CN109817762A - 一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在n型4H/6H‑SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，属于微电子材料技术领域，方法包括步骤：将偏轴4°半绝缘和正向n型的4H/6H‑SiC的硅面晶片进行化学机械抛光及化学清洗，在偏轴4°半绝缘的SiC晶片上制备n型单层石墨烯，经过剥离步骤获得n型单层石墨烯微米条带，在n型SiC衬底上制备p型单层石墨烯微米条带，将n型单层石墨烯微米条带对准后放置在p型单层石墨烯微米条带上，施加压力，并将样品放置在加热台上加热，胶带脱离后获得周期性PN结。本方法易于控制，通过精确控制生长压力、时间等，最终在n型4H/6H‑SiC衬底的Si面上获得了表面形貌均匀的高质量周期性石墨烯PN结。
Description
技术领域
本发明涉及一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，属于微电子材料技术领域。
背景技术
石墨烯是由碳原子呈sp2杂化形成的只有一层原子厚度的二维晶体，是其它碳基材料的基本单元。石墨烯室温下的载流子迁移率可达到200,000cm2/Vs，为本征硅半导体迁移率的140余倍，砷化镓的20倍，是目前载流子迁移率最高的材料之一。石墨烯相邻碳原子采用sp2杂化成键方式使得C-C键具有很强的结合能，因此石墨烯具有很高的力学性能，其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和l.0TPa，伸缩弹性达20％，是目前世界上硬度和强度最大的材料之一。石墨烯是目前世界上热导率最高的材料之一，室温下其导热率在4.84×103W/mK到5.30×103W/mK范围内变化。石墨烯的高热导率为随器件尺寸缩小带来的散热问题提供了新的解决途径。石墨烯具有良好的透光性，单层石墨烯的光吸收率仅2.3％，在显示器材料方面有着潜在的应用。石墨烯优异的电学、热学和力学性能，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用，在工业、电力行业及电子产业都有极大的应用前景。
石墨烯PN结可以用来研究石墨烯的电学传输及光电特性，在石墨烯光电探测器件方面具有非常广阔的前景。中国专利CN201310208785.7公开了一种制备横向石墨烯PN结的方法，该发明首先在SiC衬底上制备n型掺杂的石墨烯，然后对石墨烯进行选择处理，包括掩膜或图形化处理或预沉积适量的p型掺杂元素，最后在氢气气氛或真空下进行退火，控制退火时间与温度，得到横向石墨烯PN结。中国专利CN201810113459.0公开了一种硅掺杂氮化硼/石墨烯的PN结型的紫外探测器制备方法，对氮化硼材料进行硅掺杂，形成n型半导体氮化硼材料，结合石墨烯本征p型的特质，形成PN结型的紫外探测器。
现有公布的石墨烯PN结制备方法存在p型及n型石墨烯区域无法精确控制、元素掺杂困难、器件结构设计复杂等问题，本发明提供一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法。本发明制备方法简单，p型及n型石墨烯区域可控，生产成本低，可实现大规模生产，极具市场价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法。
术语解释：
i.4H/6H-SiC是4H型或6H型碳化硅的常规简写表达，指4H-SiC或6H-SiC
ii.n型：自由电子浓度远大于空穴浓度；p型:空穴浓度远大于自由电子浓度
iii.4H/6H-SiC晶片有两个极性面：硅面(0001)面和碳面面
本发明的技术方案如下：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，包括如下步骤：
(1)分别将偏轴4°半绝缘和正向n型的4H/6H-SiC的硅面(即(0001)面)晶片进行化学机械抛光以及化学清洗，真空封装待用；
(2)在偏轴4°半绝缘的SiC晶片上制备n型单层石墨烯，经过剥离步骤获得n型单层石墨烯微米条带，步骤如下：
n型单层石墨烯的制备：取步骤(1)中偏轴4°半绝缘SiC晶片，放在单晶生长炉坩埚中的石墨托盘中，抽真空至10-7mbar，以30～80℃/min的升温速率升温至850～950℃，氩气流量20～100sccm，氢气流量10～50sccm，保温60～100min，完成刻蚀，获得平均宽度1-2μm左右的台阶；关闭氢气和氩气，抽真空至10-7mbar，以0.5～3℃/min的升温速率升温至1550～1650℃，通入氩气，氩气流量5～20sccm，保温1h～2h，获得n型单层石墨烯；
剥离步骤：将制备的n型单层石墨烯样品放入热蒸发镀膜仪，抽真空至10-6～10- 4Torr，在15～35℃条件下在石墨烯表面蒸镀一层20～40nm厚的Ni保护膜；再次抽真空，调节溅射腔气氛压力至3-10MTorr，通过离子溅射方法在Ni保护膜表面溅射一层300～800nm厚的Ni应变层；在Ni应变层表面粘贴热脱胶带，通过压机施加0.2～0.5MPa压力，使热脱胶带与Ni应变层的表面紧密黏连在一起；通过撕拉胶带方法，在热脱胶带上得到n型单层石墨烯微米条带；
(3)在n型SiC衬底上制备p型单层石墨烯微米条带，通过以下2种方法之一进行制备：
方法1：
取步骤(1)中正向n型SiC晶片，放在单晶生长炉坩埚中的石墨托盘中，抽真空至10-7mbar，以30～80℃/min的升温速率升温至1000～1100℃，氩气流量20～100sccm，氢气流量10～50sccm，保温10～30min，完成刻蚀，获得4～8μm宽台阶；关闭氢气和氩气，抽真空至10-7mbar，以0.5～3℃/min的升温速率升温至1400～1500℃，通入氩气，氩气流量5～20sccm，保温20～60min，完成台阶边缘处石墨烯缓冲层的生长，此时台阶平台区域并未产生石墨烯缓冲层；关闭氩气，抽真空至10-7mbar，以0.5～3℃/min的升温速率升温至800～1000℃，通入氢气，氢气流量10～50sccm，保温时间1～2h，使氢原子插入到石墨烯缓冲层与n型SiC衬底之间，在台阶边缘处形成p型单层石墨烯微米条带；
方法2：
取步骤(1)中正向n型SiC晶片，放在单晶生长炉坩埚中的石墨托盘中，调节缓冲层生长过程与氢钝化过程的温度与保温时间；缓冲层生长过程：温度1450～1600℃，保温时间1-2h；氢插入过程：温度900～1100℃，保温时间1.5-3h；在正向n型SiC衬底表面形成均匀p型单层石墨烯；
将p型单层石墨烯表面周期性旋涂光刻胶，用光刻板覆盖在表面在紫外光进行曝光，经过显影后去掉光刻胶，得到周期性p型单层石墨烯微米条带；
方法1操作简单，可直接在SiC衬底上实现石墨烯微米条带的原位生长，避免了二次污染和破坏，但该方法对生长条件要求较高，需要严格控制生长温度与生长时间；方法2可实现p型石墨烯区域的精准控制，且条带形貌规则、宽度可控，但该方法较为复杂，需要注意避免在光刻处理过程中引入污染。
(4)在光学显微镜下将步骤(2)中制备的n型单层石墨烯微米条带对准后放置在步骤(3)中制备的p型单层石墨烯微米条带上，通过压机施加0.2～0.5MPa压力；将样品放置在加热台上，加热到80～110℃，使热脱胶带自然脱离，初步获得在n型SiC衬底表面周期性PN结；
(5)配置HCl：FeCl3溶液，HCl：FeCl3摩尔比为1:1～4:1，将步骤(4)中所得样品浸入溶液5～8h，去除样品表面Ni保护膜与Ni应变层，在n型SiC衬底上得到周期性石墨烯PN结；
(6)将步骤(5)中所得样品依次用丙酮、酒精分别各自浸泡3～5min，并用去离子水清洗2～3遍，去除表面残留的杂质，氮气枪吹干；
(7)将步骤(6)中样品放入管式炉，通入氩气，氩气流量5～20sccm，以2～5℃/s的升温速率加热至500～700℃，保温2～5h进行退火，去除样品表面吸附的空气和水。
通过该方法可在n型4H/6H-SiC衬底上制备周期性石墨烯PN结，通过优选的条件，石墨烯覆盖率可达100％。
优选的，步骤(1)中，对4H/6H-SiC晶片进行化学清洗采用标准的湿法化学清洗工艺。
优选的，步骤(2)中，氢刻蚀过程：氩气流量50～60sccm；氢气流量25～30sccm；升温速率为45～50℃/min，升温至900℃±20℃，保温80min；石墨烯的生长过程：氩气流量12～15sccm，升温速率2℃/min，升温至1600±20℃，保温1.5h。
优选的，步骤(2)中，剥离石墨烯过程：真空度10-5Torr，温度25～28℃，蒸Ni保护膜厚度30～35nm，Ni应变层厚度450～500nm，压机施加压力为0.30～0.35MPa。
优选的，步骤(3)方法1中，氢刻蚀过程：氩气流量50～60sccm；氢气流量25～30sccm；升温速率为50～70℃/min，升温至1000℃±20℃，保温20min；石墨烯缓冲层生长过程：氩气流量12～15sccm，升温速率2℃/min，升温至1450±20℃，保温40min；氢插入过程：温度850～900℃，氢气流量25～30sccm，保温时间1.5h。
优选的，步骤(3)方法2中，缓冲层生长过程：温度1510～1550℃，保温时间1.5h；氢插入过程：温度1000～1050℃，保温时间2h。
优选的，步骤(3)方法2中，光刻胶旋涂宽度2μm，旋涂间隔2μm。
优选的，步骤(4)中，压力0.30～0.35MPa，加热温度80～90℃。
优选的，步骤(5)中，HCl：FeCl3摩尔比3:1，浸入溶液时间6.5～7h。
优选的，步骤(7)中，氩气流量12～15sccm，升温速率2～5℃/s，加热至550～600℃，保温2.5～3h。
本发明方法中所有设备、原料均为市售产品。没有特别限定的部分均可参照现有技术。
本发明的技术特点和优良效果在于：
1、本发明通过控制刻蚀温度和刻蚀时间，在偏4°半绝缘SiC衬底上获得了形貌规则的适合石墨烯生长的原子台阶，解决了由于衬底表面台阶的不均匀聚并导致的石墨烯难以跨台阶大面积生长的难题，获得了高质量的n型单层石墨烯。
2、本发明通过控制温度和升降温速率，解决了n型SiC中N-Si键能高于C-Si键能，石墨烯难以生长的难题，在n型SiC衬底上获得了高质量单层p型石墨烯微米条带及均匀p型石墨烯。
3、本发明通过热脱胶带剥离法，实现了偏4°SiC衬底上制备的n型单层石墨烯的剥离，获得了石墨烯微米条带。并且通过转移步骤，在n型SiC衬底上制得了周期性石墨烯PN结。
4、本发明选用衬底为n型SiC衬底。由于衬底的导电导热性，本发明获得的石墨烯PN结无需转移，可直接用于光电探测器件的制备，减少了对石墨烯材料的损伤；微米级的周期性石墨烯PN结，可解决p型及n型石墨烯区域无法精确控制，器件结构设计复杂的问题。
5、本发明工艺简单，可控性和重复性高，本发明在n型4H/6H-SiC硅面上制备的周期性石墨烯PN结，可用于制作周期性光电探测器件，有利于周期性单双层石墨烯PN结的产业化制备。
6、本发明提出的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，该方法简单可行，易于控制。通过精确控制生长压力、生长时间以及转移步骤，最终在n型4H/6H-SiC衬底的Si面上获得了表面形貌均匀的高质量周期性石墨烯PN结。
附图说明
图1为在偏轴4°半绝缘4H-SiC硅面上制备单层石墨烯的拉曼(Raman)光谱。横坐标是拉曼位移，纵坐标是拉曼强度(任意单位)。
图2为偏轴4°半绝缘4H-SiC上石墨烯的原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope)图，测试范围为20μm*20μm。
图3a为正向n型4H-SiC上石墨烯的原子力显微镜(Atomic Force Microscope)图，测试范围为50μm*50μm；
图3b为图3a中所标注区域的石墨烯的拉曼(Raman)光谱，横坐标是拉曼位移，纵坐标是拉曼强度(任意单位)。
图4为正向n型SiC衬底上制备的周期性单-双层交替石墨烯PN结。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，包括如下步骤：
(1)分别将偏轴4°半绝缘和正向n型的4H/6H-SiC的硅面(即(0001)面)晶片进行化学机械抛光以及化学清洗，真空封装待用；化学清洗采用标准的湿法化学清洗工艺。
(2)在偏轴4°半绝缘的SiC晶片上制备n型单层石墨烯，经过剥离步骤获得n型单层石墨烯微米条带，步骤如下：
n型单层石墨烯的制备：取步骤(1)中偏轴4°半绝缘SiC晶片，放在单晶生长炉坩埚中的石墨托盘中，抽真空至10-7mbar，以45℃/min的升温速率升温至900℃，氩气流量50sccm，氢气流量25sccm，保温80min，完成刻蚀，获得平均宽度1μm左右的台阶；关闭氢气和氩气，抽真空至10-7mbar，以2℃/min的升温速率升温至1600℃，通入氩气，氩气流量12sccm，保温1.5h，获得n型单层石墨烯。
剥离步骤：将制备的n型单层石墨烯样品放入热蒸发镀膜仪，抽真空至10-5Torr，在25℃条件下在石墨烯表面蒸镀一层30nm厚的Ni保护膜；再次抽真空，调节溅射腔气氛压力至3-10MTorr，通过离子溅射方法在Ni保护膜表面溅射一层450nm厚的Ni应变层；在Ni应变层表面粘贴热脱胶带，通过压机施加0.3MPa压力，使热脱胶带与Ni应变层的表面紧密黏连在一起；通过撕拉胶带方法，在热脱胶带上得到n型单层石墨烯微米条带。
如图1中为在偏4°半绝缘SiC衬底上制备的n型石墨烯的拉曼光谱，可以明显地看到石墨烯的标准特征峰2D峰(2714cm-1)，其半峰宽为32.5cm-1，表明制备的石墨烯为单层石墨烯。
如图2为在偏4°半绝缘SiC衬底上制备石墨烯的形貌图，可以看出表面台阶形貌规则，平均台阶宽度为1.62μm。因此，经过剥离步骤，可获得n型单层石墨烯微米条带。
(3)在n型SiC衬底上制备p型单层石墨烯微米条带。
取步骤(1)中正向n型SiC晶片，放在单晶生长炉坩埚中的石墨托盘中，抽真空至10-7mbar，以50℃/min的升温速率升温至1000℃，氩气流量50sccm，氢气流量25sccm，保温30min，完成刻蚀，获得4μm宽台阶；关闭氢气和氩气，抽真空至10-7mbar，以2℃/min的升温速率升温至1450℃，通入氩气，氩气流量12sccm，保温40min，完成台阶边缘处石墨烯缓冲层的生长，此时台阶平台区域并未产生石墨烯缓冲层；关闭氩气，抽真空至10-7mbar，以0.5℃/min的升温速率升温至850℃，通入氢气，氢气流量25sccm，保温时间1.5h，使氢原子插入到石墨烯缓冲层与n型SiC衬底之间，在台阶边缘处形成p型单层石墨烯微米条带。
如图3a为正向n型SiC衬底Si面石墨烯生长完成后的表面形貌，其台阶平均宽度约为10μm，图3b为图3a中所标记点的拉曼光谱，由图中可以看出，1号所示(台阶边缘)为单层石墨烯，2D峰强度较强，2号所示区域石墨烯2D峰强度较弱，但仍有石墨烯的存在，3号所示(台阶中心)未发现明显的石墨烯信号。因此图3a、图3b表明通过本步骤得在n型SiC衬底台阶边缘处形成p型单层石墨烯微米条带。
(4)在光学显微镜下将步骤(2)中制备的n型单层石墨烯微米条带对准后放置在步骤(3)中制备的p型单层石墨烯微米条带上，通过压机施加0.3MPa压力；将样品放置在加热台上，加热到80℃，使热脱胶带自然脱离，初步获得在n型SiC衬底表面周期性PN结；
(5)配置HCl：FeCl3溶液，HCl：FeCl3摩尔比为3:1，将步骤(4)中所得样品浸入溶液6.5h，去除样品表面Ni保护膜与Ni应变层，在n型SiC衬底上得到周期性石墨烯PN结；
(6)将步骤(5)中所得样品依次用丙酮、酒精分别各自浸泡3min，并用去离子水清洗2遍，去除表面残留的杂质，氮气枪吹干；
(7)将步骤(6)中样品放入管式炉，通入氩气，氩气流量12sccm，以2℃/s的升温速率加热至550℃，保温2.5h进行退火，去除样品表面吸附的空气和水。
通过该方法可在n型4H/6H-SiC衬底上制备周期性石墨烯PN结，如图4所示，通过优选的条件，石墨烯覆盖率可达100％。
实施例2：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，制备p型单层石墨烯微米条带的方法为：
取步骤(1)中正向n型SiC晶片，放在单晶生长炉坩埚中的石墨托盘中，调节缓冲层生长过程与氢钝化过程的温度与保温时间；缓冲层生长过程：温度1510℃，保温时间1.5h；氢插入过程：温度1000℃，保温时间2.5h；在正向n型SiC衬底表面形成均匀p型单层石墨烯；
将p型单层石墨烯表面周期性旋涂光刻胶，光刻胶旋涂宽度2μm，旋涂间隔2μm，用光刻板覆盖在表面在紫外光进行曝光，经过显影后去掉光刻胶，得到周期性p型单层石墨烯微米条带。
实施例3：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，n型单层石墨烯的制备过程中：氢刻蚀过程：氩气流量60sccm；氢气流量30sccm；升温速率为50℃/min，升温至850℃，保温100min；石墨烯的生长过程：氩气流量15sccm，升温速率3℃/min，升温至1650℃，保温1h。
实施例4：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例3所述，所不同的是，步骤(2)中，n型单层石墨烯的制备过程中：氢刻蚀过程：氩气流量20sccm；氢气流量10sccm；升温速率为30℃/min，升温至850℃，保温100min；石墨烯的生长过程：氩气流量5sccm，升温速率0.5℃/min，升温至1550℃，保温2h。
实施例5：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例4所述，所不同的是，步骤(2)中，n型单层石墨烯的制备过程中：氢刻蚀过程：氩气流量100sccm；氢气流量50sccm；升温速率为80℃/min，升温至950℃，保温60min；石墨烯的生长过程：氩气流量20sccm，升温速率3℃/min，升温至1650℃，保温1h。
实施例6：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，剥离石墨烯过程：真空度10-6Torr，温度28℃，蒸Ni保护膜厚度35nm，Ni应变层厚度500nm，压机施加压力为0.35MPa。
实施例7：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例6所述，所不同的是，步骤(2)中，剥离石墨烯过程：真空度10-4Torr，温度35℃，蒸Ni保护膜厚度40nm，Ni应变层厚度800nm，压机施加压力为0.5MPa。
实施例8：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例7所述，所不同的是，步骤(2)中，剥离石墨烯过程：真空度10-6Torr，温度15℃，蒸Ni保护膜厚度20nm，Ni应变层厚度300nm，压机施加压力为0.2MPa。
实施例9：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，氢刻蚀过程：氩气流量60sccm；氢气流量30sccm；升温速率为70℃/min，升温至1020℃，保温20min；石墨烯缓冲层生长过程：氩气流量15sccm，升温速率2℃/min，升温至1470℃，保温40min；氢插入过程：温度900℃，氢气流量30sccm，保温时间1.5h。
实施例10：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例9所述，所不同的是，步骤(3)中，氢刻蚀过程：氩气流量20sccm；氢气流量10sccm；升温速率为30℃/min，升温至1000℃，保温30min；石墨烯缓冲层生长过程：氩气流量5sccm，升温速率0.5℃/min，升温至1400℃，保温60min；氢插入过程：温度800℃，氢气流量10sccm，保温时间2h。
实施例11：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例10所述，所不同的是，步骤(3)中，氢刻蚀过程：氩气流量100sccm；氢气流量50sccm；升温速率为80℃/min，升温至1100℃，保温10min，获得8μm宽台阶；石墨烯缓冲层生长过程：氩气流量20sccm，升温速率3℃/min，升温至1500℃，保温20min；氢插入过程：升温速率3℃/min，温度1000℃，氢气流量50sccm，保温时间1h。
实施例12：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例2所述，所不同的是，步骤(3)中，缓冲层生长过程：温度1550℃，保温时间1.5h；氢插入过程：温度1050℃，保温时间2h。
实施例13：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例12所述，所不同的是，步骤(3)中，缓冲层生长过程：温度1450℃，保温时间2h；氢插入过程：温度900℃，保温时间3h。
实施例14：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例12所述，所不同的是，步骤(3)中，缓冲层生长过程：温度1600℃，保温时间1h；氢插入过程：温度1100℃，保温时间1.5h。
实施例15：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中，压力0.35MPa，加热温度90℃。
实施例16：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例15所述，所不同的是，步骤(4)中，压力0.2MPa，加热温度80℃。
实施例17：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例16所述，所不同的是，步骤(4)中，压力0.5MPa，加热温度110℃。
实施例18：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(5)中，HCl：FeCl3摩尔比3:1，浸入溶液时间7h。
实施例19：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例18所述，所不同的是，步骤(5)中，HCl：FeCl3摩尔比1:1，浸入溶液时间8h。
实施例20：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例19所述，所不同的是，步骤(5)中，HCl：FeCl3摩尔比4:1，浸入溶液时间5h。
实施例21：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(6)中，将步骤(5)中所得样品依次用丙酮、酒精分别各自浸泡5min，并用去离子水清洗3遍。
实施例22：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(7)中，氩气流量15sccm，升温速率2℃/s，加热至600℃，保温3h。
实施例23：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例22所述，所不同的是，步骤(7)中，氩气流量5sccm，升温速率2℃/s，加热至500℃，保温5h。
实施例24：
一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其步骤如实施例23所述，所不同的是，步骤(7)中，氩气流量20sccm，升温速率5℃/s，加热至700℃，保温2h。
Claims (10)
1.一种在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)分别将偏轴4°半绝缘和正向n型的4H/6H-SiC的硅面晶片进行化学机械抛光以及化学清洗，真空封装待用；
(2)在偏轴4°半绝缘的SiC晶片上制备n型单层石墨烯，经过剥离步骤获得n型单层石墨烯微米条带，步骤如下：
n型单层石墨烯的制备：取步骤(1)中偏轴4°半绝缘SiC晶片，放在单晶生长炉坩埚中的石墨托盘中，抽真空至10-7mbar，以30～80℃/min的升温速率升温至850～950℃，氩气流量20～100sccm，氢气流量10～50sccm，保温60～100min，完成刻蚀，获得平均宽度1-2μm的台阶；关闭氢气和氩气，抽真空至10-7mbar，以0.5～3℃/min的升温速率升温至1550～1650℃，通入氩气，氩气流量5～20sccm，保温1h～2h，获得n型单层石墨烯；
剥离步骤：将制备的n型单层石墨烯样品放入热蒸发镀膜仪，抽真空至10-6～10-4Torr，在15～35℃条件下在石墨烯表面蒸镀一层20～40nm厚的Ni保护膜；再次抽真空，调节溅射腔气氛压力至3-10MTorr，通过离子溅射方法在Ni保护膜表面溅射一层300～800nm厚的Ni应变层；在Ni应变层表面粘贴热脱胶带，通过压机施加0.2～0.5MPa压力，使热脱胶带与Ni应变层的表面紧密黏连在一起；通过撕拉胶带方法，在热脱胶带上得到n型单层石墨烯微米条带；
(3)在n型SiC衬底上制备p型单层石墨烯微米条带，通过以下2种方法之一进行制备：
方法1：
取步骤(1)中正向n型SiC晶片，放在单晶生长炉坩埚中的石墨托盘中，抽真空至10- 7mbar，以30～80℃/min的升温速率升温至1000～1100℃，氩气流量20～100sccm，氢气流量10～50sccm，保温10～30min，完成刻蚀，获得4～8μm宽台阶；关闭氢气和氩气，抽真空至10- 7mbar，以0.5～3℃/min的升温速率升温至1400～1500℃，通入氩气，氩气流量5～20sccm，保温20～60min，完成台阶边缘处石墨烯缓冲层的生长，此时台阶平台区域并未产生石墨烯缓冲层；关闭氩气，抽真空至10-7mbar，以0.5～3℃/min的升温速率升温至800～1000℃，通入氢气，氢气流量10～50sccm，保温时间1～2h，使氢原子插入到石墨烯缓冲层与n型SiC衬底之间，在台阶边缘处形成p型单层石墨烯微米条带；
方法2：
取步骤(1)中正向n型SiC晶片，放在单晶生长炉坩埚中的石墨托盘中，调节缓冲层生长过程与氢钝化过程的温度与保温时间；缓冲层生长过程：温度1450～1600℃，保温时间1-2h；氢插入过程：温度900～1100℃，保温时间1.5-3h；在正向n型SiC衬底表面形成均匀p型单层石墨烯；
将p型单层石墨烯表面周期性旋涂光刻胶，用光刻板覆盖在表面在紫外光进行曝光，经过显影后去掉光刻胶，得到周期性p型单层石墨烯微米条带；
(4)在光学显微镜下将步骤(2)中制备的n型单层石墨烯微米条带对准后放置在步骤(3)中制备的p型单层石墨烯微米条带上，通过压机施加0.2～0.5MPa压力；将样品放置在加热台上，加热到80～110℃，使热脱胶带自然脱离，初步获得在n型SiC衬底表面周期性PN结；
(5)配置HCl：FeCl3溶液，HCl：FeCl3摩尔比为1:1～4:1，将步骤(4)中所得样品浸入溶液5～8h，去除样品表面Ni保护膜与Ni应变层，在n型SiC衬底上得到周期性石墨烯PN结；
(6)将步骤(5)中所得样品依次用丙酮、酒精分别各自浸泡3～5min，并用去离子水清洗2～3遍，去除表面残留的杂质，氮气枪吹干；
(7)将步骤(6)中样品放入管式炉，通入氩气，氩气流量5～20sccm，以2～5℃/s的升温速率加热至500～700℃，保温2～5h进行退火，去除样品表面吸附的空气和水。
2.根据权利要求1所述的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，步骤(1)中，对4H/6H-SiC晶片进行化学清洗采用湿法化学清洗工艺。
3.根据权利要求1所述的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，步骤(2)中，氢刻蚀过程：氩气流量50～60sccm；氢气流量25～30sccm；升温速率为45～50℃/min，升温至900℃±20℃，保温80min；石墨烯的生长过程：氩气流量12～15sccm，升温速率2℃/min，升温至1600±20℃，保温1.5h。
4.根据权利要求1所述的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，步骤(2)中，剥离石墨烯过程：真空度10-5Torr，温度25～28℃，蒸Ni保护膜厚度30～35nm，Ni应变层厚度450～500nm，压机施加压力为0.30～0.35MPa。
5.根据权利要求1所述的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，步骤(3)方法1中，氢刻蚀过程：氩气流量50～60sccm；氢气流量25～30sccm；升温速率为50～70℃/min，升温至1000℃±20℃，保温20min；石墨烯缓冲层生长过程：氩气流量12～15sccm，升温速率2℃/min，升温至1450±20℃，保温40min；氢插入过程：温度850～900℃，氢气流量25～30sccm，保温时间1.5h。
6.根据权利要求1所述的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，步骤(3)方法2中，缓冲层生长过程：温度1510～1550℃，保温时间1.5h；氢插入过程：温度1000～1050℃，保温时间2h。
7.根据权利要求6所述的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，步骤(3)方法2中，光刻胶旋涂宽度2μm，旋涂间隔2μm。
8.根据权利要求1所述的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，步骤(4)中，压力0.30～0.35MPa，加热温度80～90℃。
9.根据权利要求1所述的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，步骤(5)中，HCl：FeCl3摩尔比3:1，浸入溶液时间6.5～7h。
10.根据权利要求1所述的在n型4H/6H-SiC硅面上制备周期性石墨烯PN结的方法，其特征在于，步骤(7)中，氩气流量12～15sccm，升温速率2～5℃/s，加热至550～600℃，保温2.5～3h。
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