CN113555497A - 一种高迁移率的SiC基石墨烯器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高迁移率的SiC基石墨烯器件及其制备方法，方法包括：清洗衬底层，所述衬底层包括n+SiC衬底层和位于所述n+SiC衬底层上的n‑SiC衬底层；将石墨烯转移到所述衬底层上；在所述石墨烯和所述衬底层上制备若干霍尔电极；对所述衬底层、所述石墨烯和所述霍尔电极进行退火处理，以得到SiC基石墨烯器件。本发明所提供的SiC基石墨烯器件的制备方法工艺简单，价格低廉，非常适用于商用化应用，并且所获得的石墨烯保持着比较完美的晶体结构，缺陷含量比较低。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种高迁移率的SiC基石墨烯器件及其制备方法。
背景技术
迁移率是反应半导体中载流子导电能力的重要参数之一，在半导体材料中，由某种原因产生的载流子处于无规则的热运动，当外加电压时，载流子受到电场力作用，做定向运动形成电流，迁移率越大，载流子运动越快，半导体材料的导电能力也就越强。石墨烯是由碳原子sp2杂化形成的二维六角蜂巢状结构，具有优异的电学性质，被认为是最有潜力代替硅的材料，尤其高频电子领域，石墨烯展现出巨大的利用潜力。SiC本身是一种宽禁带半导体，具有高临界击穿场强、高热导率、高电子饱和漂移速度、大禁带宽度等特点，是制作高温、高频、大功率电子器件的理想电子材料。碳化硅基石墨烯通过常规的半导体工艺就可以制作纳米器件和集成电路，与现有的半导体工艺兼容性好。
然而，SiC外延法生长石墨烯虽然可以生长出平整、面积大以及电子迁移率很高的石墨烯膜，但生长条件十分苛刻，工艺复杂且成本高，SiC经过一系列复杂的表面重构才能形成表面一层极薄的石墨烯层，且较难控制所制备出的石墨烯层数及质量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高迁移率的SiC基石墨烯器件及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种高迁移率的SiC基石墨烯器件的制备方法，包括以下步骤：
清洗衬底层，所述衬底层包括n+SiC衬底层和位于所述n+SiC衬底层上的n-SiC衬底层；
将石墨烯转移到所述衬底层上；
在所述石墨烯和所述衬底层上制备若干霍尔电极；
对所述衬底层、所述石墨烯和所述霍尔电极进行退火处理，以得到SiC基石墨烯器件。
在本发明的一个实施例中，清洗衬底层，包括：
先用BOE处理所述衬底层，再用丙酮和异丙醇分别超声清洗所述衬底层。
在本发明的一个实施例中，将石墨烯转移到所述衬底层上，包括：
首先剥离石墨烯，再通过湿法转移方法将石墨烯转移到所述衬底层上。
在本发明的一个实施例中，首先剥离石墨烯，再通过湿法转移方法将石墨烯转移到所述衬底层上，包括：
首先在硅片上旋涂PMMA茴香醚溶液，然后对旋涂有PMMA茴香醚溶液的硅片进行烘干处理，并置于KOH溶液中进行刻蚀处理，之后将PMMA和所述硅片分离，再用去离子水进行清洗，之后用衬底层将PMMA膜和位于所述PMMA膜下表面的石墨烯捞起，再进行烘干处理，之后用丙酮蒸汽软化所述PMMA膜，再用丙酮浸泡和吹干处理，以得到位于衬底层上的石墨烯。
在本发明的一个实施例中，在所述石墨烯和所述衬底层上制备若干霍尔电极，包括：
利用激光直写技术制备电极图案；
利用电子束蒸镀沉积在所述石墨烯和所述衬底层上沉积金属电极，溶脱后得到所述霍尔电极。
在本发明的一个实施例中，对所述衬底层、所述石墨烯和所述霍尔电极进行退火处理，包括：
在氮气氛围中，对所述衬底层、所述石墨烯和所述霍尔电极进行退火处理。
在本发明的一个实施例中，所述n+SiC衬底层的厚度为180～375μm，所述n-SiC衬底层的厚度为0.5～11μm。
在本发明的一个实施例中，所述石墨烯的厚度范围为0.3～10nm。
在本发明的一个实施例中，所述霍尔电极包括Au、Ti/Au或Gr/Au。
本发明的另一个实施例提供的一种高迁移率的SiC基石墨烯器件，利用上述任一项实施例所述的制备方法制备形成，所述SiC基石墨烯器件包括：
衬底层，所述衬底层包括n+SiC衬底层和位于所述n+SiC衬底层上的n-SiC衬底层；
石墨烯，位于所述衬底层之上；
若干霍尔电极，位于所述衬底层、所述石墨烯之上。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明所提供的SiC基石墨烯器件的制备方法工艺简单，价格低廉，非常适用于商用化应用，并且所获得的石墨烯保持着比较完美的晶体结构，缺陷含量比较低。
本发明所制备的SiC基石墨烯器件具有较高的室温霍尔迁移率。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高迁移率的SiC基石墨烯器件的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高迁移率的SiC基石墨烯器件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种高迁移率的SiC基石墨烯器件的光学显微镜图。
附图标记：
衬底层-1；石墨烯-2；霍尔电极-3；n+SiC衬底层-11；n-SiC衬底层-12。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1、图2和图3，图1为本发明实施例提供的一种高迁移率的SiC基石墨烯器件的制备方法的流程示意图，图2为本发明实施例提供的一种高迁移率的SiC基石墨烯器件的结构示意图，图3为本发明实施例提供的一种高迁移率的SiC基石墨烯器件的光学显微镜图。本发明提供一种高迁移率的SiC基石墨烯器件的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤1、清洗衬底层1，衬底层1包括n+SiC衬底层11和位于n+SiC衬底层11上的n-SiC衬底层12。
具体地，先用BOE(uffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀液)处理衬底层1，以去除表面的氧化硅层表面的氧化硅层，再用丙酮和异丙醇分别超声清洗衬底层1，以去除衬底层1上的有机杂质及其他附着物去除有机杂质及其他附着物。
在一个具体实施例中，首先按40g NH4F、18ml HF和60mlH2O的比例配置BOE溶液，然后用BOE溶液浸泡清洗衬底层1，浸泡时间为3min，以彻底去除衬底层1表面的氧化硅层；再分别用丙酮和异丙醇超声清洗衬底层1，浸泡时间为15min，以去除衬底层1上的有机杂质及其他表面附着物；最后用去离子水冲洗，氮气枪吹干。
优选地，n+SiC衬底层11的厚度为180～375μm，n-SiC衬底层12的厚度为0.5～11μm。其中，n-SiC衬底层11的厚度为0.5～11μm，可以避免n-SiC衬底层11的缺陷密度过高，进而避免影响器件性能。
优选地，n+SiC衬底层11的掺杂浓度范围为1E18～1E19，n-SiC衬底层12的掺杂浓度范围为1E15～1E17。
步骤2、将石墨烯2转移到衬底层1上。
在本实施例中，可以通过KOH湿法转移、PVA(聚乙烯醇)转移将石墨烯2转移到衬底层1上。
具体地，首先剥离石墨烯2，再通过湿法转移方法将石墨烯2转移到衬底层1上。
在一个具体实施例中，利用胶带剥离石墨烯并通过湿法转移技术将石墨烯转移到衬底层1上，具体转移方法为首先在硅片上旋涂PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)茴香醚溶液，然后对旋涂有PMMA茴香醚溶液的硅片进行烘干处理，并置于KOH溶液中进行刻蚀处理，之后将PMMA和硅片分离，再用去离子水进行清洗，之后用衬底层1将PMMA膜和位于PMMA膜下表面的石墨烯2捞起，再进行烘干处理，之后用丙酮蒸汽软化PMMA膜，再用丙酮浸泡和吹干处理，以得到位于衬底层1上的石墨烯2。
例如：旋涂质量分数为10％的PMMA茴香醚溶液在硅片上，然后再150℃烘15min以去除茴香醚溶剂，并置于3mol/L的KOH溶液中，再65℃刻蚀15min，之后用镊子将PMMA和硅片分离，再在去离子水中至少清洗3遍，再用衬底层1将PMMA膜/石墨烯(即PMMA膜位于石墨烯之上)捞起上，在100℃烘15min，之后用65℃丙酮蒸汽蒸5min以软化PMMA膜，再用丙酮泡3min，最后用氮气枪吹干，从而获得石墨烯/衬底层(即石墨烯位于衬底层之上)。
优选地，石墨烯的厚度范围为0.3～10nm。石墨烯的厚度范围为0.3～10nm时，可以保证石墨烯与衬底的接触，从而避免因石墨烯与衬底的接触差而影响SiC基石墨烯器件的性能。
步骤3、在石墨烯2和衬底层1上制备若干霍尔电极3。
步骤3.1、利用激光直写技术制备电极图案.
步骤3.2、利用电子束蒸镀在石墨烯2和衬底层1上沉积金属电极，溶脱后得到霍尔电极3。
优选地，霍尔电极3包括Au、Ti/Au(即Ti位于Au之上)或Gr/Au(即Gr位于Au之上)。
优选地，霍尔电极3的数量为4个，每个霍尔电极3一部分位于石墨烯2上，一部分位于衬底层1上，例如石墨烯2为方形，则4个霍尔电极3分别位于石墨烯2的四个直角处。
步骤4、对衬底层1、石墨烯2和霍尔电极3进行退火处理，以得到SiC基石墨烯器件。
具体地，在氮气氛围中，对衬底层1、石墨烯2和霍尔电极3进行退火处理，其中退火温度可以为150℃，退火时间可以为20min。
本发明制备的1nm厚的石墨烯在0.5T磁场强度下测得电阻在3～5kΩ之间，300K时的霍尔迁移率为600cm2·V-1·s-1，掺杂类型为N型；7nm厚的石墨烯在相同制备工艺、相同测试条件下测得电阻在6～10kΩ之间，300K时的霍尔迁移率为280cm2·V-1·s-1，掺杂类型为N型。
本发明制备SiC基石墨烯器件经过霍尔测试系统得到较高的室温霍尔迁移率(200～600cm2·V-1·s-1)。
本发明所提供的SiC基石墨烯器件的制备方法工艺简单，价格低廉，非常适用于商用化应用，并且所获得的石墨烯保持着比较完美的晶体结构，缺陷含量比较低。
实施例二
请参见图2，本实施例在上述实施例的基础上提供一种高迁移率的SiC基石墨烯器件，该SiC基石墨烯器件包括：
衬底层1，衬底层包括n+SiC衬底层11和位于n+SiC衬底层11上的n-SiC衬底层12；
石墨烯2，位于衬底层1之上；
若干霍尔电极3，位于衬底层1、石墨烯2之上。
本发明所获得SiC基石墨烯器件的石墨烯由机械剥离法制得，该法所制备的石墨烯是从完美的适应晶体中剥离出来的，比其他方法(如CVD等)制备的石墨烯的晶体质量更高，因此石墨烯保持着比较完美的晶体结构，缺陷含量比较低。
本发明所制备的SiC基石墨烯器件的石墨烯具有较高的迁移率，因此SiC基石墨烯器件具有较高的室温霍尔迁移率。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
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只局限于这些说明。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推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高迁移率的SiC基石墨烯器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
清洗衬底层，所述衬底层包括n+SiC衬底层和位于所述n+SiC衬底层上的n-SiC衬底层；
将石墨烯转移到所述衬底层上；
在所述石墨烯和所述衬底层上制备若干霍尔电极；
对所述衬底层、所述石墨烯和所述霍尔电极进行退火处理，以得到SiC基石墨烯器件。
2.根据权利要求1所述的SiC基石墨烯器件的制备方法，其特征在于，清洗衬底层，包括：
先用BOE处理所述衬底层，再用丙酮和异丙醇分别超声清洗所述衬底层。
3.根据权利要求1所述的SiC基石墨烯器件的制备方法，其特征在于，将石墨烯转移到所述衬底层上，包括：
首先剥离石墨烯，再通过湿法转移方法将石墨烯转移到所述衬底层上。
4.根据权利要求3所述的SiC基石墨烯器件的制备方法，其特征在于，首先剥离石墨烯，再通过湿法转移方法将石墨烯转移到所述衬底层上，包括：
首先在硅片上旋涂PMMA茴香醚溶液，然后对旋涂有PMMA茴香醚溶液的硅片进行烘干处理，并置于KOH溶液中进行刻蚀处理，之后将PMMA和所述硅片分离，再用去离子水进行清洗，之后用衬底层将PMMA膜和位于所述PMMA膜下表面的石墨烯捞起，再进行烘干处理，之后用丙酮蒸汽软化所述PMMA膜，再用丙酮浸泡和吹干处理，以得到位于衬底层上的石墨烯。
5.根据权利要求1所述的SiC基石墨烯器件的制备方法，其特征在于，在所述石墨烯和所述衬底层上制备若干霍尔电极，包括：
利用激光直写技术制备电极图案；
利用电子束蒸镀沉积在所述石墨烯和所述衬底层上沉积金属电极，溶脱后得到所述霍尔电极。
6.根据权利要求1所述的SiC基石墨烯器件的制备方法，其特征在于，对所述衬底层、所述石墨烯和所述霍尔电极进行退火处理，包括：
在氮气氛围中，对所述衬底层、所述石墨烯和所述霍尔电极进行退火处理。
7.根据权利要求1所述的SiC基石墨烯器件的制备方法，其特征在于，所述n+SiC衬底层的厚度为180～375μm，所述n-SiC衬底层的厚度为0.5～11μm。
8.根据权利要求1所述的SiC基石墨烯器件的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的厚度范围为0.3～10nm。
9.根据权利要求1所述的SiC基石墨烯器件的制备方法，其特征在于，所述霍尔电极包括Au、Ti/Au或Gr/Au。
10.一种高迁移率的SiC基石墨烯器件，其特征在于，利用权利要求1至9任一项所述的SiC基石墨烯器件的制备方法制备而成，所述SiC基石墨烯器件包括：
衬底层，所述衬底层包括n+SiC衬底层和位于所述n+SiC衬底层上的n-SiC衬底层；
石墨烯，位于所述衬底层之上；
若干霍尔电极，位于所述衬底层、所述石墨烯之上。
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