区域上沉积遮挡层；
第四步，将与上述第三步得到的样品中底层石墨烯掺杂类型不同的转移石墨烯转移到样品的表面；
第五步，腐蚀去除所述遮挡层及遮挡层上的转移石墨烯，得到横向石墨烯PIN结。
2.根据权利要求1所述的一种横向石墨烯PIN结的制备方法，其特征在于所述遮挡层为Si3N4或SiO2或Au或Al或Ti。
3.根据权利要求1所述的一种横向石墨烯PIN结的制备方法，其特征在于所述衬底为SiC、Si、SiO2、玻璃或柔性衬底。
4.根据权利要求1所述的一种横向石墨烯PIN结的制备方法，其特征在于上述第一步中采用SiC热解法在SiC衬底上制备底层石墨烯或采用CVD法在衬底上生长底层石墨烯或将CVD法生长的底层石墨烯转移到Si、SiO2、玻璃或柔性衬底。
5.根据权利要求1所述的一种横向石墨烯PIN结的制备方法，其特征在于上述第二步中通过光刻将需要保留区域的底层石墨烯保留，其它区域的石墨烯采用氧等离子体刻蚀去除。
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