CN115295403A - 一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子信息材料与元器件领域，具体为一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法。是利用锡氧化物具备多相共存的特性，且它的各相对石墨烯具有不同的掺杂效果：金属相诱导强n型掺杂，二价的SnO相诱导弱n型掺杂，四价的SnO2相诱导强p型掺杂这一特点，通过退火改变其氧化程度控制各相所占比例，实现石墨烯的介于强n型与强p型之间的跨类型大范围连续调控大范围连续可调掺杂。克服了现有掺杂方法中掺杂类型单一、掺杂调控范围窄以及缺乏有效的p型掺杂调控的问题。
Description
技术领域
本发明属于电子信息材料与元器件领域，具体涉及一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法。
背景技术
作为二维材料中最有前途的材料，石墨烯因其具有优越的电学、光学和热力学性质，被认为是下一代半导体材料的热门候选材料。化学气相沉积技术(CVD)的日渐成熟，使得石墨烯的大面积生长成为可能，为其在晶圆级的应用打下了基础。但是，本征石墨烯为零带隙的半导体或半金属，需要通过掺杂更精细得调控其电学特性，从而使得掺杂石墨烯出现多电子或者空穴的性质，即获得了n型或者p型掺杂石墨烯。
当前石墨烯的掺杂方法主要有替位式掺杂和表面电荷转移式掺杂。替位式掺杂方法能够实现稳定的掺杂效果，但由于掺杂过程中使用杂质原子替代石墨烯晶格中的碳原子，破坏了石墨烯有序的晶格结构，导致载流子迁移率严重下降。表面电荷转移掺杂方法通过在石墨烯表面覆盖掺杂剂的方式实现掺杂效果，避免了晶格破坏这一问题，更加受到青睐。其可供选用的掺杂剂主要分有机和无机两大类。有机掺杂剂可控性差，环境下不稳定，且存在有机物相互污染的风险；无机掺杂剂中，金属氧化物材料稳定性好，且适用于大面积晶圆级应用，因此优势更为突出。
在金属氧化物中，氧化钼MoO3可以实现石墨烯的强p型掺杂，即作为受主，原因是它具有大的功函数(>6eV)，但是据报道其目前只实现了单一的p型掺杂，且掺杂程度固定。氧化锌ZnO可作为n型掺杂剂，即施主，且掺杂程度可调控。具体实验方案为：在石墨烯表面通过ALD(原子层沉积)的方法生长一层ZnO薄膜，通过对ALD生长的ZnO厚度调节，实现了对石墨烯掺杂水平的控制。如图1所示，原始石墨烯呈现p型掺杂，随着生长的ZnO厚度逐渐增加，器件狄拉克点随之向负电压方向移动，最终实现了由p型至n型的连续调控。然而，从本质上来说，石墨烯的p型是由空气中吸附的氧、水分等杂质提供，在此基础上，狄拉克点向负电压方向移动，逐渐表现出n型掺杂。然而，此方法的掺杂范围受限，不能向p型方向拓展，且严重依赖于高精度的薄膜厚度控制，技术实施困难。
总体而言，现有的掺杂技术均使用了具有固定化学态的掺杂源材料(包括无机和有机)，因此不可避免地存在下列局限：首先，只能作为单一类型的掺杂剂，即作为施主或受主；另外，即便是可以通过上述特定的方法进行掺杂程度的调控，但可调节范围非常有限；最后，金属氧化物作为p型掺杂剂，即受主，目前尚缺乏有效的调控手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法，以克服现有掺杂方法中掺杂类型单一、掺杂调控范围窄以及缺乏有效的p型掺杂调控的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法，包括以下步骤：
步骤1、在石墨烯上沉积一层锡氧化物薄膜；
步骤2、对步骤1所得结构进行退火处理，得到掺杂石墨烯。
进一步的，所述步骤1中采用磁控溅射的方法进行锡氧化物薄膜的沉积。
进一步的，在步骤1中通过磁控溅射溅射锡氧化物薄膜时，溅射功率为50-60W，时间为5-6min，压强为0.43-0.5Pa，氩气和氧气的气体流量分别为21.2sccm和0.8sccm；溅射的锡氧化物薄膜厚度为40nm。
进一步的，所述步骤2的退火处理的详细过程为：
将步骤1所得结构置于退火炉中，氮气、氧气或空气气氛下，以10℃～30℃/min的升温速率由室温升至225℃～275℃，退火60min。
本发明提供的一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法，是利用锡氧化物具备多相共存的特性，且它的各相对石墨烯具有不同的掺杂效果：金属相β-Sn由于其具有低于石墨烯的功函数，将向石墨烯中注入大量电子，最终诱导强n型掺杂；二价的多晶SnO相的功函数略低于石墨烯，将向石墨烯中注入电子，诱导石墨烯弱n型掺杂；四价的非晶SnO2相具有大于石墨烯的功函数，将提取石墨烯中电子，导致石墨烯中空穴增多，诱导强p型掺杂。利用这一特点，通过特定气氛下的退火处理改变锡氧化物薄膜的氧化程度，从而控制该薄膜中上述各相的所占比例，实现对石墨烯介于强n型与强p型之间的大范围连续可调掺杂。
与现有技术相比，本方法首次采用了锡氧化物(SnOX)薄膜作为石墨烯的表面电荷转移式掺杂剂使用，通过后退火工艺来控制锡氧化物的氧化程度，进而控制石墨烯的掺杂类型和程度。解决了现有技术中石墨烯掺杂剂只能作为单一类型(即施主或受主)的问题，同时大幅拓宽掺杂调控范围，最终实现了石墨烯掺杂类型介于强n型与强p型之间的跨类型大范围连续调控。
附图说明
图1是ALD-ZnO对石墨烯的可控掺杂；其中(a)为ALD-ZnO在石墨烯表明生长的示意图，
(b)不同厚度ZnO掺杂的晶体管转移特性曲线；
图2是实施例中锡氧化物薄膜掺杂石墨烯的剖面示意图：
图3是实施例中锡氧化物薄膜掺杂石墨烯的制备流程图；
图4是原始石墨烯样品、未退火样品、氮气退火样品和空气退火样品的晶体管转移特性曲线图；
附图标记：
1、Si衬底；2、300nm的SiO2介质层；3、石墨烯；4、锡氧化物薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂制备方法，其工艺流程如图3所示，包括以下步骤：
步骤1、在铜箔上生长石墨烯薄膜。现有技术公开的石墨烯生长方法较多，均可适用于本实施例中，因此，对于石墨烯的生长过程本实施例不做详细描述。
步骤2、采用PMMA辅助湿法转移技将步骤1所得石墨烯转移到需要的基底上。根据实际需求，本实施例转移石墨烯选用的基底包括硅衬底和热生长在硅衬底之上的二氧化硅。转移之前，需要对基底进行处理，为保证基底表面的清洁干燥，先选将基底浸泡在丙酮溶液，采用超声清洗20min；重复两次后放置在酒精溶液中，超声20min；然后放在去离子水中超声20min后取出，更换至未使用过的去离子水中保存待用。转移的详细过程如下：
步骤2.1、采用氧气干刻工艺，去除铜箔背面多余石墨烯；干刻参数为：功率20-25W，氧气流量为20～25sccm，刻蚀时间为15-20s；
步骤2.2、将步骤2.1所得结构中，生长石墨烯的一面(正面)粘贴在聚酯薄膜上并密封所有边，以防下一步骤进行PMMA涂抹到铜箔背面导致背面石墨烯难以刻蚀干净；
步骤2.3、在步骤2.2所得结构的石墨烯表面上均匀的旋涂PMMA溶液，在100～120℃的热板上烘烤2～3分钟，使PMMA固化对石墨烯表面形成保护；
步骤2.4、采用FeCl3溶液对步骤2.3所得结构的铜箔进行刻蚀，每刻蚀3min就使用去离子水冲洗，重复该步骤直至完全去除铜箔为止；
步骤2.5、使用载玻片将步骤2.4所得结构转移到去离子水中以去除残留的FeCl3溶液；
步骤2.6、将步骤2.5所得结构转移到基底上的SiO2晶片上，并通过丙酮和乙醇去除PMMA。
步骤2.7、对步骤2.6所得结构放置在热板上，采用梯度加热的方法去除水份，温度梯度为50℃，70℃，90℃，110℃，在每一温度烘干5min，然后升温，最后吹干。
步骤3、在转移好的石墨烯上通过磁控溅射直接溅射上一层锡氧化物薄膜，溅射的功率为50-60W，时间为5-6min，压强为0.43-0.5Pa，氩气和氧气的气体流量分别为21.2sccm和0.8sccm。经过椭圆偏振光测厚仪测试，获得的锡氧化物薄膜厚度约为40nm。
步骤4、将样品置于退火炉中退火1小时。退火气氛包括了氮气、空气、氧气，退火温度为225℃，250℃和275℃。最终得到的的掺杂石墨烯结果如图2所示。根据退火条件，样品被命名为，未退火，225-N2，250-N2，275-N2，225-Air，250-Air，275-Air。
霍尔测试得到上述步骤得到的所有样品的载流子类型与载流子浓度和晶体管器件提取的狄拉克点，载流子浓度以及迁移率如表(1)所示，其中正负号代表着载流子类型，+号为空穴，-号为电子。
首先，原始石墨烯样品表现出弱p型掺杂的性质，，测量得到其载流子浓度为2.66×1012cm-2，迁移率为2532.1cm2V-1s-1。在沉积锡氧化物薄膜后，未退火样品转变为强n型，其载流子浓度为-2.39×1013cm-2，迁移率降低到317.1cm2V-1s-1。氮气中退火的样品均表现为n型掺杂性质，且随着退火温度升高，载流子浓度逐渐降低，霍尔迁移率随之上升。具体而言，225-N2样品的载流子浓度为-3.87×1012cm-2，霍尔迁移率为1652.0cm2V-1s-1，250-N2样品的载流子浓度为-2.38×1012cm-2，霍尔迁移率为2486.7cm2V-1s-1，275-N2样品的载流子浓度为-6.30×1012cm-2，霍尔迁移率为2992.0cm2V-1s-1。空气中退火的样品均呈现强p型掺杂，且随着退火温度的升高，载流子浓度上升，p型掺杂性质增强。具体而言，225-Air样品的载流子浓度为5.00×1012cm-2，霍尔迁移率为928.0cm2V-1s-1，250-Air样品的载流子浓度为1.11×1013cm-2，霍尔迁移率为625.1cm2V-1s-1，275-Air样品的载流子浓度为-1.90×1012cm-2，霍尔迁移率为560.0cm2V-1s-1。需要补充的是，空气中退火的样品的载流子浓度均高于原始石墨烯样品，即空气中退火可增强石墨烯p型性质。经过氧气退火处理的样品表现出与空气退火相似的结果与趋势：均呈现强p型掺杂，随着退火温度身高，掺杂程度加深。
表1
图4展示了原始石墨烯样品，未退火样品，氮气退火样品和空气退火样品的晶体管转移特性曲线。如图4所示，由其可提取出载流子类型，浓度以及迁移率。晶体管的性质与霍尔测试相同，未退火与氮气中退火的样品均出现负的狄拉克点表现为n型掺杂，而空气中退火的样品狄拉克点均大于+100V，表现为强p型掺杂。且氮气退火样品提取的载流子浓度与霍尔相当吻合，提取的迁移率趋势一致，即随着载流子浓度升高，迁移率下降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在石墨烯上沉积一层锡氧化物薄膜；
步骤2、对步骤1所得结构进行退火处理，得到掺杂石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法，其特征在于：所述步骤1中采用磁控溅射的方法进行锡氧化物薄膜的沉积。
3.根据权利要求1所述的一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法，其特征在于：在步骤1中通过磁控溅射溅射锡氧化物薄膜时，溅射功率为50-60W，时间为5-6min，压强为0.43-0.5Pa，氩气和氧气的气体流量分别为21.2sccm和0.8sccm；溅射的锡氧化物薄膜厚度为40nm。
4.根据权利要求1所述的一种大范围np连续可调的石墨烯掺杂方法，其特征在于：所述步骤2的退火处理的详细过程为：
将步骤1所得结构置于退火炉中，氮气、氧气或空气气氛下，以10℃～30℃/min的升温速率由室温升至225℃～275℃，退火60min。
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