CN103630254B - 一种石墨烯温度传感器及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯温度传感器及其制备工艺，其结构从上到下依次为：顶栅电极、镍铬合金膜、上SiO2层、氢倍半硅氧烷、双层石墨烯与源漏电极、下SiO2层、Si衬底、背栅电极。采用将由机械剥离得到的双层石墨烯淀积在一个带有300nm厚的SiO2层的Si衬底上，使用电子束光刻技术在源端和漏端制造电极，热蒸发5nmCr/100nmAu。本发明的石墨烯温度传感器相较于现有的传感器，该温度传感器有很高的敏感度，较低的本征噪声以及很高的探测速度。这在航天领域有很好的应用前景。

Description

一种石墨烯温度传感器及其制备工艺
技术领域：
本发明属于半导体器件与半导体工艺领域，涉及一种温度传感器器件及其制备工艺，尤其是一种双栅双层石墨烯热电子温度传感器器件及其制备工艺。
背景技术：
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。在半导体技术的支持下，人们相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。但是这些传感器的敏感度还有待提高，并且它们的本征噪声较高，探测速度较低。
石墨烯是一种二维的六方晶格结构，它具有优异的电学、热学和机械特性。石墨烯在远红外到紫外波段内有很强、几乎与频率无关的光学作用，在宽波段的光电应用中很有前景。此外，石墨烯的电子-声子耦合很弱，这就意味着在相对较高的温度下，可以利用热电子效应制作快速，高敏感度的探测器。石墨烯独特的带间结构导致了其载流子遵循二维无质量的狄拉克方程，并且在从红外到紫外的一个很宽的频谱范围内，与频率无关的吸收系数是可以量化的。之前对于石墨烯光电探测器的研究主要利用了p-n结、石墨烯/金属结以及单层石墨烯/双层石墨烯界面来产生光伏效应，从而产生电信号。但是在以上应用中主要利用了一维石墨烯界面，并没有利用到二维石墨烯的性质。
发明内容：
本发明提出了一种新型的石墨烯温度传感器器件，并介绍了其制备工艺。当有光照射到该器件上时，该器件利用了热电效应来产生电信号。由于电子的比热很小，电子很快被加热，而晶格中的碳原子核保持低温，从而产生了两个具有不同电气特性的区域。正是由于石墨烯内部的温差，从而产生了可测的电信号。通过分析电信号的改变与温度之间的函数关系，我们可以得到辐射的温度。
本发明提供了一种石墨烯温度传感器，其结构从上到下依次为：顶栅电极、镍铬合金膜、上SiO2层、氢倍半硅氧烷、双层石墨烯与源漏电极、下SiO2层、Si衬底、背栅电极。
本发明还提供了一种石墨烯温度传感器的制备工艺，将由机械剥离得到的双层石墨烯淀积在一个带有300nm厚的SiO2层的Si衬底上，使用电子束光刻技术在源端和漏端制造电极，热蒸发5nmCr/100nmAu。
所述制备工艺按照如下步骤：
(1)制备SiO2/Si衬底：在Si衬底上采用干法氧化工艺生长300nm的SiO2薄膜；
(2)制备双层石墨烯：采用机械剥离自然石墨的方法获得双层石墨烯；
(3)淀积双层石墨烯：将双层石墨烯淀积在下SiO2层上；
(4)制作源漏电极：在双层石墨烯两端的源漏区域制作电极，其方式为先采用电子束光刻的方法制作通孔，再热蒸发5nmCr和100nmAu作为电极；
(5)淀积倍半硅氧烷：先旋涂一层50nm厚的倍半硅氧烷，然后经电子束曝光使其固化；
(6)制作顶栅介质：在氢倍半硅氧烷层上方溅射250nm的SiO2薄膜作为顶栅介质；
(7)制作顶栅：在上SiO2层上方使用镍铬合金膜作为半透明顶栅，所使用的镍铬合金膜薄片电阻为200Ω；
(8)制作顶栅和背栅电极：在顶栅和背栅上分别制作顶栅电极和背栅电极，其方式为先采用电子束光刻的方法制作通孔，再热蒸发5nmCr和100nmAu作为电极。
本发明使用了载流子密度和带隙可调的双层石墨烯结构，并在该器件中使用了顶栅与背栅双栅结构。本发明将由机械剥离得到的双层石墨烯淀积在一个带有300nm厚的SiO2层的Si衬底上，使用电子束光刻技术在源端和漏端制造电极，热蒸发5nmCr/100nmAu。为了保护石墨烯不在SiO2制备工艺中受到损伤，先旋涂一层50nm厚的倍半硅氧烷(HSQ)，然后经电子束曝光使其固化，随后溅射250nm的SiO2薄膜作为顶栅介质。在SiO2层上方使用镍铬合金膜(NiCr)(20nm，薄片电阻为200Ω)作为半透明顶栅。在顶栅和背栅上分别制作顶栅电极和背栅电极，使用电子束光刻技术制造电极，热蒸发5nmCr/100nmAu。在该装置中安装一个固定频率和固定强度的光源，在器件工作时，将该光源打开，对器件施加照射。当器件在工作状态时，在顶栅和背栅上同时施加直流和交流信号进行偏置，在进行光照时，可以得到器件两端的电信号变化，根据电信号变化与环境温度之间的函数关系，我们可以得到当前的环境温度。相较于现有的传感器，该温度传感器有很高的敏感度，较低的本征噪声以及很高的探测速度。这在航天领域有很好的应用前景。
附图说明：
图1为石墨烯温度传感器的器件结构图。
图2为电阻R与电流Idc和温度T的关系曲线。
图3为二次谐波信号与电流Idc和温度T的关系曲线。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例：制作石墨烯温度传感器
在制作石墨烯温度传感器时，本发明采取以下技术方案：
1、制备SiO2/Si衬底：在Si衬底上采用干法氧化工艺生长300nm的SiO2薄膜。
2、制备双层石墨烯：采用机械剥离自然石墨的方法获得双层石墨烯。
3、淀积双层石墨烯：将双层石墨烯淀积在下SiO2层上。
4、制作源漏电极：在双层石墨烯两端的源漏区域制作电极，其方法为先采用电子束光刻的方法制作通孔，再热蒸发5nmCr和100nmAu作为电极。
5、淀积倍半硅氧烷(HSQ)：为了保护石墨烯不在SiO2制备工艺中受到损伤，先旋涂一层50nm厚的倍半硅氧烷(HSQ)，然后经电子束曝光使其固化。
6、制作顶栅介质：在氢倍半硅氧烷(HSQ)层上方溅射250nm的SiO2薄膜作为顶栅介质。
7、制作顶栅：在上SiO2层上方使用镍铬合金膜(NiCr)(20nm)作为半透明顶栅，所使用的镍铬合金膜薄片电阻为200Ω。
8、制作顶栅和背栅电极：在顶栅和背栅上分别制作顶栅电极和背栅电极，其方法为先采用电子束光刻的方法制作通孔，再热蒸发5nmCr和100nmAu作为电极。
该器件的结构示意图如图1所示。我们同时使用直流和交流信号来偏置该器件，直流偏置由一个Keithley2400源表提供，交流激励由一个StanfordSR830lock-in放大器提供。当使用光照射该器件时，我们测试了两端电阻R以及相应电压变化ΔV的值(使用一个lock-in放大器测量)，它们的大小与顶栅电压Vtg和背栅电压Vbg有关。当施加直流和交流偏置时，根据一次谐波信号得到电阻R与电流Idc和温度T的关系，如图2所示；二次谐波信号为我们可以得到ΔV(2ω)与电流Idc和温度T的关系，如图3所示。由以上关系，我们得到与电阻R的关系。当Idc确定时，我们可以求出的值，从而根据所得到的R值计算出温度T。
该石墨烯温度传感器的本征速率非常高，在温度为10K时可以达到1GHz以上。该器件具有很低的等效噪声功率，在温度为5K为33fW/Hz1/2，这与现在商用的硅温度传感器的等效噪声功率(200-2000fW/Hz1/2)相比是非常小的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种石墨烯温度传感器的制备工艺，其特征在于：将由机械剥离得到的双层石墨烯淀积在一个带有300nm厚的SiO2层的Si衬底上，使用电子束光刻技术在源端和漏端制造电极，热蒸发5nmCr/100nmAu；按照如下步骤：
(1)制备SiO2/Si衬底：在Si衬底上采用干法氧化工艺生长300nm的SiO2薄膜；
(2)制备双层石墨烯：采用机械剥离自然石墨的方法获得双层石墨烯；
(3)淀积双层石墨烯：将双层石墨烯淀积在下SiO2层上；
(4)制作源漏电极：在双层石墨烯两端的源漏区域制作电极，其方式为先采用电子束光刻的方法制作通孔，再热蒸发5nmCr和100nmAu作为电极；
(5)淀积倍半硅氧烷：先旋涂一层50nm厚的倍半硅氧烷，然后经电子束曝光使其固化；
(6)制作顶栅介质：在倍半硅氧烷层上方溅射250nm的SiO2薄膜作为顶栅介质；
(7)制作顶栅：在上SiO2层上方使用镍铬合金膜作为半透明顶栅，所使用的镍铬合金膜薄片电阻为200Ω；
(8)制作顶栅和背栅电极：在顶栅和背栅上分别制作顶栅电极和背栅电极，其方式为先采用电子束光刻的方法制作通孔，再热蒸发5nmCr和100nmAu作为电极。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105698953B (zh) * 2014-11-27 2018-08-28 北京大学 一种基于石墨烯无源热电偶的温度探测方法
CN104979464B (zh) * 2015-06-11 2017-09-29 上海电力学院 一种基于石墨烯异质结的柔性热电转换器件
CN105136326B (zh) * 2015-08-19 2018-06-15 东南大学 一种温度传感器及其制备方法
CN105136325B (zh) * 2015-08-19 2017-09-15 东南大学 一种自封装温度传感器及其制备方法
CN105241571B (zh) * 2015-09-21 2018-03-20 长安大学 N和Mo用于提高氧化石墨烯温敏特性的方法
CN105841836B (zh) * 2016-03-18 2019-12-27 南京邮电大学 一种新型瞬态温度传感器
CN108757740B (zh) * 2018-05-29 2019-09-06 河南科技大学 一种基于复合膜系结构的温度型自感知轴承
CN110823396A (zh) * 2018-08-08 2020-02-21 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于还原氧化石墨烯的温度传感器及其制备方法与应用
CN110702248B (zh) * 2019-09-17 2020-12-18 江苏大学 一种基于石墨烯材料的热电传感器及其制备方法
CN110657898A (zh) * 2019-10-10 2020-01-07 南京大学 一种基于双层石墨烯的温度传感器及制备方法
CN111736367B (zh) * 2020-06-01 2024-02-09 西安电子科技大学 基于石墨烯的相位调制器、调制方法及制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6232662B1 (en) * 1998-07-14 2001-05-15 Texas Instruments Incorporated System and method for bonding over active integrated circuits
CN1399323A (zh) * 2001-07-23 2003-02-26 因芬尼昂技术股份公司 测量集成半导体组件在高温时的可靠性的装置和方法
CN101351893A (zh) * 2005-12-28 2009-01-21 维西埃-硅化物公司 沟槽式多晶硅二极管
CN101834206A (zh) * 2010-04-12 2010-09-15 清华大学 半导体器件结构及其形成方法
CN102420288A (zh) * 2011-11-21 2012-04-18 北京科技大学 一种带介电修饰层的有机场效应晶体管及制备方法
CN103208524A (zh) * 2013-04-25 2013-07-17 西安电子科技大学 一种多层双栅石墨烯场效应的晶体管及其制备方法
CN103318874A (zh) * 2013-05-21 2013-09-25 宁夏大学 具有温度敏感特性的氧化石墨烯及元件的制备方法
CN203258849U (zh) * 2013-05-16 2013-10-30 中国石油集团工程设计有限责任公司 水浴式电加热器橇

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6232662B1 (en) * 1998-07-14 2001-05-15 Texas Instruments Incorporated System and method for bonding over active integrated circuits
CN1399323A (zh) * 2001-07-23 2003-02-26 因芬尼昂技术股份公司 测量集成半导体组件在高温时的可靠性的装置和方法
CN101351893A (zh) * 2005-12-28 2009-01-21 维西埃-硅化物公司 沟槽式多晶硅二极管
CN101834206A (zh) * 2010-04-12 2010-09-15 清华大学 半导体器件结构及其形成方法
CN102420288A (zh) * 2011-11-21 2012-04-18 北京科技大学 一种带介电修饰层的有机场效应晶体管及制备方法
CN103208524A (zh) * 2013-04-25 2013-07-17 西安电子科技大学 一种多层双栅石墨烯场效应的晶体管及其制备方法
CN203258849U (zh) * 2013-05-16 2013-10-30 中国石油集团工程设计有限责任公司 水浴式电加热器橇
CN103318874A (zh) * 2013-05-21 2013-09-25 宁夏大学 具有温度敏感特性的氧化石墨烯及元件的制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张洵等.半导体温度传感器研究进展综述.《传感器与微系统》.2006,第25卷(第3期),1-3. *
林凡等.半导体温度传感器及其芯片集成技术.《仪表技术与传感器》.2003,(第12期),1-2. *
陈世琴等.石墨烯电极有机薄膜晶体管研究.《液晶与显示》.2012,第27卷(第5期),595-598. *

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