DE112021006520T5 - GRAPHENE HALL SENSOR, PRODUCTION AND USE THEREOF - Google Patents
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Abstract
Ein Graphen-Hall-Sensor (10) für den Betrieb bei kryogenen Temperaturen (unter 120 K) eine dielektrische Schicht (12), vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid, bereitgestellt auf einer auf einem Substrat gebildeten Graphenfolie (18), ein erstes Paar elektrischer Kontakte (14, 15) und ein zweites Paar elektrischer Kontakte (16, 17) auf durchgehenden äußeren Randoberflächen eine (kreuzförmig) strukturierte dielektrische Schicht/Graphenfolienstruktur, die entlang zweier senkrechter Richtungen (x, y) beabstandet sind. Die Graphenfolie weist eine Lagenträgerdichte im Bereich von 2·1011cm-2bis 1·1013cm-2auf. Ein entsprechendes Herstellungsverfahren umfasst das Strukturieren einer dielektrischen Schicht auf einen Abschnitt der Graphenfolie und das (Sauerstoff-) Plasmaätzen der Graphenfolie danach.A graphene Hall sensor (10) for operation at cryogenic temperatures (below 120 K), a dielectric layer (12), preferably made of aluminum oxide or silicon dioxide, provided on a graphene film (18) formed on a substrate, a first pair of electrical contacts (14, 15) and a second pair of electrical contacts (16, 17) on continuous outer edge surfaces of a (cross-shaped) structured dielectric layer/graphene film structure spaced along two perpendicular directions (x, y). The graphene film has a layer support density in the range of 2 x 1011cm-2 to 1 x 1013cm-2. A corresponding manufacturing process involves structuring a dielectric layer on a section of the graphene film and then (oxygen) plasma etching the graphene film.
Description
GEBIET DER OFFENBARUNGFIELD OF REVELATION
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Messung von Magnetfeldern unter Verwendung von Hall-Sensoren.The present disclosure relates to the measurement of magnetic fields using Hall sensors.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf die Messung von Magnetfeldern bei kryogenen Temperaturen unter Verwendung eines Hall-Sensors.In particular, the present disclosure relates to the measurement of magnetic fields at cryogenic temperatures using a Hall sensor.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Hall-Effekt-Sensoren (Hall-Sensoren) sind Sensoren, die zum Messen eines Magnetfelds verwendet werden. Ein Hall-Sensor wird typischerweise aus einer Folie eines Leiters gebildet. Der „Hall-Effekt“ tritt auf, wenn ein den Leiter durchfließender Strom mit einem senkrecht zur Stromrichtung orientierten Magnetfeld in Wechselwirkung tritt. Ladungsträger, die durch den Leiter fließen, erfahren aufgrund des Magnetfelds eine Lorentzkraft. Die Lorentzkraft steht senkrecht zur Stromflussrichtung und senkrecht zum Magnetfeld. Diese Kraft bewirkt, dass der Fluss von Ladungsträgern durch den Leiter gebogen wird, so dass sich Ladungsträger auf einer Seite des Leiters ansammeln. Durch Trennung der Ladungsträger über den Leiter entsteht ein elektrisches Feld, das einer weiteren Ladungstrennung entgegenwirkt. Dieses Potenzial ist die Hall-Spannung, die über den Leiter gemessen werden kann. Somit ermöglicht die Messung der Hall-Spannung die Bestimmung des Magnetfeldes.Hall effect sensors (Hall sensors) are sensors used to measure a magnetic field. A Hall sensor is typically formed from a foil of a conductor. The “Hall effect” occurs when a current flowing through the conductor interacts with a magnetic field oriented perpendicular to the direction of the current. Charge carriers flowing through the conductor experience a Lorentz force due to the magnetic field. The Lorentz force is perpendicular to the direction of current flow and perpendicular to the magnetic field. This force causes the flow of charge carriers through the conductor to bend so that charge carriers accumulate on one side of the conductor. By separating the charge carriers across the conductor, an electric field is created that counteracts further charge separation. This potential is the Hall voltage that can be measured across the conductor. Thus, measuring the Hall voltage enables the determination of the magnetic field.
Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, einen Hall-Sensor mit hoher Empfindlichkeit bereitzustellen. Im Allgemeinen hängt die Empfindlichkeit eines Hall-Sensors von der Beweglichkeit der Träger des als Leiter verwendeten Materials ab. Beispielsweise beträgt die Elektronenmobilität von Silizium bei Silizium-basierten Hall-Sensoren etwa 1.500 cm2/Vs.For many applications it is desirable to provide a Hall sensor with high sensitivity. In general, the sensitivity of a Hall sensor depends on the mobility of the carriers of the material used as a conductor. For example, the electron mobility of silicon in silicon-based Hall sensors is approximately 1,500 cm 2 /Vs.
Um Hall-Sensoren mit verbesserter Empfindlichkeit bereitzustellen, wurden andere Materialien zur Verwendung in Hall-Sensoren in Betracht gezogen. Zum Beispiel ist bekannt, dass Graphen eine Elektronenmobilität bei Raumtemperatur von etwa 15.000 cm2/Vs hat.
Während es wünschenswert ist, einen Hall-Sensor mit hoher Empfindlichkeit bereitzustellen, ist eine andere Eigenschaft von Interesse die Betriebstemperatur. Hall-Sensoren, die aus z. B. Silizium gebildet werden, sind typischerweise nur bei Temperaturen von etwa 230 K bis 350 K betriebsfähig. Bei niedrigeren Temperaturen, beispielsweise kryogenen Temperaturen unterhalb von 120 K, sind viele Hall-Sensoren sind nicht betriebsfähig oder alternativ ist die Reaktion so nicht-linear, dass die Betriebsleistung erheblich reduziert wird.While it is desirable to provide a Hall sensor with high sensitivity, another property of interest is operating temperature. Hall sensors, which consist of e.g. B. silicon are typically only operable at temperatures of around 230 K to 350 K. At lower temperatures, for example cryogenic temperatures below 120 K, many Hall sensors are not operational or alternatively the response is so non-linear that operating performance is significantly reduced.
Zweidimensionale (2D) Materialien, insbesondere Graphen, sind derzeit der Schwerpunkt intensiver Forschung und Entwicklung weltweit. Es wurde gezeigt, dass 2D-Materialien außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen, sowohl in der Theorie als auch in der Praxis, die zu einer Flut von Produkten geführt hat, die solche Materialien enthalten, darunter Beschichtungen, Batterien und Sensoren, um nur einige zu nennen. Graphen ist am bekanntesten und wird derzeit für eine Reihe von potenziellen Anwendungen untersucht. Am wichtigsten ist die Verwendung von Graphen in elektronischen Vorrichtungen und ihren Bestandteilen, einschließlich Transistoren, LEDs, Photovoltaikzellen, Hall-Effekt-Sensoren (auch als „Hall-Sensoren“ bezeichnet), Dioden und dergleichen.Two-dimensional (2D) materials, particularly graphene, are currently the focus of intensive research and development worldwide. 2D materials have been shown to have extraordinary properties, both in theory and in practice, which has led to a flood of products containing such materials, including coatings, batteries and sensors, to name a few. Graphene is the best known and is currently being investigated for a number of potential applications. Most importantly, graphene is used in electronic devices and their components, including transistors, LEDs, photovoltaic cells, Hall effect sensors (also called “Hall sensors”), diodes, and the like.
Dementsprechend gibt es eine breite Palette an elektronischen Vorrichtungen, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, die integrierte Graphenschichtstrukturen (als Einzelschicht oder mehrlagiges Graphen) und/oder andere 2D-Materialien als Hauptmaterialien besitzen, um Verbesserungen in solchen Vorrichtungen im Vergleich zu früheren Vorrichtungen und elektronischen Produkten zu erzielen. Dies schließt strukturelle Verbesserungen durch die Verwendung dünnerer und leichterer Materialien (die eine flexible Elektronik hervorbringen können) sowie Leistungsverbesserungen wie eine erhöhte elektrische und thermische Leitfähigkeit ein, was zu erhöhter Betriebseffizienz führt.Accordingly, there are a wide range of electronic devices known in the art that incorporate integrated graphene layer structures (as single layer or multilayer graphene) and/or other 2D materials as primary materials to provide improvements in such devices compared to previous devices and electronic products. This includes structural improvements through the use of thinner and lighter materials (which can produce flexible electronics), as well as performance improvements such as increased electrical and thermal conductivity, resulting in increased operational efficiency.
Aufgrund der Empfindlichkeit der atmosphärischer Wechselwirkung und Kontamination ausgesetzten 2D-Materialien ist es notwendig, die 2D-Materialien und/oder die Vorrichtung, die solche Materialien enthält, mit einer Schutzschicht oder mehreren Schutzschichten einzukapseln. Die Erfinder haben festgestellt, dass das Metall, das in ohmschen Kontakten vorhanden und erforderlich ist, um elektrische Verbindungen zu dem 2D-Material herzustellen, zu einer unerwünschten Dotierung führen kann. Die Dotierung von 2D-Materialien führt zu einer Modifikation der elektronischen Eigenschaften. Für Vorrichtungen wie Hall-Effekt-Sensoren ist der Betrieb sehr empfindlich gegenüber der Änderung der elektronischen Struktur, da möglichst auf die Einhaltung der Ladungsneutralität im 2D-Material vertraut wird. Dennoch kann die Kontamination durch Sauerstoff oder Wasserdampf in der Atmosphäre zu einer schrittweisen Verschlechterung der Vorrichtungsleistung führen, was für Kunden/Verbraucher unerwünscht ist, die elektronische Vorrichtungen erwarten, die auch viele Jahre nach der Herstellung eine spezifizierte Leistung aufweisen. Darüber hinaus kann es unmöglich oder zumindest sehr schwierig sein, elektronische Komponenten, insbesondere mikroelektronische Komponenten, und zu ersetzen, daher sind selbst geringfügige Verbesserungen der Lebensdauer- und Leistungsstabilität stark geschätzt.Due to the sensitivity of 2D materials exposed to atmospheric interaction and contamination, it is necessary to encapsulate the 2D materials and/or the device containing such materials with a protective layer or layers. The inventors have discovered that the metal present in ohmic contacts and required to make electrical connections to the 2D material can result in undesirable doping. Doping 2D materials leads to a modification of the electronic properties. For devices such as Hall effect sensors, the operation is very sensitive to the change in electronic structure because it relies as much as possible on maintaining charge neutrality in the 2D material. Nevertheless, contamination by oxygen or water vapor in the atmosphere may result in gradual deterioration of device performance, which may be detrimental to customers/consumers is undesirable for those who expect electronic devices to maintain specified performance many years after manufacture. Furthermore, electronic components, particularly microelectronic components, can be impossible or at least very difficult to replace, so even minor improvements in lifespan and performance stability are highly valued.
Während der Herstellung elektronischer Vorrichtungen haben die Erfinder festgestellt, dass standardmäßige lithographische Prozesse, wie solche, die Polymerbeschichtungen verwenden, wie PMMA, um die gewünschten Konfigurationen der darunter liegenden 2D-Materialien zu erstellen, eine Reihe von Nachteilen aufweisen. Die PMMA-Beschichtung kann das 2D-Material dotieren und kann für variable Temperaturanwendungen oder speziell hohe oder niedrige Temperaturanwendungen nicht geeignet sein. Die Standardverarbeitung, um solche Polymerbeschichtungen durch Auflösen in einem organischen Lösungsmittel zu entfernen, kann ferner Verunreinigungen und Kontaminationen einbringen, die eine zuverlässige Vorrichtungsherstellung mit konsistenten Eigenschaften, die für elektronische Vorrichtungen wie Mikroelektronik wesentlich sind, behindern. Es ist auch bekannt, dass Polymerreste zurückbleiben können, die nachfolgende Verarbeitungsschritte behindern.While fabricating electronic devices, inventors have discovered that standard lithographic processes, such as those that use polymer coatings such as PMMA to create the desired configurations of the underlying 2D materials, have a number of disadvantages. The PMMA coating may dope the 2D material and may not be suitable for variable temperature applications or specifically high or low temperature applications. Standard processing to remove such polymer coatings by dissolving them in an organic solvent can also introduce impurities and contaminations that hinder reliable device fabrication with consistent properties essential to electronic devices such as microelectronics. It is also known that polymer residues can remain which hinder subsequent processing steps.
Alternativ ist bekannt, dass 2D-Materialien einfach aus einem Substrat geätzt werden können, ohne dass solche photolithografischen Materialien verwendet werden, um eine Kontamination zu vermeiden. Solche Verfahren umfassen das Verwenden eines Laserstrahls zum Abtragen des Substrats und 2D-Materials außerhalb des aktiven Bereichs, um eine gemusterte 2D-Materialschicht zu erhalten. Eine solche Offenbarung kann in
Dementsprechend ist es wünschenswert, elektronische Vorrichtungen herzustellen, die Folgendes umfassen: 2D-Materialien (oder tatsächlich die Herstellung eines Vorläufers für elektronische Vorrichtungen zur Verwendung als elektronische Vorrichtung beim Bereitstellen der erforderlichen elektrischen Verbindungen) durch Verfahren, die weniger Verarbeitungsschritte beinhalten, wodurch unnötige und nachteilige Kontamination und/oder Dotierung vermieden werden. Folglich besteht auch der Bedarf an elektronischen Vorrichtungen und deren Vorläufern, die eine Langzeitstabilität und/oder Verbesserungen der Temperaturstabilität gegenüber dem Stand der Technik bereitstellen. Verbesserungen sind erforderlich, um die Verwendung von Vorrichtungen auf 2D-Materialbasis unter extremen Bedingungen zu ermöglichen, um von den einzigartigen elektronischen Eigenschaften des 2D-Materials zu profitieren.Accordingly, it is desirable to produce electronic devices comprising: 2D materials (or indeed the manufacture of an electronic device precursor for use as an electronic device in providing the required electrical connections) by methods that involve fewer processing steps, thereby eliminating unnecessary and disadvantageous ones Contamination and/or doping can be avoided. Consequently, there is also a need for electronic devices and their precursors that provide long-term stability and/or improvements in temperature stability over the prior art. Improvements are needed to enable the use of 2D material-based devices in extreme conditions to benefit from the unique electronic properties of the 2D material.
Es besteht der Bedarf an einem Verfahren, das die Herstellung eines Vorläufers der elektronischen Vorrichtung ermöglicht, der eine 2D-Materialschicht umfasst und die Oberflächenkontamination sowie Dotierung durch die ohmsche Kontaktabscheidung vermeidet. Außerdem besteht der Bedarf an einem Verfahren, das das 2D-Material verkapseln kann, während es auch die Bereitstellung mindestens eines ohmschen Kontakts ermöglicht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anzahl spezifischer Ausführungsformen bereitzustellen, von denen jede zusammen mit den elektronischen Vorrichtungsvorläufem, die durch solche Verfahren verfügbar sind, die verschiedenen Probleme, die mit dem vorigen Stand der Technik verbunden sind, überwinden oder wesentlich reduzieren oder zumindest eine kommerziell nützliche Alternative bereitstellen.There is a need for a method that enables the fabrication of an electronic device precursor that includes a 2D material layer and avoids surface contamination and doping by ohmic contact deposition. There is also a need for a process that can encapsulate the 2D material while also allowing for the provision of at least one ohmic contact. It is an object of the present invention to provide a method and a number of specific embodiments, each of which, together with the electronic device precursors available through such methods, overcome or substantially overcome the various problems associated with the prior art reduce or at least provide a commercially useful alternative.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten oder zumindest kommerziell nützlichen alternativen Hall-Sensor bereitzustellen.Against this background, it is an object of the invention to provide an improved or at least commercially useful alternative Hall sensor.
KURZDARSTELLUNGSHORT PRESENTATION
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Graphen-Hall-Sensor zum Betrieb bei kryogenen Temperaturen bereitgestellt. Der Graphen-Hall-Sensor umfasst ein Substrat, eine Graphenfolie, eine dielektrische Schicht, ein erstes Paar elektrischer Kontakte und ein zweites Paar elektrischer Kontakte. Die Graphenfolie wird auf dem Substrat bereitgestellt. Die dielektrische Schicht wird auf der Graphenfolie bereitgestellt. Das Graphen und die dielektrische Schicht nutzen gemeinsam eine durchgehende Außenrandoberfläche. Das erste Paar elektrischer Kontakte steht in elektrischem Kontakt mit der Graphenfolie und ist entlang einer ersten Richtung beabstandet. Das zweite Paar elektrischer Kontakte steht in elektrischem Kontakt mit der Graphenfolie und ist entlang einer zweiten Richtung beabstandet. Die erste Richtung ist senkrecht zu der zweiten Richtung, und ein Pfad entlang der ersten Richtung zwischen dem ersten Paar elektrischer Kontakte kreuzt einen Pfad entlang der zweiten Richtung zwischen dem zweiten Paar elektrischer Kontakte. Die Graphenfolie weist eine Lagenträgerdichte im Bereich von 2 × 1011 cm-2 bis 1 × 1013 cm-2 auf.According to a first aspect of the invention, a graphene Hall sensor for operation at cryogenic temperatures is provided. The graphene Hall sensor includes a substrate, a graphene sheet, a dielectric layer, a first pair of electrical contacts, and a second pair of electrical contacts. The graphene film is provided on the substrate. The dielectric layer is provided on the graphene sheet. The graphene and dielectric layer share a continuous outer edge surface. The first pair of electrical contacts are in electrical contact with the graphene sheet and are spaced apart along a first direction. The second pair of electrical contacts are in electrical contact with the graphene sheet and are spaced along a second direction. The first direction is perpendicular to the second direction, and a path along it the first direction between the first pair of electrical contacts crosses a path along the second direction between the second pair of electrical contacts. The graphene film has a layer support density in the range of 2 × 10 11 cm -2 to 1 × 10 13 cm -2 .
Gemäß dieser Offenbarung wird unter der Lagenträgerdichte die Nettomenge der Ladungsträger pro Fläche in der Graphenfolie verstanden. Das heißt, dass die Schichtladungsträgerdichte die absolute Differenz zwischen der Lochdichte und der Elektronendichte ist. Ferner versteht es sich, dass die Lagenträgerdichte für Graphen in einem gewissen Grad mit der Temperatur variieren kann. Als solches sind gemäß dieser Offenbarung alle Verweise auf die Lagenträgerdichte für Graphen als die Lagenträgerdichte von Graphen zu verstehen 4 K (d. h. die Lagenträgerdichte bei einer kryogenen Temperatur).According to this disclosure, the layer carrier density is understood to mean the net amount of charge carriers per area in the graphene film. This means that the layer charge carrier density is the absolute difference between the hole density and the electron density. Furthermore, it is understood that the sheet support density for graphene may vary to some extent with temperature. As such, in accordance with this disclosure, all references to sheet support density for graphene are to be understood as the sheet support density of
Gemäß dem ersten Gesichtspunkt wird der Graphen-Hall-Sensor, der aus einem Graphenstreifen gebildet wird, der eine Lagenträgerdichte in dem angegebenen Bereich aufweist, gebildet. Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass durch Bilden des Graphen-Hall-Sensors aus Graphen mit der spezifizierten Trägerdichte die Vorrichtungen eine verbesserte Leistung bei kryogenen Temperaturen aufweisen. Insbesondere können die Graphen-Hall-Sensoren mit einer solchen Plattenträgerdichte eine Empfindlichkeit erreichen, die mit der Empfindlichkeit von handelsüblichen siliziumbasierten Hall-Effekt-Sensoren vergleichbar ist, während sie bei kryogenen Temperaturen weit außerhalb der Betriebstemperaturbereiche für siliziumbasierte Hall-Effekt-Sensoren betrieben werden.According to the first aspect, the graphene Hall sensor formed from a graphene strip having a sheet carrier density in the specified range is formed. The present inventors have discovered that by forming the graphene Hall sensor from graphene with the specified carrier density, the devices exhibit improved performance at cryogenic temperatures. In particular, the graphene Hall sensors with such plate carrier density can achieve sensitivity comparable to the sensitivity of commercially available silicon-based Hall effect sensors while operating at cryogenic temperatures well outside the operating temperature ranges for silicon-based Hall effect sensors.
Gemäß dieser Offenbarung wird unter Bezugnahme auf eine kryogene Temperatur jede Temperatur verstanden, die nicht größer ist als 120 K. Die vorliegende Offenbarung befasst sich insbesondere mit dem Betrieb von Hall-Sensoren bei kryogenen Temperaturen, die nicht größer sind: 20 K, 10 K, 5 K, 4 K, 3 K, 2 K, 1,5 K oder 1 K. According to this disclosure, reference to a cryogenic temperature is understood to mean any temperature not greater than 120 K. The present disclosure is particularly concerned with the operation of Hall sensors at cryogenic temperatures not greater than: 20 K, 10 K, 5K, 4K, 3K, 2K, 1.5K or 1K.
Während viele Hall-Sensoren Anzeichen eines nichtlinearen Verhaltens bei kryogenen Temperaturen zeigen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass Graphen-Hall-Sensoren mit der spezifizierten Trägerdichte eine verbesserte Linearität aufweisen. Insbesondere ist das lineare Verhalten der Graphen-Hall-Sensoren des ersten Gesichtspunkts nicht nur bei Raumtemperatur vorhanden, sondern wird auch bei kryogenen Temperaturen (z. B. 3 K) beibehalten.While many Hall sensors show signs of nonlinear behavior at cryogenic temperatures, the inventors of the present invention have found that graphene Hall sensors with the specified carrier density exhibit improved linearity. In particular, the linear behavior of the graphene Hall sensors of the first aspect is not only present at room temperature but is also maintained at cryogenic temperatures (e.g. 3 K).
Darüber hinaus zeigen viele Hall-Sensoren Anzeichen eines nichtlinearen Verhaltens, da das angelegte Magnetfeld erhöht wird. Ein solches nicht-lineares Verhalten kann durch den Betrieb unter kryogenen Temperaturen weiter verschärft werden. Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass Graphen-Hall-Sensoren mit der spezifizierten Trägerdichte eine verbesserte Linearität bei relativ hohen Magnetfeldern aufweisen. Zum Beispiel können die Graphen-Hall-Sensoren eine verbesserte Linearität für Magnetfelder aufweisen, die von -30 T bis +30 T, -22 T bis +22 T, -16 T bis +16 T, -9 T bis +9 T oder -7 T bis +7 T reichen. Dieses lineare Verhalten wird auch bei kryogenen Temperaturen aufrechterhalten. Solche Bereiche einer verbesserten Linearität entsprechen der Magnetfeldstärke allgemein verfügbarer Magnete.Additionally, many Hall sensors show signs of nonlinear behavior as the applied magnetic field is increased. Such non-linear behavior can be further exacerbated by operation at cryogenic temperatures. The present inventors have discovered that graphene Hall sensors with the specified carrier density exhibit improved linearity at relatively high magnetic fields. For example, the graphene Hall sensors can have improved linearity for magnetic fields ranging from -30T to +30T, -22T to +22T, -16T to +16T, -9T to +9T or -7T to +7T range. This linear behavior is maintained even at cryogenic temperatures. Such areas of improved linearity correspond to the magnetic field strength of commonly available magnets.
Wie oben erwähnt, weist die Graphenfolie eine Lagenträgerdichte von wenigstens 2 × 1011 cm-2 (bei einer Temperatur von 4 K) auf. Eine solche Lagenträgerdichte stellt eine Obergrenze für die Empfindlichkeit des Graphen-Hall-Sensors bei kryogenen Temperaturen bereit, sodass die Graphen-As mentioned above, the graphene film has a sheet support density of at least 2 × 10 11 cm -2 (at a temperature of 4 K). Such a sheet support density provides an upper limit on the sensitivity of the graphene Hall sensor at cryogenic temperatures, so that the graphene
Hall-Sensoren Magnetfelder im Bereich von mindestens -1 T bis +1 T ohne Sättigung des Graphen-Hall-Sensors messen können.Hall sensors can measure magnetic fields in the range of at least -1 T to +1 T without saturation of the graphene Hall sensor.
Wie oben erwähnt, weist die Graphenfolie eine Trägerdichte von nicht mehr auf 1 × 1013 cm-2 auf. Eine solche Lagenträgerdichte stellt eine geringere Grenze für die Empfindlichkeit des Graphen-Hall-Sensors bereit, sodass die durch den Graphen-Hall-Sensor bei kryogenen Temperaturen erreichbare Auflösung vergleichbar mit siliziumbasierten Vorrichtungen ist, die z. B. bei Raumtemperatur arbeiten.As mentioned above, the graphene film has a carrier density of no more than 1 × 10 13 cm -2 . Such a sheet support density provides a lower limit on the sensitivity of the graphene Hall sensor, such that the resolution achievable by the graphene Hall sensor at cryogenic temperatures is comparable to silicon-based devices used e.g. B. work at room temperature.
Die Erfinder haben auch festgestellt, dass die Kontaktabscheidung nach Vorrichtungseinkapselung verhindert, dass das Metall elektrisch mit dem 2D-Material in Kontakt kommt, was für die Funktion der endgültigen elektronischen Vorrichtung wesentlich ist. Die Kontaktabscheidung vor einer Verkapselungs- oder Beschichtung kann jedoch aufgrund der Höhendifferenz zwischen dem Höhenunterschied zwischen dem 2D-Material und den Kontakten darauf zu Problemen führen, was zu einer nicht konformen Beschichtung führt, die leichter beschädigt werden kann.The inventors have also discovered that contact deposition after device encapsulation prevents the metal from electrically contacting the 2D material, which is essential to the function of the final electronic device. However, contact deposition prior to an encapsulant or coating can cause problems due to the height difference between the height difference between the 2D material and the contacts on it, resulting in a non-conformal coating that is more easily damaged.
Dementsprechend stellen die Erfinder ein Verfahren dar, das das Schützen einer Graphenschicht auf einem Substrat unter Verwendung eines plasmabeständigen Dielektrikums umfasst, um sowohl ein Ätzmuster der Graphenschicht zu definieren und als Schutzbeschichtung in dem endgültigen Vorrichtungsvorläufer (und natürlich letztendlich in einer Vorrichtung) zu dienen. Die Erfinder haben festgestellt, dass durch Verwenden eines plasmabeständigen Dielektrikums zum Definieren des Ätzmusters der plasmaätzbaren Schichtstruktur, die das Graphen umfasst, ein Zwischenprodukt bereitgestellt wird, das nur die Kanten der Graphenschicht freilässt, und ein ohmscher Kontakt kann in direktem Kontakt mit einem Abschnitt der freiliegenden Kante ausgebildet werden.Accordingly, the inventors present a method that includes protecting a graphene layer on a substrate using a plasma-resistant dielectric to both define an etching pattern of the graphene layer and to serve as a protective coating in the final device precursor (and of course ultimately in a device). The inventors have found that by using a plasma-resistant dielectric to define the etch pattern of the plasma-etchable layer structure comprising the graphene, an intermediate product is provided which leaves only the edges of the graphene layer exposed, and an ohmic contact can be formed in direct contact with a portion of the exposed edge.
In einigen Ausführungsformen kann die Lagenträgerdichte des Graphen-Hall-Sensors weiter optimiert werden, um ein Gleichgewicht zwischen der Empfindlichkeit des Graphen-Hall-Sensors und dem Magnetfeldbetriebsbereich des Graphen-Hall-Sensors bereitzustellen.In some embodiments, the substrate density of the graphene Hall sensor may be further optimized to provide a balance between the sensitivity of the graphene Hall sensor and the magnetic field operating range of the graphene Hall sensor.
In einigen Ausführungsformen kann eine Lagenträgerdichte von mindestens 1,25 × 1012 cm-2 bereitgestellt werden. In solchen Ausführungsformen kann der Graphen-Hall-Sensor an magnetischen Feldern zwischen -7 T und +7 T ohne Sättigung betrieben werden.In some embodiments, a ply support density of at least 1.25 x 10 12 cm -2 may be provided. In such embodiments, the graphene Hall sensor can operate at magnetic fields between -7 T and +7 T without saturation.
In einigen Ausführungsformen kann eine Lagenträgerdichte von mindestens 3 × 1012 cm-2 bereitgestellt werden. In solchen Ausführungsformen kann der Graphen-Hall-Sensor an magnetischen Feldern zwischen -22 T und +22 T oder mindestens -30 T und +30 T betrieben werden, ohne dass eine Sättigung des Graphen-Hall-Sensors auftritt.In some embodiments, a ply support density of at least 3 × 10 12 cm -2 may be provided. In such embodiments, the graphene Hall sensor can be operated at magnetic fields between -22 T and +22 T or at least -30 T and +30 T without saturation of the graphene Hall sensor occurring.
In einigen Ausführungsformen wird das erste Paar elektrischer Kontakte an dem Substrat angrenzend an die Graphenfolie bereitgestellt, sodass das erste Paar elektrischer Kontakte über die durchgehende äußere Randoberfläche in direktem Kontakt mit der Graphenfolie steht. In einigen Ausführungsformen wird das zweite Paar elektrischer Kontakte an dem Substrat angrenzend an die Graphenfolie bereitgestellt, sodass das zweite Paar elektrischer Kontakte über die durchgehende äußere Randoberfläche in direktem Kontakt mit der Graphenfolie steht.In some embodiments, the first pair of electrical contacts is provided on the substrate adjacent the graphene sheet such that the first pair of electrical contacts are in direct contact with the graphene sheet via the continuous outer edge surface. In some embodiments, the second pair of electrical contacts is provided on the substrate adjacent the graphene sheet such that the second pair of electrical contacts are in direct contact with the graphene sheet via the continuous outer edge surface.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Graphen-Hall-Sensor ferner eine durchgehende luftbeständige Beschichtungsschicht, die das Substrat, die dielektrische Schicht und die Graphenfolie bedeckt, und das erste und das zweite Paar elektrischer Kontakte.In some embodiments, the graphene Hall sensor further includes a continuous air-resistant coating layer covering the substrate, the dielectric layer, and the graphene film, and the first and second pairs of electrical contacts.
In einigen Ausführungsformen umfasst die durchgehende luftbeständige Beschichtungsschicht ein anorganisches Oxid, Nitrid, Carbid, Fluorid oder Sulfid, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid.In some embodiments, the continuous air-resistant coating layer comprises an inorganic oxide, nitride, carbide, fluoride or sulfide, preferably aluminum oxide or silicon dioxide.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat Saphir, Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliciumcarbid, Germanium, oder einen Gruppe-HI-V-Halbleiter.In some embodiments, the substrate comprises sapphire, silicon, silicon dioxide, silicon nitride, silicon carbide, germanium, or a Group HI-V semiconductor.
In einigen Ausführungsformen umfasst die dielektrische Schicht ein anorganisches Oxid, Nitrid, Carbid, Fluorid oder Sulfid, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid.In some embodiments, the dielectric layer comprises an inorganic oxide, nitride, carbide, fluoride or sulfide, preferably aluminum oxide or silicon dioxide.
In einigen Ausführungsformen weist die dielektrische Schicht eine Dicke in einer Richtung senkrecht zu der Graphenfolie von mindestens 10 nm auf. Dementsprechend kann die dielektrische Schicht auf der Graphenfolie mit einer Dicke bereitgestellt werden, sodass sie eine konforme Beschichtung über der Graphenschicht bildet. Die dielektrische Schicht wird vorzugsweise durch eine thermische Verdampfungstechnik, zum Beispiel eine e-Strahlverdampfung, oder vorzugsweise durch eine Atomic Layer Deposition (ALD)-Technik gebildet. Das Ausbilden der dielektrischen Schicht durch thermisches Verdampfen sorgt für die Ausbildung der dielektrischen Schicht auf der Graphenfolie, ohne die Graphenschicht zu beschädigen.In some embodiments, the dielectric layer has a thickness in a direction perpendicular to the graphene sheet of at least 10 nm. Accordingly, the dielectric layer can be provided on the graphene sheet with a thickness such that it forms a conformal coating over the graphene layer. The dielectric layer is preferably formed by a thermal evaporation technique, for example e-beam evaporation, or preferably by an atomic layer deposition (ALD) technique. Forming the dielectric layer by thermal evaporation ensures the formation of the dielectric layer on the graphene sheet without damaging the graphene layer.
In einigen Ausführungsformen kann der Graphen-Hall-Sensor als Teil eines Graphen-Hall-Sensorarrays ausgebildet sein. Somit kann ein Graphen-Hall-Sensorarray für den Betrieb bei kryogenen Temperaturen bereitgestellt werden. Das Graphen-Hall-Sensorarray umfasst ein Substrat, eine Graphenschicht und eine dielektrische Schicht. Die Graphenfolie wird auf dem Substrat bereitgestellt. Die Graphenfolie weist mehrere unterbrochene Graphenabschnitte auf, wobei jeder unterbrochene Graphenabschnitt einen Graphen-Hall-Sensor des Graphen-Hall-Sensorarrays definiert. Die dielektrische Schicht wird auf der Graphenfolie bereitgestellt, wobei die dielektrische Schicht mehrere unterbrochene dielektrische Abschnitte aufweist, die auf den unterbrochenen Graphenabschnitten bereitgestellt sind. Jeder unterbrochene Graphenabschnitt der Graphenfolie und ein entsprechender unterbrochener dielektrisches Abschnitt teilen sich eine durchgehende äußere Randoberfläche. Jeder Graphen-Hall-Sensor des Graphen-Hall-Sensorarrays umfasst ferner Folgendes: ein erstes Paar elektrischer Kontakte und ein zweites Paar elektrischer Kontakte. Das erste Paar elektrischer Kontakte steht in elektrischem Kontakt mit dem unterbrochenen Graphenabschnitt und ist entlang einer ersten Richtung beabstandet. Das zweite Paar elektrischer Kontakte steht in elektrischem Kontakt mit dem unterbrochenen Graphenabschnitt und ist entlang einer zweiten Richtung beabstandet. Die erste Richtung verläuft senkrecht zu der zweiten Richtung. Ein Pfad entlang der ersten Richtung zwischen dem ersten Paar elektrischer Kontakte kreuzt einen Pfad entlang der zweiten Richtung zwischen dem zweiten Paar elektrischer Kontakte. Die Graphenfolie weist eine Lagenträgerdichte im Bereich von 2 × 1011 cm-2 bis 1 × 1013 cm-2 auf.In some embodiments, the graphene Hall sensor may be formed as part of a graphene Hall sensor array. Thus, a graphene Hall sensor array can be provided for operation at cryogenic temperatures. The graphene Hall sensor array includes a substrate, a graphene layer and a dielectric layer. The graphene film is provided on the substrate. The graphene sheet has multiple broken graphene sections, each broken graphene section defining a graphene Hall sensor of the graphene Hall sensor array. The dielectric layer is provided on the graphene sheet, the dielectric layer having a plurality of discontinuous dielectric sections provided on the discontinuous graphene sections. Each discontinuous graphene section of the graphene sheet and a corresponding discontinuous dielectric section share a continuous outer edge surface. Each graphene Hall sensor of the graphene Hall sensor array further includes: a first pair of electrical contacts and a second pair of electrical contacts. The first pair of electrical contacts are in electrical contact with the discontinuous graphene section and are spaced along a first direction. The second pair of electrical contacts are in electrical contact with the discontinuous graphene section and are spaced along a second direction. The first direction is perpendicular to the second direction. A path along the first direction between the first pair of electrical contacts intersects a path along the second direction between the second pair of electrical contacts. The graphene film has a layer support density in the range of 2 × 10 11 cm -2 to 1 × 10 13 cm -2 .
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Magnetfeld-Messsystem bereitgestellt. Das System umfasst einen Graphen-Hall-Sensor gemäß dem ersten Gesichtspunkt und einen Hall-Messcontroller, der mit dem ersten und dem zweiten Paar elektrischer Kontakte verbunden ist. Der Hall-Messcontroller ist konfiguriert, um eine Hall-Effekt-Messung unter Verwendung des Graphen-Hall-Sensors durchzuführen.According to a second aspect of the invention, a magnetic field measuring system is provided. The system includes a graphene Hall sensor sor according to the first aspect and a Hall measurement controller connected to the first and second pairs of electrical contacts. The Hall measurement controller is configured to perform Hall effect measurement using the graphene Hall sensor.
Somit kann der Graphen-Hall-Sensor des ersten Gesichtspunkts als Teil eines Systems bereitgestellt werden, das konfiguriert ist, um Magnetfeldmessungen durchzuführen. Insbesondere kann das System konfiguriert sein, um Magnetfeldmessungen mit hoher Genauigkeit bei kryogenen Temperaturen durchzuführen.Thus, the graphene Hall sensor of the first aspect may be provided as part of a system configured to perform magnetic field measurements. In particular, the system can be configured to perform magnetic field measurements with high accuracy at cryogenic temperatures.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Magnetfelds bei kryogenen Temperaturen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst:
- Aussetzen eines Graphen-Hall-Sensors gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung auf eine kryogene Umgebung, die eine Temperatur von nicht mehr als etwa 100 K hat; und
- Durchführen einer Hall-Effekt-Messung unter Verwendung des Graphen-Hall-Sensors.
- exposing a graphene Hall sensor according to the first aspect of the invention to a cryogenic environment having a temperature of no more than about 100 K; and
- Performing a Hall effect measurement using the graphene Hall sensor.
Somit verwendet das Verfahren gemäß dem dritten Gesichtspunkt den Graphen-Hall-Sensor gemäß dem ersten Gesichtspunkt (oder das Magnetfeldmesssystem gemäß dem zweiten Gesichtspunkt), um eine Hall-Effekt-Messung bei einer kryogenen Temperatur durchzuführen.Thus, the method according to the third aspect uses the graphene Hall sensor according to the first aspect (or the magnetic field measurement system according to the second aspect) to perform a Hall effect measurement at a cryogenic temperature.
Gemäß einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Graphen-Hall-Sensors bereitgestellt. Das Verfahren umfasst:
- Bilden einer Graphenschicht auf einem Substrat;
- Strukturieren einer plasmabeständigen dielektrischen Schicht auf einem Abschnitt der Graphenfolie, um ein Zwischenprodukt zu bilden, das mindestens einen bedeckten Bereich und mindestens einen unbedeckten Bereich der Graphenfolie aufweist;
- Aussetzen des Zwischenprodukts einer Plasmaätzung, wodurch der mindestens eine unbedeckte Bereich der Graphenfolie weggeätzt wird, um eine geätzte Schichtstruktur mit einer oder mehreren freiliegenden Randoberflächen zu bilden;
- Ausbilden eines ersten Paares elektrischer Kontakte in elektrischem Kontakt mit der Graphenfolie und beabstandet entlang einer ersten Richtung; und
- Ausbilden eines zweiten Paares elektrischer Kontakte in elektrischem Kontakt mit der Graphenfolie und beabstandet entlang einer zweiten Richtung,
- wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung verläuft und ein Pfad entlang der ersten Richtung zwischen dem ersten Paar elektrischer Kontakte einen Pfad entlang der zweiten Richtung zwischen dem zweiten Paar elektrischer Kontakte kreuz, und
- die Graphenfolie eine Lagenträgerdichte
im Bereich von 2 × 1011 cm-2 bis 1 × 1013 cm-2 hat.
- forming a graphene layer on a substrate;
- patterning a plasma-resistant dielectric layer on a portion of the graphene sheet to form an intermediate product having at least a covered area and at least an uncovered area of the graphene sheet;
- subjecting the intermediate product to a plasma etch, thereby etching away the at least one uncovered region of the graphene sheet to form an etched layer structure having one or more exposed edge surfaces;
- forming a first pair of electrical contacts in electrical contact with the graphene sheet and spaced apart along a first direction; and
- forming a second pair of electrical contacts in electrical contact with the graphene sheet and spaced apart along a second direction,
- wherein the first direction is perpendicular to the second direction and a path along the first direction between the first pair of electrical contacts crosses a path along the second direction between the second pair of electrical contacts, and
- the graphene film has a layer support density in the range of 2 × 10 11 cm -2 to 1 × 10 13 cm -2 .
Als solches kann das Verfahren des vierten Gesichtspunkts verwendet werden, um einen Graphen-Hall-Sensor gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung zu bilden.As such, the method of the fourth aspect can be used to form a graphene Hall sensor according to the first aspect of the invention.
In einigen Ausführungsformen ist das erste Paar elektrischer Kontakte auf dem Substrat angrenzend an die Graphenfolie ausgebildet, sodass das erste Paar elektrischer Kontakte über eine oder mehrere der freiliegenden Kantenflächen in direktem Kontakt mit der Graphenfolie steht. In einigen Ausführungsformen wird das zweite Paar elektrischer Kontakte an dem Substrat angrenzend an die Graphenfolie bereitgestellt, sodass das zweite Paar elektrischer Kontakte über eine oder mehrere der äußeren Kantenflächen in direktem Kontakt mit der Graphenfolie steht.In some embodiments, the first pair of electrical contacts is formed on the substrate adjacent the graphene sheet such that the first pair of electrical contacts are in direct contact with the graphene sheet via one or more of the exposed edge surfaces. In some embodiments, the second pair of electrical contacts is provided on the substrate adjacent the graphene sheet such that the second pair of electrical contacts are in direct contact with the graphene sheet via one or more of the outer edge surfaces.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren des vierten Gesichtspunkts ferner das Bilden einer kontinuierlichen luftbeständigen Beschichtung über der geätzten Schichtstruktur und dem ersten und zweiten Paar elektrischer Kontakte.In some embodiments, the method of the fourth aspect further includes forming a continuous air-resistant coating over the etched layer structure and the first and second pairs of electrical contacts.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Strukturieren der plasmabeständigen dielektrischen Schicht das Strukturieren eines plasmabeständigen Dielektrikums durch thermisches Verdampfen, vorzugsweise unter Verwendung einer Maske. In einigen Ausführungsformen wird die plasmabeständige dielektrische Schicht unter Verwendung von e-Strahlverdampfung strukturiert. Dementsprechend kann die dielektrische Schicht (zum Beispiel eine Aluminiumoxid-dielektrische Schicht) auf der Graphenfolie so ausgebildet werden, dass die Trägerdichte der Graphenfolie nicht nachteilig beeinflusst wird.In some embodiments, patterning the plasma resistant dielectric layer includes patterning a plasma resistant dielectric by thermal evaporation, preferably using a mask. In some embodiments, the plasma resistant dielectric layer is patterned using e-beam evaporation. Accordingly, the dielectric layer (e.g., an aluminum oxide dielectric layer) can be formed on the graphene sheet so that the carrier density of the graphene sheet is not adversely affected.
Gemäß einem fünften Gesichtspunkt der Erfindung, Verwenden eines Graphen-Hall-Sensors gemäß dem ersten Gesichtspunkt, um ein Magnetfeld mit einer Größe von mindestens 1 T bei einer Temperatur von nicht mehr als 120 K bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen kann das Magnetfeld eine Größe von mindestens Folgendem aufweisen: 3 T, 5 T, 7 T, 9 T, 11 T, 13 T, 16 T, 19 T, 22 T, 30 T oder 40 T.According to a fifth aspect of the invention, using a graphene Hall sensor according to the first aspect to provide a magnetic field with a magnitude of at least 1 T at a temperature of not more than 120 K. In some embodiments, the magnetic field may have a magnitude of at least: 3T, 5T, 7T, 9T, 11T, 13T, 16T, 19T, 22T, 30T, or 40T.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Bilden von Graphenstrukturen, die zur Verwendung in den Graphen-Hall-Sensoren des ersten Gesichtspunkts geeignet sind. Somit wird gemäß einem sechsten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Vorläufers elektronischer Vorrichtungen bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:
- (i) Bereitstellen einer plasmaätzbaren Schichtstruktur auf einem plasmabeständigen Substrat, wobei die Schichtstruktur eine freiliegende obere Oberfläche aufweist;
- (ii) Strukturieren eines plasmabeständigen Dielektrikums auf der freiliegenden oberen Oberfläche, um ein Zwischenprodukt mit mindestens einem bedeckten Bereich und mindestens einem unbedeckten Bereich der Schichtstruktur zu bilden,
- (iii) Unterziehen des Zwischenprodukts einer Plasmaätzung, wobei der mindestens eine unbedeckte Bereich der Schichtstruktur weggeätzt wird, um mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur mit einer freiliegenden Randoberfläche zu bilden;
- (iv) Bilden eines ohmschen Kontakts in direktem Kontakt mit einem Abschnitt der freiliegenden Kantenoberfläche,
- (i) providing a plasma-etchable layer structure on a plasma-resistant substrate, the layer structure having an exposed top surface;
- (ii) patterning a plasma-resistant dielectric on the exposed top surface to form an intermediate product having at least one covered area and at least one uncovered area of the layered structure,
- (iii) subjecting the intermediate product to a plasma etch, wherein the at least one uncovered region of the layered structure is etched away to form at least a covered region of the layered structure with an exposed edge surface;
- (iv) forming an ohmic contact in direct contact with a portion of the exposed edge surface,
Die vorliegende Erfindung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Passagen werden verschiedene Gesichtspunkte/Ausführungsformen der Erfindung näher definiert. Jede(r) somit definierte Aspekt/Ausführungsform kann mit jedem/jeder/allen anderen Aspekt/Ausführungsform oder Aspekten/Ausführungsformen kombiniert werden, sofern nicht eindeutig das Gegenteil angegeben ist. Insbesondere kann jedes als bevorzugt oder vorteilhaft angegebene Merkmal mit jedem/allen anderen als bevorzugt oder vorteilhaft angegebenen Merkmal! Merkmalen kombiniert werden.The present invention will now be further described. In the following passages, various aspects/embodiments of the invention are defined in more detail. Each aspect/embodiment thus defined may be combined with any other aspect/embodiment or aspects/embodiments unless clearly stated to the contrary. In particular, any feature specified as preferred or advantageous can be combined with any/all other features specified as preferred or advantageous! Features are combined.
Das hierin offenbarte Verfahren verwendet daher ein plasmabeständiges Dielektrikum, um ein Ätzmuster zu definieren und die Oberfläche des 2D-Materials vor einer Dotierung durch den ohmschen Kontakt zu schützen. Diese Lösung ist besonders elegant, da die Erfinder festgestellt haben, dass die Ladungsinjektion an den Rändern einer 2D-Materialschicht erheblich größer ist als auf der Oberfläche, wodurch eine Dotierung vermieden wird und gleichzeitig ein verbesserter Stromfluss ermöglicht wird.The method disclosed herein therefore uses a plasma resistant dielectric to define an etch pattern and protect the surface of the 2D material from doping by the ohmic contact. This solution is particularly elegant because the inventors have found that charge injection at the edges of a 2D material layer is significantly greater than on the surface, avoiding doping while allowing improved current flow.
Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Vorläufer elektronischer Vorrichtungen bereit. Ein Vorläufer soll sich auf eine Komponente beziehen, die in der Lage ist, in eine elektrische oder elektronische Schaltung eingebaut zu werden, üblicherweise durch Drahtbonding an weitere Schaltlogik oder durch andere in der Technik bekannte Verfahren, wie Löten unter Verwendung von „Flip-Chip“-Lötkugeln, wie hierin beschrieben. Somit ist eine elektronische Vorrichtung eine funktionierende Vorrichtung, die dem Vorläufer Strom bereitstellt, wenn er installiert ist, sowie während des Betriebs.As described above, the present invention provides a method of manufacturing a precursor to electronic devices. A precursor is intended to refer to a component capable of being incorporated into an electrical or electronic circuit, usually by wire bonding to further circuit logic or by other methods known in the art, such as soldering using "flip chip" -Solder balls as described herein. Thus, an electronic device is a functioning device that provides power to the precursor when installed and during operation.
Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt des Bereitstellens einer plasmaätzbaren Schichtstruktur auf einem plasmabeständigen Substrat, wobei die Schichtstruktur eine freiliegende obere Oberfläche aufweist und wobei die plasmaätzbare Schichtstruktur eine oder mehrere Graphenschichten umfasst.The method includes a first step of providing a plasma-etchable layer structure on a plasma-resistant substrate, the layer structure having an exposed top surface and the plasma-etchable layer structure comprising one or more graphene layers.
Die plasmaätzbare Schichtstruktur ist eine, die während des Schritts des Plasmaätzens geätzt werden kann, wie in der elektronischen Vorrichtungsherstellung üblich, um die Schichtstruktur und nicht das darunter liegende Substrat abzutragen. Das Plasmaätzen wird hierin ausführlicher beschrieben. In der vorliegenden Erfindung umfasst die plasmaätzbare Schichtstruktur eine oder mehrere Graphenschichten und besteht vorzugsweise daraus. Vorzugsweise ist mindestens eine oberste Schicht der plasmaätzbaren Schichtstruktur eine Graphenschicht, wodurch sichergestellt wird, dass zumindest die oberste Graphenschicht während des Plasmaätzens geätzt wird, um eine freiliegende Kantenoberfläche zu bilden.The plasma-etchable layer structure is one that can be etched during the plasma etching step, as is common in electronic device manufacturing, to remove the layer structure rather than the underlying substrate. Plasma etching is described in more detail herein. In the present invention, the plasma-etchable layer structure comprises and preferably consists of one or more graphene layers. Preferably, at least a top layer of the plasma-etchable layer structure is a graphene layer, thereby ensuring that at least the top graphene layer is etched during plasma etching to form an exposed edge surface.
Vorzugsweise besteht die plasmaätzbare Schichtstruktur aus einem oder mehreren 2D-Materialschichten. 2D-Materialien sind im Stand der Technik gut bekannt und werden manchmal als Einzelschichtmaterialien bezeichnet, die aus einer einzelnen Schicht von Atomen bestehen, die durch allgemein als Übergangsmetalldichalkogenide bekannte Materialien bekannt sind. Und es sind auch 2D-Materialien bekannt, die eine Schicht von Metallatomen umfassen, die zwischen den Schichten von Chalkogenatomen angeordnet sind (d. h. eine Verbindung des Typs MX2 bestehend aus drei Atomebenen). In ähnlicher Weise sind Graphen (CH)n und Graphenoxid 2D-Materialien, wobei Graphen terminale Wasserstoffatome hat und Graphenoxid überbrückende Sauerstoffatome und terminale Hydroxylgruppen hat. Silicen ist eher faltig als perfekt flach. Unter allen Umständen können 2D-Materialien als Platten oder Schichten von quasi unendlicher Größe in zwei Dimensionen betrachtet werden und schließen beispielsweise Graphen, Graphyn, Silicen, Germanen, Borophen, Phosphoren, Antimonen, hexagonales Bornitrid (h-BN), Borcarbonitride und TMDCs ein (wie MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 und MoTe2). Somit besteht in einigen Ausführungsformen die plasmaätzbare Schichtstruktur aus einer oder mehreren Schichten von Graphen und einer oder mehreren Schichten von Silicen, Germanen, h-BN, Borophen und/oder einem TMDC. In solchen Ausführungsformen kann die plasmaätzbare Schichtstruktur als Heterostruktur bezeichnet werden. Noch bevorzugter besteht die plasmaätzbare Schichtstruktur aus einer oder mehreren Graphenschichten, die als Graphenschichtstruktur bezeichnet werden können.The plasma-etchable layer structure preferably consists of one or more 2D material layers. 2D materials are well known in the art and are sometimes referred to as single-layer materials, which consist of a single layer of atoms commonly known as transition metal dichalcogenides. And 2D materials are also known that include a layer of metal atoms arranged between the layers of chalcogen atoms (i.e. a compound of type MX2 consisting of three atomic planes). Similarly, graphene (CH) n and graphene oxide are 2D materials, where graphene has terminal hydrogen atoms and graphene oxide has bridging oxygen atoms and terminal hydroxyl groups. Silicene is wrinkled rather than perfectly flat. In all circumstances, 2D materials can be viewed as plates or layers of virtually infinite size in two dimensions and include, for example, graphene, graphyne, silicene, germanene, borophene, phosphorene, antimonene, hexagonal boron nitride (h-BN), boron carbonitrides and TMDCs (such as MoS 2 , WS 2 , MoSe 2 , WSe 2 and MoTe 2 ). Thus, in some embodiments, the plasma-etchable layer structure consists of one or more layers of graphene and one or more layers of silicene, germanene, h-BN, borophene and/or a TMDC. In such embodiments, the plasma-etchable layer structure can be referred to as a heterostructure. Even more preferably, the plasma-etchable layer structure consists of one or more graphene layers, which can be referred to as a graphene layer structure.
Die vorliegende Erfindung stellt wenigstens einen ohmschen Kontakt in direktem Kontakt mit der freiliegenden Randoberfläche der wenigstens einen Graphenschicht der plasmaätzbaren Schichtstruktur bereit. Die plasmaätzbare Schichtstruktur umfasst Graphen und optional Silicen, Germanen, Borophen, h-BN und/oder einen TMDC. Dementsprechend gilt hierin jede Bezugnahme auf Graphen gleichermaßen für andere 2D-Materialien, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.The present invention provides at least one ohmic contact in direct contact with the exposed edge surface of the at least one graphene layer of the plasma-etchable layer structure. The plasma-etchable layer structure includes graphene and optionally silicene, germanene, borophene, h-BN and/or a TMDC. Accordingly, any reference herein to graphene applies equally to other 2D materials unless the context clearly requires otherwise.
Die Schichtstruktur kann aus 1 bis 10 Einzelschichten von 2D-Materialschichten bestehen, wobei mindestens eine Schicht eine Graphenschicht ist. Zum Beispiel besteht die plasmaätzbare Schichtstruktur aus einer Graphen-Monoschicht. Wenn die Schichtstruktur aus mehreren 2D-Materialschichten besteht, sind 2 bis 5 Schichten bevorzugt, und 2 oder 3 Schichten noch stärker bevorzugt. Eine einzelne Schicht ist jedoch auch bevorzugt, da einige der einzigartigen Eigenschaften, die 2D-Materialien zugeschrieben werden, am stärksten ausgeprägt sind, wenn sie als Monoschicht bereitgestellt werden. Zum Beispiel ist das Monoschicht-Graphen ein Nullbandlückenhalbleiter (d. h. ein Halbmetall), wobei die Dichte von Zuständen am Fermi-Niveau null ist und an dem Punkt liegt, an dem die Oberseite des Valenzbandes den Boden des Leitungsbands erreicht (Bilden eines Dirac-Kegels). Aufgrund der geringen Dichte der Zustände nahe dem Dirac ist eine Verschiebung des Fermi-Niveaus besonders anfällig für die Ladungsübertragung in ein solches unberührtes Graphen. Die elektronische Struktur führt auch zum Beispiel zu dem Quanten-Hall-Effekt. Für bestimmte Ausführungsformen, insbesondere die hierin beschriebenen Hall-Sensor-Konfigurationen, ist eine Graphen-Monoschicht daher besonders bevorzugt und profitiert von der vorliegenden Erfindung am stärksten. Dennoch kann ein zwei- oder mehrlagiges Graphen (eine sogenannte Graphenschichtstruktur) verwendet werden.The layer structure can consist of 1 to 10 individual layers of 2D material layers, with at least one layer being a graphene layer. For example, the plasma-etchable layer structure consists of a graphene monolayer. If the layered structure consists of multiple 2D material layers, 2 to 5 layers are preferred, and 2 or 3 layers are even more preferred. However, a single layer is also preferred because some of the unique properties attributed to 2D materials are most pronounced when provided as a monolayer. For example, monolayer graphene is a zero bandgap semiconductor (i.e., a semimetal), with the density of states at the Fermi level being zero, located at the point where the top of the valence band reaches the bottom of the conduction band (forming a Dirac cone) . Due to the low density of states near the Dirac, a shift in the Fermi level is particularly susceptible to charge transfer into such pristine graphene. The electronic structure also leads to the quantum Hall effect, for example. For certain embodiments, particularly the Hall sensor configurations described herein, a graphene monolayer is therefore particularly preferred and benefits most from the present invention. However, two or more layers of graphene (a so-called graphene layer structure) can be used.
Im ersten Schritt des Verfahrens kann das Bereitstellen des Graphens der plasmaätzbaren Schichtstruktur durch jedes im Stand der Technik bekannte Verfahren erreicht werden. Die plasmaätzbare Schichtstruktur, die Graphen einschließt, wird jedoch direkt auf der Oberfläche des Substrats synthetisiert und beinhaltet daher keine physikalischen Übertragungsschritte. Vorzugsweise werden das Graphen und jede andere 2D-Materialschicht durch CVD oder MOCVD-Wachstum gebildet. Besonders bevorzugt wird das Graphen durch VPE oder MOCVD gebildet. MOCVD ist ein Begriff, der verwendet wird, um ein System zu beschreiben, das für ein bestimmtes Verfahren zum Abscheiden von Schichten auf einem Substrat verwendet wird. Während das Akronym für metallorganische chemische Gasphasenabscheidung steht, ist MOCVD ein Begriff in der Technik und bezieht sich auf den allgemeinen Prozess und die dafür verwendeten Vorrichtungen und wird nicht notwendigerweise als auf die Verwendung von metallorganischen Reaktanten oder zur Herstellung von metallorganischen Materialien beschränkt betrachtet, sondern würde bei der Bildung von Graphen lediglich die Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Vorläufers erfordern. Stattdessen weist die Verwendung dieses Begriffs den Fachmann auf einen allgemeinen Satz von Prozess- und Vorrichtungsmerkmalen hin. Ferner unterscheidet sich MOCVD aufgrund der Systemkomplexität und der Genauigkeit von CVD-Techniken. Während CVD-Techniken die Durchführung von Reaktionen mit einfachen Stöchiometrien und Strukturen ermöglichen, ermöglicht MOCVD die Herstellung komplizierter Stöchiometrien und Strukturen. Ein MOCVD-System unterscheidet sich von einem CVD-System zumindest durch die Gasverteilungssysteme, die Heizungs- und Temperaturregelungssysteme und die chemischen Regelungssysteme. Ein MOCVD-System kostet typischerweise mindestens das 10-fache eines typischen CVD-Systems. MOCVD wird besonders bevorzugt, um Graphenschichtstrukturen hoher Qualität zu erzielen.In the first step of the method, providing the graphene of the plasma-etchable layer structure can be achieved by any method known in the art. However, the plasma-etchable layer structure including graphene is synthesized directly on the surface of the substrate and therefore does not involve any physical transfer steps. Preferably, the graphene and any other 2D material layer are formed by CVD or MOCVD growth. The graphene is particularly preferably formed by XLPE or MOCVD. MOCVD is a term used to describe a system used for a specific process of depositing layers on a substrate. While the acronym stands for organometallic chemical vapor deposition, MOCVD is a term in the art and refers to the general process and devices used for it and is not necessarily considered to be limited to the use of organometallic reactants or to produce organometallic materials, but would require only the use of a carbon-containing precursor in the formation of graphene. Instead, the use of this term directs those skilled in the art to a general set of process and device characteristics. Furthermore, MOCVD differs from CVD techniques due to system complexity and accuracy. While CVD techniques enable reactions to be carried out with simple stoichiometries and structures, MOCVD enables the production of complicated stoichiometries and structures. A MOCVD system differs from a CVD system at least in the gas distribution systems, the heating and temperature control systems, and the chemical control systems. A MOCVD system typically costs at least 10 times more than a typical CVD system. MOCVD is particularly preferred to achieve high quality graphene layer structures.
MOCVD kann auch leicht von Techniken der Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition - ALD) unterschieden werden. ALD beruht auf schrittweisen Reaktionen von Reagenzien mit dazwischenliegenden Spülschritten, die verwendet werden, um unerwünschte Nebenprodukte und/oder überschüssige Reagenzien zu entfernen. Sie beruht nicht auf Zersetzung oder Dissoziation des Reagens in der Gasphase. Sie ist insbesondere bei Verwendung von Reagenzien mit niedrigen Dampfdrücken wie Silanen ungeeignet, deren Entfernung aus der Reaktionskammer zu viel Zeit in Anspruch nehmen würde. Das MOCVD-Wachstum von Graphen wird in der Patentschrift
Das Verfahren von
Dementsprechend ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Schritt des Bereitstellens einer plasmaätzbaren Schichtstruktur auf einem plasmabeständigen Substrat ein Schritt des Bildens einer Graphenschichtstruktur, umfassend:
- Bereitstellen des plasmabeständigen Substrats auf einem beheizten Suszeptor in einer Reaktionskammer, wobei die Kammer eine Vielzahl von gekühlten Einlässen aufweist, die so angeordnet sind, dass die Einlässe im Gebrauch über das Substrat verteilt sind und eine konstante Trennung von dem Substrat aufweisen,
- Zuführen einer Strömung, die eine Vorläuferverbindung umfasst, durch die Einlässe und in die Reaktionskammer, um dadurch die Vorläuferverbindung zu zersetzen und das Graphen auf dem Substrat zu bilden,
- wobei die Einlässe auf weniger
als 100 °C, vorzugsweise von 50 °C bis 60 °C, gekühlt werden und der Suszeptor auf eine Temperatur von mindestens 50 °C über einer Zersetzungstemperatur des Vorläufers erwärmt wird.
- Providing the plasma resistant substrate on a heated susceptor in a reaction chamber, the chamber having a plurality of cooled inlets arranged such that the inlets are distributed throughout the substrate in use and have a constant separation from the substrate,
- supplying a flow comprising a precursor compound through the inlets and into the reaction chamber to thereby decompose the precursor compound and form the graphene on the substrate,
- wherein the inlets are cooled to less than 100°C, preferably from 50°C to 60°C, and the susceptor is heated to a temperature of at least 50°C above a decomposition temperature of the precursor.
Ein solches Verfahren ermöglicht die Herstellung von außerordentlich hochwertigem, naturreinem Graphen, das für große Substrate und die Herstellung eines Arrays elektronischer Vorrichtungsvorläufer skalierbar ist. Wie hierin beschrieben, ist ein solches naturreines Graphen für die Verwendung in Hall-Sensor-Anwendungen aufgrund des resultierenden Quanten-Hall-Effekts vorteilhaft, was aus einer einzigartigen elektronischen Struktur des naturreinen Graphens resultiert.Such a process enables the production of exceptionally high-quality, naturally pure graphene that is scalable to large substrates and the fabrication of an array of electronic device precursors. As described herein, such pristine graphene is advantageous for use in Hall sensor applications due to the resulting quantum Hall effect resulting from a unique electronic structure of the pristine graphene.
Wie hierin beschrieben, sind Saphir und Silizium bevorzugte Substrate, insbesondere für Graphen, das nach dem Verfahren von WO 2017/ 029470 hergestellt wird. Es versteht sich, dass ein Siliziumsubstrat ein CMOS-Substrat einschließen kann, das ein Substrat auf Siliziumbasis ist, wobei Graphen auf einer Siliziumoberfläche abgeschieden wird, obwohl ein CMOS-Substrat verschiedene zusätzliche Schichten oder Schaltlogik einschließen kann, die darin eingebettet sind. Saphir ist ein besonders bevorzugtes Substrat. Am stärksten bevorzugt ist R-Ebenen-Saphir. Wie in der Technik bekannt, bezieht sich r-Ebene auf die kristallographische Ausrichtung der Oberfläche des Substrats (d. h. die Oberfläche, auf der Graphen abgeschieden wird). Ein solches Substrat eignet sich besonders zum Bereitstellen hochwertigen Graphens, insbesondere für Sensoren wie Hall-Effekt-Sensoren, wie hierin beschrieben. Dies ist zum Teil auf die Wirkung des Substrats auf die resultierende Ladungsträgerdichte des darauf abgeschiedenen Graphens zurückzuführen. Die Erfinder haben festgestellt, dass r-Ebenen-Saphir Graphen mit einer besonders niedrigen Ladungsträgerdichte bereitstellt. Vorzugsweise ist die Ladungsträgerdichte der einen oder der mehreren Graphenschichten kleiner als 1012 cm-2, vorzugsweise kleiner als 8 × 1011 cm-2. As described herein, sapphire and silicon are preferred substrates, particularly for graphene produced by the process of WO 2017/029470. It is understood that a silicon substrate may include a CMOS substrate, which is a silicon-based substrate with graphene deposited on a silicon surface, although a CMOS substrate may include various additional layers or circuitry embedded therein. Sapphire is a particularly preferred substrate. Most preferred is R-plane sapphire. As is known in the art, r-plane refers to the crystallographic orientation of the surface of the substrate (i.e., the surface on which graphene is deposited). Such a substrate is particularly suitable for providing high quality graphene, particularly for sensors such as Hall effect sensors as described herein. This is due in part to the effect of the substrate on the resulting carrier density of the graphene deposited on it. The inventors have found that r-plane sapphire provides graphene with a particularly low carrier density. Preferably, the charge carrier density of the one or more graphene layers is less than 10 12 cm -2 , preferably less than 8 × 10 11 cm -2 .
Zum Beispiel kann bei Verwendung von r-Ebenen-Saphir eine Ladungsträgerdichte von weniger als 6 × 1011 cm-2 erhalten werden, vorzugsweise weniger als 5 × 1011 cm-2.For example, when using r-plane sapphire, a carrier density of less than 6 × 10 11 cm -2 can be obtained, preferably less than 5 × 10 11 cm -2 .
Das 2D-Material der plasmaätzbaren Schichtstruktur kann ein dotiertes 2D-Material sein. Nur beispielhaft gilt, wenn das 2D-Material Graphen und dotiert ist, wird das Graphen vorzugsweise mit einem oder mehreren Elementen dotiert, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Silicium, Magnesium, Zink, Arsen, Sauerstoff, Bor, Brom und Stickstoff besteht. Ebenso kann das Verfahren dann vorzugsweise das Einführen eines Dotierelements in die Reaktionskammer und das Auswählen einer Temperatur des Substrats, eines Drucks der Reaktionskammer und einer Gasdurchflussrate umfassen, um ein dotiertes Graphen zu erzeugen. Vorzugsweise enthält der Vorläufer für das Wachstum von dotiertem Graphen das Dotierungselement. Alternativ werden der Vorläufer, der die Spezies umfasst (die beispielsweise Kohlenstoff für das Graphenwachstum und Silizium für das Silicen-Wachstum ist) und ein oder mehrere weitere Vorläufer, die das Dotierungselement umfassen, innerhalb der Reaktionskammer in das Substrat eingebracht, wobei der zweite Vorläufer ein Gas ist oder in Gas suspendiert ist, um dotiertes Graphen zu erzeugen. Die Abscheidung eines plasmabeständigen Dielektrikums kann selbst zu einer Dotierung des 2D-Material führen. Dementsprechend kann die Bereitstellung eines dotierten 2D-Materials verwendet werden, um jegliche Dotierungswirkung durch das Strukturieren auf einem Dielektrikum zu kompensieren.The 2D material of the plasma-etchable layer structure can be a doped 2D material. By way of example only, if the 2D material is graphene and is doped, the graphene is preferably doped with one or more elements selected from the group consisting of silicon, magnesium, zinc, arsenic, oxygen, boron, bromine and nitrogen . Likewise, the method may then preferably include introducing a doping element into the reaction chamber and selecting a temperature of the substrate, a pressure of the reaction chamber and a gas flow rate to produce a doped graphene. Preferably, the doped graphene growth precursor contains the dopant element. Alternatively, the precursor comprising the species (which is, for example, carbon for graphene growth and silicon for silicene growth) and one or more further precursors comprising the doping element are introduced into the substrate within the reaction chamber, the second precursor being a Gas is or is suspended in gas to produce doped graphene. The deposition of a plasma-resistant dielectric can itself lead to doping of the 2D material. Accordingly, the provision of a doped 2D material can be used to compensate for any doping effect by patterning on a dielectric.
Die plasmaätzbare Schichtstruktur wird auf einem plasmabeständigen Substrat bereitgestellt. Mit anderen Worten liegt die Schichtstruktur ohne dazwischenliegende Schicht direkt auf dem Substrat. Die Schichtstruktur aus 2D-Materialschichten stellt die Schichtstruktur mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen bereit, eine erste oder untere Oberfläche ist die Oberfläche, die in direktem Kontakt mit dem Substrat steht. Somit liegt eine zweite oder obere Oberfläche frei und vorzugsweise ist mindestens diese Schicht eine Graphenschicht.The plasma-etchable layer structure is provided on a plasma-resistant substrate. In other words, the layer structure lies directly on the substrate without an intermediate layer. The layered structure of 2D material layers provides the layered structure with two opposing surfaces, a first or bottom surface is the surface that is in direct contact with the substrate. Thus, a second or upper surface is exposed and preferably at least this layer is a graphene layer.
Plasmabeständige Substrate sind im Stand der Technik gut bekannt. Keramikmaterialien wie Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Siliziumoxid sind besonders plasmabeständig. Standardkristalline Siliziumwafer können als Keramik betrachtet werden und sind plasmabeständig. Kristalline 111-V-Halbleiter sind ebenfalls plasmabeständig und können als Substrate für spezifische Anwendungen wie LEDs bevorzugt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das plasmabeständige Substrat Saphir, Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Germanium oder ein III-V-Halbleiter, noch stärker bevorzugt Saphir oder Silizium.Plasma resistant substrates are well known in the art. Ceramic materials such as silicon carbide, silicon nitride and silicon oxide are particularly plasma resistant. Standard crystalline silicon wafers can be considered ceramic and are plasma resistant. Crystalline 111V semiconductors are also plasma resistant and may be preferred as substrates for specific applications such as LEDs. In a preferred embodiment, the plasma-resistant substrate is sapphire, silicon, silicon dioxide, silicon nitride, silicon carbide, germanium or a III-V semiconductor, even more preferably sapphire or silicon.
In einer bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich die Ätzrate der Schichtstruktur und des Substrats um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise, 102 und noch stärker bevorzugt 103. Somit wird unabhängig vom spezifischen Widerstand des Substrats zu einer gegebenen Plasmabehandlung die Schichtstruktur deutlich schneller geätzt als das Substrat, was zu einem vollständigen Ätzen der freiliegenden Schichtstruktur und zu einem vernachlässigbaren Verlust der Substratoberfläche über die Zeit, die für die Plasmaätzung erforderlich ist, führt.In a preferred embodiment, the etching rate of the layer structure and the substrate differs by at least a factor of 10, preferably 10 2 and even more preferably 10 3 . Thus, regardless of the resistivity of the substrate for a given plasma treatment, the layer structure is etched significantly faster than the substrate, resulting in complete etching of the exposed layer structure and negligible loss of substrate surface over the time required for the plasma etching.
Vorzugsweise weist die plasmaätzbare Schichtstruktur eine Ätzrate auf, die größer ist als 0,345 nm pro Minute beträgt. Die Plasmaätzrate kann unter Verwendung des Sauerstoff-Plasmaätzens mit 40 W Leistung und einer Durchflussrate von O2 von 6 sccm gemessen werden. Daher wird eine Graphenschicht (mit einer idealen Dicke von 0,345 nm) unter diesen Bedingungen in einer Minute geätzt. Vorzugsweise ist die Ätzrate größer als 0,5 nm pro Minute. Dementsprechend kann das plasmabeständige Substrat vorzugsweise eine Ätzrate von weniger als 0,1 nm pro Minute aufweisen, vorzugsweise weniger als 0,01 nm pro Minute.Preferably, the plasma-etchable layer structure has an etching rate that is greater than 0.345 nm per minute. The plasma etching rate can be measured using oxygen plasma etching with 40 W power and a flow rate of O 2 of 6 sccm. Therefore, a graphene layer (with an ideal thickness of 0.345 nm) is etched in one minute under these conditions. Preferably the etch rate is greater than 0.5 nm per minute. Accordingly, the plasma-resistant substrate may preferably have an etch rate of less than 0.1 nm per minute, preferably less than 0.01 nm per minute.
Das Verfahren umfasst ferner einen Schritt des Strukturierens eines plasmabeständigen Dielektrikums auf die freiliegende obere Oberfläche, um ein Zwischenprodukt mit mindestens einem bedeckten Bereich und mindestens einem unbedeckten Bereich der Schichtstruktur zu bilden. Wie hierin in Bezug auf das plasmabeständige Substrat beschrieben, kann ein plasmabeständiges Dielektrikum jedes in der Technik bekannte und sein Plasmawiderstand sein, gemessen durch den gleichen Parameter (d. h. in Bezug auf die Schichtstruktur und/oder eine Ätzrate). Typischerweise ist dies ein anorganisches Dielektrikum (d. h. eines, das keine Kohlenstoff-Wasserstoffbindung umfasst), wie eine Keramik. Eine Keramik kann als anorganisches Oxid, Nitrid, Carbid, Fluorid oder Sulfid betrachtet werden und weist oft eine kristalline Struktur auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das plasmabeständige Dielektrikum ein anorganisches Oxid, Nitrid, Carbid, Fluorid oder Sulfid und ist vorzugsweise Aluminiumoxid (Aluminiumoxid), Kieselsäure (Siliziumdioxid) oder Siliziumnitrid. The method further includes a step of patterning a plasma-resistant dielectric onto the exposed top surface to form an intermediate product having at least one covered area and at least one uncovered area of the layered structure. As described herein with respect to the plasma resistant substrate, a plasma resistant dielectric may be any known in the art and its plasma resistance measured by the same parameter (i.e., in terms of layer structure and/or an etch rate). Typically this is an inorganic dielectric (i.e. one that does not involve a carbon-hydrogen bond), such as a ceramic. A ceramic can be considered an inorganic oxide, nitride, carbide, fluoride or sulfide and often has a crystalline structure. In a preferred embodiment, the plasma-resistant dielectric is an inorganic oxide, nitride, carbide, fluoride or sulfide and is preferably aluminum oxide (alumina), silica (silicon dioxide) or silicon nitride.
Anorganische Dielektrika sind besonders bevorzugt, insbesondere keramische Dielektrika, da diese deutlich verbesserte Barriereeigenschaften gegenüber organischen dielektrischen Materialien wie PMMA bereitstellen. Somit kann die dielektrische Schicht in dem Vorläufer der endgültigen elektronischen Vorrichtung behalten werden, um die Schichtstruktur vor Kontamination aus atmosphärischen Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff und Wasserdampf, zu schützen. Diese luft- und feuchtigkeitsbeständige Beschichtung stellt eine Barriere gegenüber einer unbeabsichtigten Dotierung über einen erheblich größeren Zeitraum bereit, was zu einer verbesserten Lebensdauer der Vorrichtung führt. Darüber hinaus können anorganische Materialien wie Keramik breite Temperaturschwankungen sowie den Betrieb bei sehr hohen Temperaturen standhalten und ermöglichen die Verwendung der elektronischen Vorrichtung unter extremen Bedingungen ohne Risiko einer Beschädigung und einer eventuellen Kontamination der Schichtstruktur, die ansonsten zu einer Drift der Vorrichtungsleistung führen würde (was eine Neukalibrierung erfordern könnte oder einfach zu einem Vorrichtungsausfall führen könnte).Inorganic dielectrics are particularly preferred, especially ceramic dielectrics, since these provide significantly improved barrier properties compared to organic dielectric materials such as PMMA. Thus, the dielectric layer may be retained in the precursor of the final electronic device to protect the layer structure from contamination from atmospheric contaminants, particularly oxygen and water vapor. This air and moisture resistant coating provides a barrier to inadvertent doping over a significantly longer period of time, resulting in improved device life. In addition, inorganic materials such as ceramics can withstand wide temperature fluctuations as well as operation at very high temperatures, allowing the electronic device to be used under extreme conditions without risk of damage and eventual contamination of the layered structure, which would otherwise result in device performance drift (which is a may require recalibration or could simply result in device failure).
Das plasmabeständige Dielektrikum wird auf die freiliegende obere Oberfläche der plasmaätzbaren Schichtstruktur strukturiert. Das heißt, dass das plasmabeständige Dielektrikum gleichzeitig strukturiert wird, wobei es auf der freiliegenden oberen Oberfläche der plasmaätzbaren Schichtstruktur abgeschieden wird. Wie hierin beschrieben, ist es besonders bevorzugt, dass dies durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) erreicht wird. PVD ist eine wohlbekannte Technik. Das Strukturieren führt zu der Bildung des Dielektrikums über einem Abschnitt der Oberfläche, wodurch eine oder mehrere bedeckte Regionen und eine oder mehrere unbedeckte Regionen der Schichtstruktur gebildet werden (Bereitstellen eines Zwischenprodukts bei der Herstellung des Vorrichtungsvorläufers). In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bilden eines Arrays von bedeckten Regionen, die jeweils einem Vorläufer einer elektronischen Vorrichtung entsprechen. Eine solche Strukturierung, um ein Array von bedeckten Regionen zu bilden, kann das Verwenden einer Maske (d. h. einer Schattenmaske) umfassen, um dadurch das Dielektrikum in einer Vielzahl von Regionen auszubilden. Die Bildung mindestens eines bedeckten Bereichs führt dazu, dass die unbedeckten Regionen der Rest der Schichtstruktur bilden. Dementsprechend bietet dies in der Regel, wenn ein Array von bedeckten Regionen auf der Schichtstruktur strukturiert ist, mindestens einen einzigen kontinuierlichen unbedeckten Bereich, der die bedeckten Regionen trennt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird während des Strukturierungsschritts nur eine unbedeckte Region gebildet, da der hierin beschriebene Schritt des Plasmaätzens dann zur Bildung einer kontinuierlichen äußeren Randoberfläche der Schichtstruktur für jeden Vorläufer für elektronische Vorrichtungen führt (d. h. zur Bildung einer „gefüllten“ 2D-Form mit einer Außenkante). In einigen Ausführungsformen kann jedoch das 2D-förmige und gemustertes Dielektrikum einen unbedeckten Abschnitt darin aufweisen, der nach dem Ätzen eine innere und eine äußere Kante an die Graphenschicht bereitstellt.The plasma-resistant dielectric is patterned onto the exposed upper surface of the plasma-etchable layer structure. That is, the plasma-resistant dielectric is simultaneously patterned, being deposited on the exposed top surface of the plasma-etchable layer structure. As described herein, it is particularly preferred that this be achieved by physical vapor deposition (PVD). PVD is a well-known technique. Patterning results in the formation of the dielectric over a portion of the surface, thereby forming one or more covered regions and one or more uncovered regions of the layered structure (providing an intermediate in the fabrication of the device precursor). In a preferred embodiment, the method includes forming an array of covered regions, each corresponding to a precursor of an electronic device. Such patterning to form an array of covered regions may include using a mask (ie, a shadow mask) to thereby form the dielectric in a plurality of regions. The formation of at least one covered region results in the uncovered regions forming the remainder of the layered structure. Accordingly, this offers in the Typically, if an array of covered regions is patterned on the layered structure, at least a single continuous uncovered region separating the covered regions. In a preferred embodiment, only one uncovered region is formed during the patterning step, since the plasma etching step described herein then results in the formation of a continuous outer edge surface of the layered structure for each electronic device precursor (ie, the formation of a "filled" 2D shape with a outer edge). However, in some embodiments, the 2D shaped and patterned dielectric may have an uncovered portion therein that provides an inner and an outer edge to the graphene layer after etching.
Dementsprechend umfasst der Strukturierungsschritt in einer bevorzugten Ausführungsform das Bilden eines oder mehrerer rechteckiger Bereiche des plasmabeständigen Dielektrikums. Ein solches Strukturieren des Dielektrikums und anschließend des 2D-Materials bedeutet, dass der elektronische Vorrichtungsvorläufer zum Bilden eines Transistors besonders bevorzugt ist. Der Vorläufer der elektronischen Vorrichtung kann dann vorzugsweise ferner einen dritten Kontakt, einen Gate-Kontakt umfassen. Ein Gate-Kontakt kann beispielsweise auf dem plasmabeständigen Dielektrikum oder der Beschichtung (wenn vorhanden) als sogenanntes „Front-Gate“ oder alternativ auf der Unterseite des Substrats als sogenanntes „Back-Gate“ bereitgestellt sein. Wenn es an der Unterseite des Substrats bereitgestellt wird, wird das 2D-Material auf einem isolierenden Bereich der Substratoberfläche bereitgestellt. SiO2, SiO2/Si und Siliziumsubstrate mit „eingebetteten“ SiO2-Regionen (sowie Siliziumnitrid-Äquivalente) sind beispielhafte Substrate, die zur Herstellung des Transistors der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Alternativ umfasst der Strukturierungsschritt in einer bevorzugten Ausführungsform das Bilden eines oder mehrerer Bereiche mit „Hall-Bar“- und/oder „Van-der-Pauw-Geometrien“ (solche Geometrien oder Formen sind im Stand der Technik gut bekannt und schließen beispielsweise einen Kreis, ein „Kleeblatt“, Quadrat, Rechteck und Kreuz), vorzugsweise kreuzförmige Bereiche, des plasmabeständigen Dielektrikums ein. Diese Geometrien sind im Stand der Technik für Hall-Sensoren bekannt (die mindestens benötigen 4 Kontakte), wobei das Kreuz die am stärksten bevorzugte Geometrie ist und somit der Vorläufer der elektronischen Vorrichtung vorzugsweise zum Bilden eines Hall-Sensors dient.Accordingly, in a preferred embodiment, the structuring step includes forming one or more rectangular regions of the plasma-resistant dielectric. Such structuring of the dielectric and subsequently the 2D material means that the electronic device precursor is particularly preferred for forming a transistor. The precursor of the electronic device can then preferably further comprise a third contact, a gate contact. A gate contact can be provided, for example, on the plasma-resistant dielectric or the coating (if present) as a so-called “front gate” or alternatively on the underside of the substrate as a so-called “back gate”. When provided at the bottom of the substrate, the 2D material is provided on an insulating area of the substrate surface. SiO 2 , SiO 2 /Si, and silicon substrates with "embedded" SiO 2 regions (as well as silicon nitride equivalents) are exemplary substrates that can be used to fabricate the transistor of the present invention. Alternatively, in a preferred embodiment, the structuring step includes forming one or more regions with “Hall Bar” and/or “Van der Pauw geometries” (such geometries or shapes are well known in the art and, for example, close a circle , a “cloverleaf”, square, rectangle and cross), preferably cross-shaped areas, of the plasma-resistant dielectric. These geometries are known in the art for Hall sensors (which require at least 4 contacts), with the cross being the most preferred geometry and thus the precursor of the electronic device is preferably used to form a Hall sensor.
In Ausführungsformen, die das Bilden eines Arrays von bedeckten Regionen umfassen, umfasst das Verfahren vorzugsweise ferner einen Schritt des Zerteilens des Substrats, um elektronische Vorrichtungsvorläufer von dem Array zu trennen. Somit können mehrere Vorrichtungsvorläufer gleichzeitig auf einem einzigen Substrat hergestellt werden und anschließend für die individuelle Verwendung zerteilt werden. Dieser Zerteilungsschritt wird vorzugsweise zum Ende des Prozesses hin durchgeführt.In embodiments that include forming an array of covered regions, the method preferably further comprises a step of dicing the substrate to separate electronic device precursors from the array. Thus, multiple device precursors can be fabricated simultaneously on a single substrate and then divided for individual use. This dividing step is preferably carried out towards the end of the process.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Strukturierens das Strukturieren des plasmabeständigen Dielektrikums durch physikalische Dampfabscheidung, wie z. B. e-Strahlverdampfung oder thermisches Verdampfen. Vorzugsweise wird e-Strahlverdampfung verwendet, um das plasmabeständige Dielektrikum zu strukturieren und vorzugsweise unter Verwendung einer Maske (d. h. einer Schattenmaske) durchzuführen. Ein solches Verfahren eignet sich besonders für die Abscheidung einer Aluminiumoxid- oder Siliziumdioxidresistenten dielektrischen Schicht auf 2D-Materialschichten.In a preferred embodiment of the present invention, the step of structuring includes structuring the plasma-resistant dielectric by physical vapor deposition, such as. B. e-jet evaporation or thermal evaporation. Preferably, e-beam evaporation is used to pattern the plasma resistant dielectric and is preferably performed using a mask (i.e., a shadow mask). Such a process is particularly suitable for the deposition of an aluminum oxide or silicon dioxide resistant dielectric layer on 2D material layers.
Vorzugsweise ist die Dicke des strukturierten Dielektrikums kleiner als 200 nm, vorzugsweise kleiner als 100 nm, stärker bevorzugt kleiner als 50 nm und/oder größer als 1 nm, vorzugsweise größer als 3 nm, stärker bevorzugt größer als 5 nm. Dementsprechend kann die dielektrische Schicht eine Dicke zwischen 1 nm und 200 nm aufweisen, vorzugsweise zwischen 3 nm und 100 nm und noch stärker bevorzugt zwischen 5 nm und 50 nm.Preferably, the thickness of the structured dielectric is less than 200 nm, preferably less than 100 nm, more preferably less than 50 nm and/or greater than 1 nm, preferably greater than 3 nm, more preferably greater than 5 nm. Accordingly, the dielectric layer have a thickness between 1 nm and 200 nm, preferably between 3 nm and 100 nm and even more preferably between 5 nm and 50 nm.
Das Verfahren umfasst ferner das Unterziehen des Zwischenprodukts einer Plasmaätzung, wobei der mindestens eine unbedeckte Bereich der Schichtstruktur weggeätzt wird, um mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur mit einer freiliegenden Randoberfläche zu bilden. Der Schritt des Plasmaätzens führt zu allen unbedeckten Regionen der plasmaätzbaren Schichtstruktur, die geätzt werden, wodurch das darunter liegende Substrat in diesen Bereichen freigelegt wird. Das plasmabeständige Dielektrikum verhindert das Ätzen der Schichtstruktur in den bedeckten Regionen und daher führt das Plasmaätzen zur Bildung einer freiliegenden Kante der Schichtstruktur, gleichzeitig mit der Form des gemusterten Dielektrikums darauf. Somit, wie hierin beschrieben, erstrecken sich 2D-Materialschichten über (und unter) die bedeckten Regionen der Schichtstruktur zur freiliegenden Randoberfläche. Dementsprechend definiert die Form oder das Muster des Dielektrikums die Form der geätzten 2D-Materialschicht.The method further comprises subjecting the intermediate product to a plasma etching, wherein the at least one uncovered region of the layer structure is etched away to form at least one covered region of the layer structure with an exposed edge surface. The plasma etching step results in all uncovered regions of the plasma etchable layer structure being etched, exposing the underlying substrate in those areas. The plasma resistant dielectric prevents etching of the layered structure in the covered regions and therefore the plasma etching results in the formation of an exposed edge of the layered structure simultaneously with the shape of the patterned dielectric thereon. Thus, as described herein, 2D material layers extend above (and below) the covered regions of the layered structure to the exposed edge surface. Accordingly, the shape or pattern of the dielectric defines the shape of the etched 2D material layer.
Plasmaätzen ist ein typischer Prozess, der bei der Herstellung elektronischer Vorrichtungen und integrierter Schaltungen verwendet wird. Plasmaätzen beinhaltet den Fluss eines Plasmas einer geeigneten Gasmischung über das Substrat, wobei das Plasma aus dem Aufbringen einer HF über zwei Elektroden, typischerweise unter niedrigem Druck, gebildet wird. Bei der Sauerstoffplasmaätzung ionisiert die HF-Strahlung das Gas, um Sauerstoffradikale zu bilden, die die Schichtstruktur ätzen. Die auch im Stand der Technik als „Asche“ bekannten Nebenprodukte werden durch eine Pumpe entfernt, die überwiegend Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sind, wenn eine Graphenschichtstruktur durch Sauerstoff-Plasmaätzen geätzt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Plasmaätzen ein Sauerstoff-Plasmaätzen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sauerstoff-Plasmaätzung das Verwenden mindestens 5 W HF-Leistung, vorzugsweise mindestens 10 W und stärker bevorzugt mindestens 20 W, und vorzugsweise kleiner als 200 W, vorzugsweise kleiner als 100 W. Die Flussrate von O2 kann mindestens 1 sccm betragen, vorzugsweise mindestens 3 sccm und/oder weniger als 50 sccm, vorzugsweise weniger als 30 sccm. Vorzugsweise beträgt der Kammerdruck mindestens 0,1 mbar und/oder maximal 100 mbar, vorzugsweise mindestens 0,2 mbar und/oder maximal 10 mbar. Dementsprechend kann die Zeit, die für das Plasmaätzen erforderlich ist, so gering wie möglich sein, etwa 1 Sekunde und/oder bis 5 Minuten. Vorzugsweise beträgt die erforderliche Zeit zumindest 10 Sekunden und/oder weniger als 2 Minuten.Plasma etching is a typical process used in the manufacturing of electronic devices and integrated circuits. Plasma etching involves the flow of a plasma of a suitable gas mixture over the substrate, the plasma being formed from the application of an RF across two electrodes, typically under low pressure. With oxygen plasma ionization, the RF radiation ionizes the gas to form oxygen radicals that etch the layered structure. The by-products, also known in the art as "ash", are removed by a pump, which are predominantly carbon monoxide and carbon dioxide, when a graphene layer structure is etched by oxygen plasma etching. In a preferred embodiment, the plasma etching comprises oxygen plasma etching. In a preferred embodiment, the oxygen plasma etching comprises using at least 5 W of RF power, preferably at least 10 W and more preferably at least 20 W, and preferably less than 200 W, preferably less than 100 W. The flow rate of O 2 may be at least 1 sccm, preferably at least 3 sccm and/or less than 50 sccm, preferably less than 30 sccm. The chamber pressure is preferably at least 0.1 mbar and/or a maximum of 100 mbar, preferably at least 0.2 mbar and/or a maximum of 10 mbar. Accordingly, the time required for plasma etching can be as short as possible, about 1 second and/or up to 5 minutes. Preferably the time required is at least 10 seconds and/or less than 2 minutes.
Schließlich umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung ferner einen Schritt des Bildens eines ohmschen Kontakts (d. h. mindestens eines ohmschen Kontakts) in direktem Kontakt mit einem Abschnitt der freiliegenden Randoberfläche. Weitere Kontakte können auch gebildet und gleichzeitig gebildet werden. In diesem Fall werden auch weitere Kontakte in direktem Kontakt mit der freiliegenden Randoberfläche bereitgestellt, aber getrennt zu anderen Kontakten (d. h. die Kontakte stehen nicht miteinander in Kontakt). Vorzugsweise sind der eine oder die mehreren ohmschen Kontakte Metallkontakte, die vorzugsweise eines oder mehrere von Titan, Aluminium, Chrom und umfassen. Vorzugsweise sind die Kontakte Titan- und/oder Goldmetallkontakte. Die Kontakte können durch jede Standardtechnik wie Elektronenstrahlabscheidung gebildet werden, vorzugsweise unter Verwendung einer Maske.Finally, the method of the present invention further includes a step of forming an ohmic contact (i.e., at least one ohmic contact) in direct contact with a portion of the exposed edge surface. Additional contacts can also be formed and formed at the same time. In this case, additional contacts are also provided in direct contact with the exposed edge surface, but separate from other contacts (i.e., the contacts are not in contact with each other). Preferably, the one or more ohmic contacts are metal contacts, preferably comprising one or more of titanium, aluminum, and chromium. Preferably the contacts are titanium and/or gold metal contacts. The contacts can be formed by any standard technique such as electron beam deposition, preferably using a mask.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die dielektrische Schicht das zugrunde liegende 2D-Material nicht nur vor atmosphärischer Kontamination schützt, sondern auch verhindert, dass sich die Kontakte auf der Oberfläche des 2D-Materials bilden. Daher ist das 2D-Material im Wesentlichen vor der Metalldotierung geschützt, da der Kontakt nur am freiliegenden Rand erfolgt und durch die Vermeidung von Nasslithographietechniken, einschließlich der Vermeidung von Ätzmitteln wie BOE, ein verbesserter Kontakt zwischen dem ohmschen Kontakt und dem Graphen erreicht werden kann. Darüber hinaus haben die Erfinder festgestellt, dass die Ladungsinjektion am Rand des 2D-Materials als Resultat signifikant effizienter ist.The inventors have found that the dielectric layer not only protects the underlying 2D material from atmospheric contamination, but also prevents the contacts from forming on the surface of the 2D material. Therefore, the 2D material is essentially protected from metal doping since contact occurs only at the exposed edge and by avoiding wet lithography techniques, including avoiding etchants such as BOE, improved contact between the ohmic contact and the graphene can be achieved. Furthermore, the inventors have found that charge injection at the edge of the 2D material is significantly more efficient as a result.
Während die schützende dielektrische Schicht dazu dient, die Kontamination der Graphenoberfläche zu begrenzen und dennoch sehr wirksam ist, insbesondere über lange Zeiträume, haben die Erfinder festgestellt, dass die freiliegenden Ränder einen Weg für Kontamination und Dotierung des 2D-Materials bereitstellen können. Während dieser Prozess deutlich langsamer ist als die Oberflächendotierung und auch nur in begrenztem Umfang auftreten kann, haben die Erfinder festgestellt, dass Stabilität und Lebensdauer weiter verbessert werden können, indem eine weitere Schutzschicht oder eine Beschichtung bereitgestellt wird, die luft- (und feuchtigkeits-) beständig ist. Wie hierin beschrieben, kann für Vorrichtungen wie Hall-Sensoren die Funktion von Vorrichtungen basierend auf 2D-Materialien sehr empfindlich gegenüber Veränderungen der Ladungsträgerdichte sein (d. h. durch die Dotierung durch Verunreinigungen, hauptsächlich Sauerstoff und Wasserdampf, die atmosphärische Verunreinigungen sind). Die Erfinder haben festgestellt, dass Vorrichtungen, die auf Formen mit vielen Rändern, wie der Querschnittsform eines Hall-Sensors, basieren, anfälliger für Kontamination sind und daher stark von einer weiteren Beschichtung profitieren. Folglich stellt das Verfahren robustere Vorrichtungen als die des Stands der Technik bereit.While the protective dielectric layer serves to limit contamination of the graphene surface and is still very effective, especially over long periods of time, the inventors have found that the exposed edges can provide a pathway for contamination and doping of the 2D material. While this process is significantly slower than surface doping and can only occur on a limited scale, the inventors have found that stability and durability can be further improved by providing a further protective layer or a coating that is air (and moisture) resistant. is consistent. As described herein, for devices such as Hall sensors, the operation of devices based on 2D materials can be very sensitive to changes in carrier density (i.e., due to doping by impurities, primarily oxygen and water vapor, which are atmospheric contaminants). The inventors have found that devices based on shapes with many edges, such as the cross-sectional shape of a Hall sensor, are more susceptible to contamination and therefore benefit greatly from further coating. Consequently, the method provides more robust devices than those of the prior art.
Dementsprechend umfasst das hierin beschriebene Verfahren vorzugsweise ferner, entweder vor oder nach dem Bilden des einen oder der mehreren ohmschen Kontakte, einen Schritt des Bildens einer Beschichtung, um die Schichtstruktur (und ihr strukturiertes Dielektrikum) mit einer kontinuierlichen luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen. Die durchgehende luftbeständige Beschichtung beschichtet daher mindestens die Schichtstruktur (umfassend die geätzten 2D-Materialschichten und strukturiertes Dielektrikum) und angrenzende Regionen des Substrats, um die Schichtstruktur zu umschließen und alle verbleibenden Abschnitte des freiliegenden Rands zu schützen (d. h. alle Ränder, die nicht in direktem Kontakt mit dem ohmschen Kontakt stehen). Wie hierin beschrieben, kann die Beschichtung so strukturiert sein, dass sie einen Abschnitt des Kontakts verlässt, der für die Verbindung mit einer Schaltung freigelegt ist. Alternativ kann die Beschichtung über dem Substrat gebildet werden und gesamte Substrat beschichten, durch die gesamte Schichtstruktur (und die Ränder) und alle der einen oder mehreren Kontakte.Accordingly, the method described herein preferably further comprises, either before or after forming the one or more ohmic contacts, a step of forming a coating to provide the layered structure (and its patterned dielectric) with a continuous air-resistant coating. The continuous air-resistant coating therefore coats at least the layered structure (comprising the etched 2D material layers and patterned dielectric) and adjacent regions of the substrate to enclose the layered structure and protect any remaining portions of the exposed edge (i.e., any edges that are not in direct contact with the ohmic contact). As described herein, the coating may be structured to leave a portion of the contact exposed for connection to circuitry. Alternatively, the coating may be formed over the substrate and coat the entire substrate, through the entire layer structure (and edges) and all of the one or more contacts.
Die luftbeständige Beschichtung kann als hermetische Beschichtung bezeichnet werden. Die Beschichtung kann durch eine Sauerstoffübertragungsrate von weniger als 10-1 cm3/ m2/Tag/atm, vorzugsweise kleiner als 10-3 cm3/m2/Tag/atm und stärker bevorzugt weniger als 10-5 cm3/m2/Tag/atm charakterisiert sein. Die luftbeständige Beschichtung kann auch durch eine Wasserdampfdurchlässigkeitsrate von weniger als 10-2 g/m2/Tag, vorzugsweise kleiner als 10-4 g/m2/Tag, stärker bevorzugt weniger als 10-5 g/m2/Tag charakterisiert sein. Solche Übertragungsraten werden im Allgemeinen wie erforderlich für die Verwendung in elektronischen Vorrichtungen wie LEDs akzeptiert, wobei die bevorzugteren Übertragungsraten für OLED und Hall-Sensoren erforderlich sind.The air-resistant coating can be called a hermetic coating. The coating can have an oxygen transfer rate of less than 10 -1 cm 3 /m 2 /day/atm, preferably less than 10 -3 cm 3 /m 2 /day/atm and more preferably be characterized as less than 10 -5 cm 3 /m 2 /day/atm. The air-resistant coating may also be characterized by a water vapor transmission rate of less than 10 -2 g/m 2 /day, preferably less than 10 -4 g / m 2 /day, more preferably less than 10 -5 g/m 2 /day. Such transmission rates are generally accepted as required for use in electronic devices such as LEDs, with the more preferred transmission rates required for OLED and Hall sensors.
Die Erfinder haben auch festgestellt, dass die Verwendung von Plasmaätzen zum Ätzen der Schichtstruktur in den unbeschichteten Bereichen besonders vorteilhaft ist, wenn sie mit der weiteren Beschichtung kombiniert wird. Dies liegt daran, dass der Plasmaätzschritt nicht verursacht, dass Ablagerungen auf der Schichtstruktur oder dem Substrat gebildet werden, und die Substratoberflächenrauheit nicht beeinflusst (zum Beispiel durch Lochfraß), was aus alternativen Techniken wie dem Laserätzen resultieren kann. Dies wiederum führt zu einer signifikanten Verbesserung der Eigenschaften der Beschichtung.The inventors have also found that the use of plasma etching to etch the layer structure in the uncoated areas is particularly advantageous when combined with further coating. This is because the plasma etching step does not cause deposits to form on the layer structure or substrate and does not affect the substrate surface roughness (for example, through pitting), which can result from alternative techniques such as laser etching. This in turn leads to a significant improvement in the properties of the coating.
Vorzugsweise ist die Beschichtung ein anorganisches Oxid, Nitrid, Carbid, Fluorid oder Sulfid, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid. Vorzugsweise ist die Dicke der Beschichtung größer als 10 nm, vorzugsweise größer als 25 nm und stärker bevorzugt größer als 50 nm. Es gibt keine spezifische Obergrenze, auch wenn Dicken größer als 10 pm oder größer als 1 pm nur begrenzte weitere Schutzeigenschaften bereitstellen können, während das Gewicht und die Dicke des Vorrichtungsvorläufers einfach erhöht wird. Zusätzlich können die Abscheidungsraten durch ALD zum Beispiel ein langsamer Prozess sein, und dickere Beschichtungen würden die Herstellungszeit unangemessen verlängern. Dementsprechend wird eine ALD-Schichtdicke von nicht größer als 500 nm oder nicht größer als 100 nm auch bevorzugt. Preferably the coating is an inorganic oxide, nitride, carbide, fluoride or sulfide, preferably aluminum oxide or silicon dioxide. Preferably the thickness of the coating is greater than 10 nm, preferably greater than 25 nm and more preferably greater than 50 nm. There is no specific upper limit, although thicknesses greater than 10 pm or greater than 1 pm may provide only limited further protective properties, while the weight and thickness of the device precursor is simply increased. Additionally, deposition rates by ALD, for example, can be a slow process and thicker coatings would unduly increase manufacturing time. Accordingly, an ALD layer thickness of not greater than 500 nm or not greater than 100 nm is also preferred.
Die Erfinder haben unterschiedliche Lösungen für verschiedene Probleme gefunden, die bei der Herstellung solcher elektronischen Vorrichtungsvorläufer auftreten, die eine Beschichtung umfassen, wobei jede Lösung wie hierin beschrieben ihre eigenen Vorteile und Nachteile aufweist.The inventors have found different solutions to various problems encountered in the manufacture of such electronic device precursors that include coating, each solution having its own advantages and disadvantages as described herein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Bilden der Beschichtung nach dem ohmschen Kontakt und somit das Bilden des ohmschen Kontakts auf dem plasmabeständigen Substrat. In dieser Ausführung wird die Beschichtung durch Atomic Layer Deposition (ALD) über dem plasmabeständigen Substrat gebildet, um den mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur, den ohmschen Kontakt und die verbleibende freiliegende Randoberfläche mit einer durchgehenden luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen.A preferred embodiment of the present invention includes forming the coating after the ohmic contact and thus forming the ohmic contact on the plasma-resistant substrate. In this embodiment, the coating is formed by Atomic Layer Deposition (ALD) over the plasma resistant substrate to provide the at least one covered area of the layer structure, the ohmic contact and the remaining exposed edge surface with a continuous air resistant coating.
ALD ist eine im Stand der Technik bekannte Technik und umfasst die Reaktion von mindestens zwei Vorläufern in einer sequentiellen, selbst einschränkenden Weise. Wiederholte Zyklen an die separaten Vorläufer ermöglichen aufgrund des schichtweisen Wachstumsmechanismus das Wachstum eines dünnen Films auf konforme Weise (d. h. mit gleichmäßiger Dicke über das gesamte Substrat). Aluminiumoxid ist ein besonders bevorzugtes Beschichtungsmaterial und kann durch sequenzielle Exposition gegenüber Trimethylaluminium (TMA) und einer Sauerstoffquelle, vorzugsweise eines oder mehrere aus Wasser (H2O), O2 und Ozon (O3), gebildet werden, vorzugsweise mit Wasser. ALD ist besonders vorteilhaft, da eine Beschichtung zuverlässig über dem gesamten Substrat gebildet werden kann (d. h. es wird eine konforme Beschichtung bereitstellt). Die Erfinder haben jedoch auch festgestellt, dass, während eine ausgezeichnete Schutzbeschichtungsschicht durch ALD gebildet werden kann, die vollständige Beschichtung zu Problemen beim Schneiden führen kann, bei denen ein Array von elektronischen Vorrichtungsvorläufern auf dem Substrat hergestellt wird. Das Zerteilen (oder Schneiden) beinhaltet dann notwendigerweise das Zerteilen durch die Beschichtung, um die einzelnen Vorrichtungsvorläufer zu trennen, und dieser Prozess kann anfällig für das Einbringen von Mikrorissen in der Beschichtung sein.ALD is a technique known in the art and involves reacting at least two precursors in a sequential, self-limiting manner. Repeated cycles to the separate precursors allow the growth of a thin film in a conformal manner (i.e., with uniform thickness across the entire substrate) due to the layer-by-layer growth mechanism. Aluminum oxide is a particularly preferred coating material and can be formed by sequential exposure to trimethyl aluminum (TMA) and an oxygen source, preferably one or more of water (H 2 O), O 2 and ozone (O 3 ), preferably with water. ALD is particularly advantageous because a coating can be reliably formed over the entire substrate (ie, it provides a conformal coating). However, the inventors have also found that while an excellent protective coating layer can be formed by ALD, complete coating can lead to problems in cutting where an array of electronic device precursors is fabricated on the substrate. Dicing (or cutting) then necessarily involves dicing through the coating to separate the individual device precursors, and this process can be prone to introducing microcracks in the coating.
Eine solche Beschichtung beschichtet auch den gesamten Kontakt, wodurch der Kontakt abgedichtet wird. Die Erfinder haben dennoch festgestellt, dass das Drahtbonden verwendet werden kann, um die Beschichtung zu durchstechen und einen Draht an den Kontakt zu befestigen. Somit umfasst das Verfahren vorzugsweise ein Drahtbonden an den ohmschen Kontakten des Vorrichtungsvorläufers durch die Beschichtung. Während ALD eine besonders gleichmäßige Schutzschicht bereitstellt, kann die Beschichtung beim Durchstechen beschädigt werden, um den Drahtbondkontakt herzustellen.Such a coating also coats the entire contact, sealing the contact. The inventors have nevertheless discovered that wire bonding can be used to pierce the coating and attach a wire to the contact. Thus, the method preferably includes wire bonding to the ohmic contacts of the device precursor through the coating. While ALD provides a particularly uniform protective layer, the coating can be damaged when piercing to make the wire bond contact.
Somit entwickelt die Erfinder eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der ohmsche Kontakt noch vor der Beschichtung und damit auf dem plasmabeständigen Substrat ausgebildet ist, jedoch wird die Beschichtung durch Strukturieren einer Beschichtung auf dem plasmabeständigen Substrat gebildet, um den mindestens einen abgedeckten Bereich der Schichtstruktur und die verbleibende freiliegende Randoberfläche mit einer durchgehenden luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen.The inventors thus developed a further preferred embodiment in which ohmic contact is formed before the coating and thus on the plasma-resistant substrate, but the coating is formed by structuring a coating on the plasma-resistant substrate in order to cover the at least one covered area of the layer structure and the to provide remaining exposed edge surface with a continuous air-resistant coating.
Die Beschichtung wird vorzugsweise unter Verwendung der gleichen hierin beschriebenen Technik in Bezug auf die dielektrische Strukturierung strukturiert. Ein Unterschied besteht darin, dass das Muster geometrisch größer ist, um die freiliegenden Ränder der Schichtstruktur und damit den angrenzenden Abschnitt des Substrats sowie einen Abschnitt des Kontakts abzudecken, wodurch ein Abschnitt des Kontakts freigelegt wird. Das Strukturieren von beispielsweise Aluminiumoxid kann wiederum unter Verwendung von e-Strahlverdampfung durchgeführt werden.The coating is preferably carried out using the same as described herein Technology structured in terms of dielectric structuring. One difference is that the pattern is geometrically larger to cover the exposed edges of the layer structure and thus the adjacent portion of the substrate as well as a portion of the contact, thereby exposing a portion of the contact. Structuring of, for example, aluminum oxide can again be carried out using e-beam evaporation.
Diese Ausführungsform ist daher vorteilhaft, da die Abschnitte des Substrats zwischen benachbarten Schichtstrukturen eines Arrays (oder einfach Abschnitte des Substrats) freiliegen (und als „Straßen“ oder „Gesenkstreifen“ bezeichnet werden können). Somit kann das Substrat zerteilt werden, ohne dass die Beschichtung beschädigt wird. Da der Kontakt freiliegt, kann der Kontakt außerdem drahtgebunden sein, ohne dass das Risiko einer Beschädigung oder Rissbildung in der Beschichtung besteht, oder alternativ kann eine Lötkugel auf dem Kontakt abgeschieden werden.This embodiment is therefore advantageous because the portions of the substrate between adjacent layer structures of an array (or simply portions of the substrate) are exposed (and may be referred to as "roads" or "die strips"). The substrate can therefore be divided without damaging the coating. Additionally, because the contact is exposed, the contact can be wire bonded without risk of damage or cracking in the coating, or alternatively a solder ball can be deposited on the contact.
Im Gegensatz zu der Verwendung von ALD ist die Verdampfung weniger konform und die Gefahr besteht, dass die Ränder frei bleiben. Insbesondere ist die e-Strahlverdampfung in diesen Schatten direktional, insbesondere diejenigen, die durch den Kontakt erzeugt werden, schränken ein gleichmäßiges Wachstum der Beschichtung ein. Es ist jedoch im Stand der Technik bekannt, das Substrat während der Beschichtung zu drehen, um diesen Effekt zu minimieren.In contrast to the use of ALD, evaporation is less conformal and there is a risk of leaving the edges exposed. In particular, e-beam evaporation in these shadows is directional, particularly those generated by contact, limiting uniform growth of the coating. However, it is known in the art to rotate the substrate during coating to minimize this effect.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform stellt stattdessen die Beschichtung vor dem Bilden des Kontakts bereit und umfasst selektives Ätzen eines oder mehrerer Abschnitte der Beschichtung, um entsprechende Abschnitte der Randoberfläche freizulegen. Der Schritt des Bildens eines Kontakts umfasst dann das Bilden eines ohmschen Kontakts in direktem Kontakt mit jedem freiliegenden Abschnitt der Randoberfläche.Another preferred embodiment instead provides the coating prior to forming the contact and includes selectively etching one or more portions of the coating to expose corresponding portions of the edge surface. The step of forming a contact then includes forming an ohmic contact in direct contact with each exposed portion of the edge surface.
Die Beschichtung kann daher durch ALD oder e-Strahlverdampfung bereitgestellt werden. Da diese Ausführungsform das Bilden der Beschichtung vor beliebigen ohmschen Kontakten beinhaltet, können selbst bei e-Strahlverdampfung noch bessere Beschichtungen erreicht werden, wodurch die Straßen klar bleiben. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Beschichtung in selektiven Abschnitten geätzt werden muss, um die entsprechenden Abschnitte der darunter liegenden Randoberfläche freizulegen, um die Bildung des ohmschen Kontakts zu ermöglichen. Das selektive Ätzen wird vorzugsweise unter Verwendung von Laserätzen, reaktivem Ionenätzen (in einem so genannten „Trockenätzen“), chemischem Ätzen (in einem so genannten „Nassätzen“) und/oder der Photolithographie durchgeführt. Da das 2D-Material im Wesentlichen vor Kontamination geschützt ist, können solche Verfahren ohne signifikante nachteilige Auswirkungen verwendet werden. Dennoch sind Laserätzen und reaktives Ionenätzen bevorzugt, da diese „trockene“ Verfahren mit verringerter der Dotierung des 2D-Materials sind, wobei reaktives Ionenätzen das am stärksten bevorzugte ist. In einigen Ausführungsformen kann das selektive Ätzen für eine Zeit durchgeführt werden, die ausreicht, um die Beschichtung wegzuätzen, um die entsprechende Randoberfläche der plasmaätzbaren Struktur freizulegen.The coating can therefore be provided by ALD or e-beam evaporation. Since this embodiment involves forming the coating in front of any ohmic contacts, even better coatings can be achieved even with e-beam evaporation, keeping the roads clear. The inventors have determined that the coating must be etched in selective portions to expose the corresponding portions of the underlying edge surface to allow the ohmic contact to be formed. The selective etching is preferably performed using laser etching, reactive ion etching (in a so-called “dry etching”), chemical etching (in a so-called “wet etching”) and/or photolithography. Since the 2D material is essentially protected from contamination, such methods can be used without significant adverse effects. However, laser etching and reactive ion etching are preferred as these are “dry” processes with reduced doping of the 2D material, with reactive ion etching being the most preferred. In some embodiments, the selective etching may be performed for a time sufficient to etch away the coating to expose the corresponding edge surface of the plasma-etchable structure.
Dieses Verfahren erfordert dann die Bildung des ohmschen Kontakts in direktem Kontakt mit den Randoberflächen, die durch das selektive Ätzen in jedem geätzten Abschnitt freigelegt sind. Dies ist vorteilhaft, da der Kontakt daher zur Verbindung mit einer elektronischen Schaltung freigelegt ist. Insbesondere kann das Verfahren ferner das Abscheiden einer Lötkugel (oder eines Lötballs) auf dem ohmschen Kontakt umfassen. Dies ermöglicht die Verwendung des Vorläufers der elektronischen Vorrichtung als so genannten „Flip-chip“. Dennoch ist auch das Drahtbonden bevorzugt. Drahtbonden ist im Stand der Technik bekannt und kann Ball-Bonden, Wedge-Bonden oder kompatibles Bonden beinhalten.This process then requires the formation of the ohmic contact in direct contact with the edge surfaces exposed by the selective etching in each etched section. This is advantageous because the contact is therefore exposed for connection to an electronic circuit. In particular, the method may further comprise depositing a solder ball (or a solder ball) on the ohmic contact. This allows the precursor of the electronic device to be used as a so-called “flip chip”. However, wire bonding is also preferred. Wire bonding is known in the art and may include ball bonding, wedge bonding, or compatible bonding.
Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass diese Ausführungsform eine zusätzliche Komplexität in der für die selektive Ätzung erforderlichen Ausrichtung und zur Kontaktabscheidung innerhalb des selektiv geätzten Abschnitts einbringt. Das Ätzen geht dennoch mit Risiken der Bildung von Rissen in der Beschichtung einher.However, the inventors have discovered that this embodiment introduces additional complexity in the alignment required for selective etching and contact deposition within the selectively etched portion. Etching still involves the risk of cracks forming in the coating.
In einem siebten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Vorläufer für elektronische Vorrichtungen bereitgestellt, umfassend:
- ein Substrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- eine untere Schicht auf einer ersten Region des Substrats, wobei die untere Schicht eine oder mehrere Graphenschichten umfasst, die sich über die untere Schicht erstrecken, und
- eine obere Schicht auf der unteren Schicht, die aus einem dielektrischen Material gebildet ist,
- wobei die untere und obere Schicht gemeinsam eine durchgehende Außenrandoberfläche nutzen,
- einen ohmschen Kontakt, der auf einer weiteren Region des Substrats bereitgestellt ist und in direktem Kontakt mit der einen oder den mehreren Graphenschichten über die durchgehende Außenrandoberfläche steht, und
- eine durchgehende luftbeständige Beschichtung auf dem Substrat, die Schichtstruktur und mindestens einen ohmschen Kontakt.
- a substrate having a layer structure thereon, the layer structure comprising:
- a bottom layer on a first region of the substrate, the bottom layer comprising one or more graphene layers extending over the bottom layer, and
- an upper layer on the lower layer formed from a dielectric material,
- whereby the lower and upper layers share a continuous outer edge surface,
- an ohmic contact provided on another region of the substrate and in direct contact with the one or more graphene layers via the continuous outer edge surface, and
- a continuous air-resistant coating on the substrate, the layer structure and at least one ohmic contact.
In einem achten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Vorläufer für elektronische Vorrichtungen bereitgestellt, umfassend:
- ein Substrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- eine untere Schicht auf einer ersten Region des Substrats, wobei die untere Schicht eine oder mehrere Graphenschichten umfasst, die sich über die untere Schicht erstrecken, und
- eine obere Schicht auf der unteren Schicht, die aus einem dielektrischen Material gebildet ist,
- wobei die untere und obere Schicht gemeinsam eine durchgehende Außenrandoberfläche nutzen,
- einen ohmschen Kontakt, der auf einer weiteren Region des Substrats bereitgestellt ist und in direktem Kontakt mit der einen oder den mehreren Graphenschichten über die durchgehende Außenrandoberfläche steht, und
- eine durchgehende luftbeständige Beschichtung, die die Schichtstruktur umschließt.
- a substrate having a layer structure thereon, the layer structure comprising:
- a bottom layer on a first region of the substrate, the bottom layer comprising one or more graphene layers extending over the bottom layer, and
- an upper layer on the lower layer formed from a dielectric material,
- whereby the lower and upper layers share a continuous outer edge surface,
- an ohmic contact provided on another region of the substrate and in direct contact with the one or more graphene layers via the continuous outer edge surface, and
- a continuous air-resistant coating that encloses the layered structure.
In einem neunten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Vorläufer für elektronische Vorrichtungen bereitgestellt, umfassend:
- ein Substrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- eine untere Schicht auf einer ersten Region des Substrats, wobei die untere Schicht eine oder mehrere Graphenschichten umfasst, die sich über die untere Schicht erstrecken, und
- eine obere Schicht auf der unteren Schicht, die aus einem dielektrischen Material gebildet ist,
- wobei die untere und obere Schicht gemeinsam eine durchgehende Außenrandoberfläche nutzen,
- einen ohmschen Kontakt, der in direktem Kontakt mit der einen oder den mehreren Graphenschichten über die durchgehende Außenrandoberfläche steht; und
- eine durchgehende luftbeständige Beschichtung, die die Schichtstruktur umschließt.
- a substrate having a layer structure thereon, the layer structure comprising:
- a bottom layer on a first region of the substrate, the bottom layer comprising one or more graphene layers extending over the bottom layer, and
- an upper layer on the lower layer formed from a dielectric material,
- whereby the lower and upper layers share a continuous outer edge surface,
- an ohmic contact in direct contact with the one or more graphene layers via the continuous outer edge surface; and
- a continuous air-resistant coating that encloses the layered structure.
Der Vorläufer der elektronischen Vorrichtung der weiteren hierin offenbarten Gesichtspunkte der Erfindung ist vorzugsweise durch das hierin beschriebene Verfahren erhältlich. Dementsprechend können alle Merkmale, die in Bezug auf den sechsten Gesichtspunkt beschrieben werden, gleichermaßen auf die weiteren Gesichtspunkte der Erfindung angewendet werden. Die in Bezug auf den sechsten Gesichtspunkt beschriebenen Merkmale können auch auf den ersten bis fünften Gesichtspunkt der Erfindung angewendet werden.The electronic device precursor of the further aspects of the invention disclosed herein is preferably obtainable by the method described herein. Accordingly, all features described with respect to the sixth aspect can be equally applied to the other aspects of the invention. The features described with respect to the sixth aspect can also be applied to the first to fifth aspects of the invention.
Folglich teilt sich der elektronische Vorrichtungsvorläufer der weiteren Gesichtspunkte der Erfindung das Merkmal einer Schichtstruktur, die eine untere Schicht umfasst, die eine oder mehrere Graphenschichten umfasst, und eine obere Schicht, die aus einem dielektrischen Material gebildet ist, wobei die untere und die obere Schicht sich eine durchgehende äußere Randoberfläche teilen. Dies stellt daher das Graphen mit hervorragendem Schutz vor atmosphärischer Kontamination bereit, was zu einer verbesserten Stabilität der Vorrichtungsleistung über längere Zeiträume und durch die Lebensdauerlebensdauer führt.Accordingly, the electronic device precursor of further aspects of the invention shares the feature of a layered structure comprising a lower layer comprising one or more graphene layers and an upper layer formed of a dielectric material, the lower and upper layers being each other share a continuous outer edge surface. This therefore provides the graphene with excellent protection from atmospheric contamination, resulting in improved stability of device performance over longer periods of time and through the lifetime.
Ferner ist ein ohmscher Kontakt zur Verbindung mit einer elektronischen Schaltung vorgesehen, und der ohmsche Kontakt steht nur in direktem Kontakt mit dem Rand der Graphenschicht und nicht der oberen (oder unteren) ebenen Oberfläche. Der Randkontakt stellt eine verbesserte Ladungsinjektion relativ zu Oberflächenkontakten bereit und vermeidet im Wesentlichen eine Dotierung des Graphens. Dies ist besonders nützlich, wenn der Vorrichtungsvorläufer für die Verwendung bei hohen Temperaturen bestimmt ist, wobei die erhöhte Temperatur zu einer Dotierung des 2D-Materials durch zum Beispiel das Metall eines ohmschen Kontakts nach der Herstellung und während der nachfolgenden Verwendung führen kann.Furthermore, an ohmic contact is provided for connection to an electronic circuit, and the ohmic contact is only in direct contact with the edge of the graphene layer and not the upper (or lower) flat surface. The edge contact provides improved charge injection relative to surface contacts and essentially avoids doping of the graphene. This is particularly useful when the device precursor is intended for use at high temperatures, where the elevated temperature may result in doping of the 2D material by, for example, the metal of an ohmic contact after fabrication and during subsequent use.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Vorläufer der elektronischen Vorrichtung ein Transistor oder ein Hall-Sensor, vorzugsweise ein Hall-Sensor (z. B. ein Graphen-Hall-Sensor nach dem ersten Gesichtspunkt). Dennoch können viele andere elektronische Vorrichtungen unter Verwendung des hierin beschriebenen Verfahrens und/oder von den hierin beschriebenen elektronischen Vorrichtungsvorläufern hergestellt werden und Kondensatoren, Dioden und Induktoren einschließen.In a preferred embodiment of the present invention, the precursor of the electronic device is a transistor or a Hall sensor, preferably a Hall sensor (e.g. a graphene Hall sensor according to the first aspect). However, many other electronic devices can be fabricated using the method described herein and/or from the electronic device precursors described herein and include capacitors, diodes and inductors.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das hierin beschriebene Verfahren Folgendes:
- (i) Bereitstellen einer plasmaätzbaren Schichtstruktur auf einem plasmabeständigen Substrat, wobei die Schichtstruktur eine freiliegende obere Oberfläche aufweist;
- (ii) Strukturieren eines plasmabeständigen Dielektrikums auf der freiliegenden oberen Oberfläche, um ein Zwischenprodukt mit mindestens einem bedeckten Bereich und mindestens einem unbedeckten Bereich der Schichtstruktur zu bilden,
- (iii) Unterziehen des Zwischenprodukts einer Plasmaätzung, wobei der mindestens eine unbedeckte Bereich der Schichtstruktur weggeätzt wird, um mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur mit einer freiliegenden Randoberfläche zu bilden;
- (iv) Bilden eines ohmschen Kontakts auf dem plasmabeständigen Substrat in direktem Kontakt mit einem Abschnitt der freiliegenden Randoberfläche;
- (v) Bilden der Beschichtung durch ALD über dem plasmabeständigen Substrat, um den mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur, den ohmschen Kontakt und die verbleibende freiliegende Randoberfläche mit einer durchgehenden luftbeständigen Beschichtung;
- (i) providing a plasma-etchable layer structure on a plasma-resistant substrate, the layer structure having an exposed top surface;
- (ii) patterning a plasma resistant dielectric on the exposed top surface to form an intermediate product with at least one covered area and at least to form at least one uncovered area of the layer structure,
- (iii) subjecting the intermediate product to a plasma etch, wherein the at least one uncovered region of the layered structure is etched away to form at least a covered region of the layered structure with an exposed edge surface;
- (iv) forming an ohmic contact on the plasma resistant substrate in direct contact with a portion of the exposed edge surface;
- (v) forming the coating by ALD over the plasma resistant substrate to surround the at least one covered region of the layered structure, the ohmic contact and the remaining exposed edge surface with a continuous air resistant coating;
Der Vorrichtungsvorläufer des siebten Gesichtspunkts umfasst eine durchgehende luftbeständige Beschichtung über dem Substrat, der Schichtstruktur und dem mindestens einen ohmschen Kontakt, und dies kann auch als die Schichtstruktur gemäß dem hierin offenbarten achten und neunten Gesichtspunkt aufweisend betrachtet werden.The device precursor of the seventh aspect includes a continuous air-resistant coating over the substrate, the layered structure and the at least one ohmic contact, and may also be considered to comprise the layered structure according to the eighth and ninth aspects disclosed herein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das hierin beschriebene Verfahren Folgendes:
- (i) Bereitstellen einer plasmaätzbaren Schichtstruktur auf einem plasmabeständigen Substrat, wobei die Schichtstruktur eine freiliegende obere Oberfläche aufweist;
- (ii) Strukturieren eines plasmabeständigen Dielektrikums auf der freiliegenden oberen Oberfläche, um ein Zwischenprodukt mit mindestens einem bedeckten Bereich und mindestens einem unbedeckten Bereich der Schichtstruktur zu bilden,
- (iii) Unterziehen des Zwischenprodukts einer Plasmaätzung, wobei der mindestens eine unbedeckte Bereich der Schichtstruktur weggeätzt wird, um mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur mit einer freiliegenden Randoberfläche zu bilden;
- (iv) Bilden eines ohmschen Kontakts auf dem plasmabeständigen Substrat in direktem Kontakt mit einem Abschnitt der freiliegenden Randoberfläche;
- (v) Strukturieren der Beschichtung auf dem plasmabeständigen Substrat, um den mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur und die verbleibende freiliegende Randoberfläche mit einer durchgehenden luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen;
- (i) providing a plasma-etchable layer structure on a plasma-resistant substrate, the layer structure having an exposed top surface;
- (ii) patterning a plasma-resistant dielectric on the exposed top surface to form an intermediate product having at least one covered area and at least one uncovered area of the layered structure,
- (iii) subjecting the intermediate product to a plasma etch, wherein the at least one uncovered region of the layered structure is etched away to form at least a covered region of the layered structure with an exposed edge surface;
- (iv) forming an ohmic contact on the plasma resistant substrate in direct contact with a portion of the exposed edge surface;
- (v) patterning the coating on the plasma resistant substrate to provide the at least one covered region of the layered structure and the remaining exposed edge surface with a continuous air resistant coating;
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das hierin beschriebene Verfahren Folgendes:
- (i) Bereitstellen einer plasmaätzbaren Schichtstruktur auf einem plasmabeständigen Substrat, wobei die Schichtstruktur eine freiliegende obere Oberfläche aufweist;
- (ii) Strukturieren eines plasmabeständigen Dielektrikums auf der freiliegenden oberen Oberfläche, um ein Zwischenprodukt mit mindestens einem bedeckten Bereich und mindestens einem unbedeckten Bereich der Schichtstruktur zu bilden,
- (iii) Unterziehen des Zwischenprodukts einer Plasmaätzung, wobei der mindestens eine unbedeckte Bereich der Schichtstruktur weggeätzt wird, um mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur mit einer freiliegenden Randoberfläche zu bilden;
- (iv) Bilden der Beschichtung auf dem plasmabeständigen Substrat, um den mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur und die freiliegende Randoberfläche mit einer durchgehenden luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen;
- (v) selektives Ätzen eines oder mehrerer Abschnitte der Beschichtung, um entsprechende Abschnitte der Randoberfläche freizugeben;
- (vi) Bilden eines ohmschen Kontakts in direktem Kontakt mit jedem freiliegenden Abschnitt der Randoberfläche;
- (i) providing a plasma-etchable layer structure on a plasma-resistant substrate, the layer structure having an exposed top surface;
- (ii) patterning a plasma-resistant dielectric on the exposed top surface to form an intermediate product having at least one covered area and at least one uncovered area of the layered structure,
- (iii) subjecting the intermediate product to a plasma etch, wherein the at least one uncovered region of the layered structure is etched away to form at least a covered region of the layered structure with an exposed edge surface;
- (iv) forming the coating on the plasma resistant substrate to provide the at least one covered region of the layered structure and the exposed edge surface with a continuous air resistant coating;
- (v) selectively etching one or more portions of the coating to expose corresponding portions of the edge surface;
- (vi) forming an ohmic contact in direct contact with each exposed portion of the edge surface;
In einer noch stärker bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das hierin beschriebene Verfahren Folgendes:
- (i) Bereitstellen einer Monoschicht von Graphen auf einem Saphirsubstrat durch MOCVD, wobei die Monoschicht von Graphen eine freiliegende obere Oberfläche aufweist;
- (ii) Strukturieren von Aluminiumoxid als einen oder mehrere kreuzförmige Regionen auf der freiliegenden oberen Oberfläche, um ein Zwischenprodukt mit mindestens einem bedeckten Bereich und mindestens einem unbedeckten Bereich des Graphenmonomers zu bilden;
- (iii) Unterziehen des Zwischenprodukts einer Sauerstoffplasmaätzung, wobei der mindestens eine unbedeckte Bereich der Monoschicht von Graphen weggeätzt wird, um mindestens einen abgedeckten Bereich von Monoschicht-Graphen mit einer freiliegenden Randoberfläche zu bilden;
- (iv) Bilden von vier ohmschen Gold-Kontakten für jeden kreuzförmigen Bereich, der in Schritt (ii) auf dem Saphirsubstrat ausgebildet ist, wobei jeder Kontakt in direktem Kontakt mit einem distalen Abschnitt der freiliegenden Randoberfläche der vier Arme des Kreuzes steht;
- (v) Bilden einer Aluminiumoxidbeschichtungsschicht durch ALD über dem Saphirsubstrat, um den mindestens einen abgedeckten Bereich von Monoschicht-Graphen, den ohmschen Kontakten und verbleibenden freiliegenden Randoberflächen mit einer kontinuierlichen luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen;
- (i) providing a monolayer of graphene on a sapphire substrate by MOCVD, the monolayer of graphene having an exposed top surface;
- (ii) patterning alumina as one or more cross-shaped regions on the exposed top surface to form an intermediate having at least one covered region and at least one uncovered region of the graphene monomer;
- (iii) subjecting the intermediate product to an oxygen plasma etch, wherein the at least one uncovered region of the monolayer of graphene is etched away to form at least one covered region of monolayer graphene with an exposed edge surface;
- (iv) forming four gold ohmic contacts for each cross-shaped region formed on the sapphire substrate in step (ii), each contact being in direct contact with a distal portion of the exposed edge surface of the four arms of the cross;
- (v) forming an aluminum oxide coating layer by ALD over the sapphire substrate to provide the at least one covered region of monolayer graphene, the ohmic contacts and remaining exposed edge surfaces with a continuous air-resistant coating;
Dementsprechend ist ein bevorzugter Vorläufer für elektronische Vorrichtungen einer für einen Hall-Sensor und umfasst:
- ein Saphirsubstrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- eine Monoschicht aus Graphen auf einer ersten Region des Saphirsubstrats, und
- eine Aluminiumoxidschicht auf der Graphen-Monoschicht,
- wobei das Graphen und das Aluminiumoxid kreuzförmig sind und eine gemeinsame durchgehende Außenrandoberfläche aufweisen,
- vier ohmsche Goldkontakte, wobei jeder Kontakt auf einer weiteren Region des Saphirsubstrats bereitgestellt ist und in direktem Kontakt mit einem distalen Abschnitt der Randfläche jedes der vier Arme eines jeden Kreuzes steht, und
- eine kontinuierliche Aluminiumoxidbeschichtungsschicht über dem Saphirsubstrat, der Schichtstruktur und den Kontakten.
- a sapphire substrate having a layered structure thereon, the layered structure comprising:
- a monolayer of graphene on a first region of the sapphire substrate, and
- an aluminum oxide layer on the graphene monolayer,
- wherein the graphene and the aluminum oxide are cross-shaped and have a common continuous outer edge surface,
- four ohmic gold contacts, each contact being provided on a further region of the sapphire substrate and in direct contact with a distal portion of the edge surface of each of the four arms of each cross, and
- a continuous aluminum oxide coating layer over the sapphire substrate, layer structure and contacts.
In einer weiteren, noch stärker bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das hierin beschriebene Verfahren Folgendes:
- (i) Bereitstellen einer Monoschicht von Graphen auf einem Saphirsubstrat durch MOCVD, wobei die Monoschicht von Graphen eine freiliegende obere Oberfläche aufweist;
- (ii) Strukturieren von Aluminiumoxid als einen oder mehrere kreuzförmige Regionen auf der freiliegenden oberen Oberfläche, um ein Zwischenprodukt mit mindestens einem bedeckten Bereich und mindestens einem unbedeckten Bereich des Graphenmonomers zu bilden;
- (iii) Unterziehen des Zwischenprodukts einer Sauerstoffplasmaätzung, wobei der mindestens eine unbedeckte Bereich der Monoschicht von Graphen weggeätzt wird, um mindestens einen abgedeckten Bereich von Monoschicht-Graphen mit einer freiliegenden Randoberfläche zu bilden;
- (iv) Bilden von vier ohmschen Gold-Kontakten für jeden kreuzförmigen Bereich, der in Schritt (ii) auf dem Saphirsubstrat ausgebildet ist, wobei jeder Kontakt in direktem Kontakt mit einem distalen Abschnitt der freiliegenden Randoberfläche der vier Arme eines jeden Kreuzes steht;
- (v) Strukturieren einer Aluminiumoxidbeschichtungsschicht durch e-Strahlverdampfung über dem Saphirsubstrat, um den mindestens einen bedeckten Bereich von Monoschicht-Graphen und verbleibenden freiliegenden Randoberflächen mit einer kontinuierlichen luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen;
- (i) providing a monolayer of graphene on a sapphire substrate by MOCVD, the monolayer of graphene having an exposed top surface;
- (ii) patterning alumina as one or more cross-shaped regions on the exposed top surface to form an intermediate having at least one covered region and at least one uncovered region of the graphene monomer;
- (iii) subjecting the intermediate product to an oxygen plasma etch, wherein the at least one uncovered region of the monolayer of graphene is etched away to form at least one covered region of monolayer graphene with an exposed edge surface;
- (iv) forming four gold ohmic contacts for each cross-shaped region formed on the sapphire substrate in step (ii), each contact being in direct contact with a distal portion of the exposed edge surface of the four arms of each cross;
- (v) patterning an aluminum oxide coating layer by e-beam evaporation over the sapphire substrate to provide the at least one covered region of monolayer graphene and remaining exposed edge surfaces with a continuous air-resistant coating;
In ähnlicher Weise umfasst in einer weiteren, noch stärker bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das hierin beschriebene Verfahren Folgendes:
- (i) Bereitstellen einer Monoschicht von Graphen auf einem Saphirsubstrat durch MOCVD, wobei die Monoschicht von Graphen eine freiliegende obere Oberfläche aufweist;
- (ii) Strukturieren von Aluminiumoxid als einen oder mehrere kreuzförmige Regionen auf der freiliegenden oberen Oberfläche, um ein Zwischenprodukt mit mindestens einem bedeckten Bereich und mindestens einem unbedeckten Bereich des Graphenmonomers zu bilden;
- (iii) Unterziehen des Zwischenprodukts einer Sauerstoffplasmaätzung, wobei der mindestens eine unbedeckte Bereich der Monoschicht von Graphen weggeätzt wird, um mindestens einen abgedeckten Bereich von Monoschicht-Graphen mit einer freiliegenden Randoberfläche zu bilden;
- (v) Bilden einer Aluminiumoxidbeschichtungsschicht auf dem Saphirsubstrat, um den mindestens einen bedeckten Bereich von Monoschicht-Graphen und der freiliegenden Randoberfläche mit einer kontinuierlichen luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen;
- (v) selektives Laserätzen von vier Abschnitten der Aluminiumoxidbeschichtungsschicht, um entsprechende Abschnitte der Randoberfläche der Graphenschicht freizulegen, um die distalen Abschnitte der Randoberfläche der vier Arme jedes Kreuzes freizugeben;
- (vi) Bilden eines ohmschen Gold-Kontakts in direktem Kontakt mit jedem der vier freiliegenden Abschnitt der Randoberfläche;
- (i) providing a monolayer of graphene on a sapphire substrate by MOCVD, the monolayer of graphene having an exposed top surface;
- (ii) patterning alumina as one or more cross-shaped regions on the exposed top surface to form an intermediate having at least one covered region and at least one uncovered region of the graphene monomer;
- (iii) subjecting the intermediate product to an oxygen plasma etch, wherein the at least one uncovered region of the monolayer of graphene is etched away to form at least one covered region of monolayer graphene with an exposed edge surface;
- (v) forming an aluminum oxide coating layer on the sapphire substrate to provide the at least one covered region of monolayer graphene and the exposed edge surface with a continuous air-resistant coating;
- (v) selectively laser etching four portions of the aluminum oxide coating layer to expose corresponding portions of the edge surface of the graphene layer to expose the distal portions of the edge surface of the four arms of each cross;
- (vi) forming a gold ohmic contact in direct contact with each of the four exposed portions of the edge surface;
Dementsprechend ist ein bevorzugter Vorläufer für elektronische Vorrichtungen einer für einen Hall-Sensor und umfasst:
- ein Saphirsubstrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- eine Monoschicht aus Graphen auf einer ersten Region des Saphirsubstrats, und
- eine Aluminiumoxidschicht auf der Graphen-Monoschicht,
- wobei das Graphen und das Aluminiumoxid kreuzförmig sind und eine gemeinsame durchgehende Außenrandoberfläche aufweisen,
- vier ohmsche Goldkontakte, wobei jeder Kontakt auf einer weiteren Region des Saphirsubstrats bereitgestellt ist und in direktem Kontakt mit einem distalen Abschnitt der Randfläche jedes der vier Arme eines des Kreuzes steht, und
- eine durchgehende Aluminiumoxidschicht, die die Schichtstruktur umschließt.
- a sapphire substrate having a layered structure thereon, the layered structure comprising:
- a monolayer of graphene on a first region of the sapphire substrate, and
- an aluminum oxide layer on the graphene monolayer,
- wherein the graphene and the aluminum oxide are cross-shaped and have a common continuous outer edge surface,
- four ohmic gold contacts, each contact being provided on a further region of the sapphire substrate and in direct contact with a distal portion of the edge surface of each of the four arms of one of the cross, and
- a continuous aluminum oxide layer that encloses the layer structure.
Somit umfasst ein bevorzugter Vorläufer für elektronische Vorrichtungen eine Aluminiumoxidbeschichtungsschicht, die die Schichtstruktur einkapselt und die Ränder der Graphenschicht schützt. Der Kontakt des Vorrichtungsvorläufers ist zumindest teilweise freigelegt, d. h. nicht durch die Aluminiumoxidbeschichtungsschicht beschichtet, sowie das Saphirsubstrat zumindest teilweise freigelegt ist. Typischerweise sind mindestens Bereiche des Substrats zwischen benachbarten Vorrichtungsvorläufern als Teil eines Arrays so angeordnet, dass das Zerteilen des gemeinsamen Substrats ermöglicht wird, um eine Vielzahl von Vorrichtungsvorläufern bereitzustellen, ohne dass das Risiko besteht, die Beschichtung während des Schneidens zu beschädigen.Thus, a preferred precursor for electronic devices includes an aluminum oxide coating layer that encapsulates the layered structure and protects the edges of the graphene layer. The contact of the device precursor is at least partially exposed, i.e. H. not coated by the aluminum oxide coating layer, and the sapphire substrate is at least partially exposed. Typically, at least portions of the substrate are arranged between adjacent device precursors as part of an array to allow dicing of the common substrate to provide a plurality of device precursors without risk of damaging the coating during cutting.
In Ausführungsformen, in denen die Beschichtung zuerst abgeschieden wird, um die Randoberfläche des Graphens freizulegen, um einen solchen elektronischen Vorrichtungsvorläufer bereitzustellen, wird der Kontakt vertikal freigelegt, indem in eine lasergeätzte Öffnung in der Beschichtung abgeschieden wurde.In embodiments in which the coating is first deposited to expose the edge surface of the graphene to provide such an electronic device precursor, the contact is vertically exposed by depositing into a laser-etched opening in the coating.
In Ausführungsformen, in denen die Beschichtung nach der Bildung von Kontakten strukturiert ist, kann eine teilweise Beschichtung des Kontakts beim Strukturieren eine obere Oberfläche des Kontakts freilegen. Es ist jedoch auch möglich, die Beschichtung über der oberen Oberfläche des Kontakts zu strukturieren, und mindestens eine Randoberfläche wird durch die Strukturierung der Beschichtung freigelegt. Mit anderen Worten sind die Kontakte in dem endgültigen elektronischen Vorrichtungsvorläufer nicht vollständig durch die Beschichtung eingekapselt, wodurch ein einfaches Drahtbonden oder Löten zum Verbinden mit einer elektronischen Schaltung ermöglicht wird, ohne die Beschichtung durchstechen zu müssen.In embodiments in which the coating is patterned after forming contacts, partially coating the contact during patterning may expose a top surface of the contact. However, it is also possible to pattern the coating over the top surface of the contact and at least one edge surface is exposed by the patterning of the coating. In other words, the contacts in the final electronic device precursor are not completely encapsulated by the coating, allowing easy wire bonding or soldering to connect to an electronic circuit without having to puncture the coating.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Ausführungsformen der vorliegende Erfindung werden nun in Bezug auf die folgenden nicht einschränkenden Figuren beschrieben, in denen:
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1 zeigt ein schematisches Planansichtsdiagramm eines Graphen-Hall-Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - -
2 ist ein Diagramm, das die Leistung zweier Graphen-Hall-Sensoren mit unterschiedlichen Lagenträgerdichten bei 4 K vergleicht; - -
3 ist ein Diagramm, das die Linearitätsfehler für die zwei Graphen-Hall-Sensoren mit unterschiedlichen Lagenträgerdichten vergleicht; - -
4 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; - -
5 ist eine Querschnittsansicht eines elektronischen Vorrichtungsvorläufers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; - -
6 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Vorläufers der elektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; - -
7 ist eine Draufsicht eines anderen Vorläufers der elektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; - -
8 ist eine Draufsicht eines anderen Vorläufers der elektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; - -
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Arrays von elektronischen Vorrichtungsvorläufern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; - -
10a ist ein Diagramm, das den Hall-Widerstand eines Graphen-Hall-Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt - -
10b ist ein Diagramm, das den Vollskala-Linearitätsfehler des Graphens für den Graphen-Hall-Sensor von10a zeigt; - -
11 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Hall-Spannung des Graphen-Hall-Sensors von10a mit einem Hall-Sensor mit nicht-Graphen bei einerTemperatur von 4 K zeigt; - -
12 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Vollskala-Linearitätsfehler der Hall-Sensoren in11 zeigt; und - -
13 zeigt ein Diagramm der Hall-Spannung für den Graphen-Hall-Sensor von10a unter einem Magnetfeld mit 1,5 K.
- -
1 shows a schematic plan view diagram of a graphene Hall sensor according to an embodiment of the present invention. - -
2 is a graph comparing the performance of two graphene Hall sensors with different sheet carrier densities at 4K; - -
3 is a graph comparing the linearity errors for the two graphene Hall sensors with different sheet carrier densities; - -
4 is a flowchart illustrating the method of the present invention; - -
5 is a cross-sectional view of an electronic device precursor according to an embodiment of the present invention; - -
6 is a cross-sectional view of another precursor of the electronic device according to an embodiment of the present invention; - -
7 is a top view of another precursor of the electronic device according to an embodiment of the present invention; - -
8th is a top view of another precursor of the electronic device according to an embodiment of the present invention; - -
9 is a perspective view of an array of electronic device precursors in accordance with an embodiment of the present invention; - -
10a is a diagram illustrating the Hall resistance of a graphene Hall sensor according to an embodiment of the invention - -
10b is a graph showing the full-scale graphene linearity error for the graphene Hall sensor of10a shows; - -
11 is a diagram showing a comparison of the Hall voltage of the graphene Hall sensor of10a with a Hall sensor showing non-graphene at a temperature of 4 K; - -
12 is a chart comparing the full-scale linearity errors of the Hall sensors in11 shows; and - -
13 shows a diagram of the Hall voltage for the graphene Hall sensor from10a under a magnetic field of 1.5 K.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Hall-Sensor 10 bereitgestellt.
In der Ausführungsform von
Die Enden jedes der vier „Arme“ der kreuzförmigen Schichtstruktur (d. h. die distalen Abschnitte) der Graphenfolie und des strukturierten Aluminiumoxids 12 stehen in direktem Kontakt mit einem jeweiligen elektrischen Kontakt des ersten Paars elektrischer Kontakte 14, 15 und des zweiten Paars elektrischer Kontakte 16, 17.The ends of each of the four "arms" of the cruciform layer structure (i.e., the distal portions) of the graphene film and the patterned
Die Graphenfolie ist auf dem Substrat 18 bereitgestellt. Das Substrat 18 kann ein beliebiges geeignetes Substrat umfassen, auf dem die Graphenfolie bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann das Substrat 18 ein mehrschichtiges Substrat umfassen, wobei eine Schicht des Substrats die Hauptoberfläche bereitstellt, auf der das Substrat gebildet wird. Beispielsweise kann das Substrat 18 einen Siliziumwafer mit einer auf einer Oberfläche des Siliziumwafers gebildeten Schicht aus Al2O3 umfassen, wobei die freiliegende Oberfläche der Al2O3 -Schicht die Hauptoberfläche bereitstellt, auf der die Graphenfolie bereitgestellt wird. Alternativ kann das Substrat 18 ein Saphirsubstrat oder ein Siliziumsubstrat umfassen. The graphene film is provided on the
In der Ausführungsform von
Die Aluminiumoxidschicht 12 kann durch thermisches Verdampfen gebildet werden. Die thermische Verdampfung kann unter Verwendung eines Keramikboots bereitgestellt werden, um das zu verdampfende Material zu erhitzen, oder durch e-Strahlverdampfung. In einigen Ausführungsformen hat die gebildete Aluminiumoxidschicht 12 eine Dicke von mindestens 10 nm. Durch Bereitstellen einer Dicke von mindestens 10 nm kann die Aluminiumoxidschicht eine konforme Beschichtung bilden, welche die darunter liegende Graphenfolie aus dem Plasmaätzprozess schützt.The
In einigen Ausführungsformen kann die Lagenträgerdichte der Graphenfolie abgestimmt werden, um eine verbesserte Empfindlichkeit für einen gewünschten Magnetfeldbetriebsbereich bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann die Lagenträgerdichte durch geeignete Dotierung der Graphenfolie ausgewählt werden. Zum Beispiel kann das Graphen direkt auf dem Substrat 18 durch ein CVD-Verfahren wachsen, beispielsweise wie in
Abhängig von dem maximalen Magnetfeld, das durch den Graphen-Hall-Sensor gemessen werden soll, kann die Lagenträgerdichte (und damit die Empfindlichkeit) in Bezug auf eine Sättigungsgrenze der Vorrichtung aufgrund des Quanten-Hall-Effekts ausgewählt werden. Depending on the maximum magnetic field to be measured by the graphene Hall sensor, the sheet support density (and hence sensitivity) can be selected in relation to a saturation limit of the device due to the quantum Hall effect.
Das Magnetfeld, bei dem der Graphen-Hall-Sensor gesättigt ist (eine Sättigungsgrenze), ist umgekehrt proportional zur Empfindlichkeit der Vorrichtung. Das heißt, eine Vorrichtung mit einer geringeren Empfindlichkeit sättigt bei einem höheren Magnetfeld als eine Vorrichtung mit einer höheren Empfindlichkeit. Um die Empfindlichkeit zu reduzieren, kann die Lagenträgerdichte erhöht werden. Natürlich verringert eine Reduzierung der Empfindlichkeit die Auflösung des Graphen-Hall-Sensors.The magnetic field at which the graphene Hall sensor saturates (a saturation limit) is inversely proportional to the sensitivity of the device. That is, a device with a lower sensitivity will saturate at a higher magnetic field than a device with a higher sensitivity. To reduce sensitivity, the layer support density can be increased. Of course, reducing the sensitivity reduces the resolution of the graphene Hall sensor.
Die Graphenfolie wird mit einer Lagenträgerdichte von 2 × 1011 cm-2 gebildet. Somit kann der Graphen-Hall-Sensor konfiguriert sein, um Magnetfeldmessungen innerhalb eines Bereichs von mindestens - 1 T bis +1 T durchzuführen.The graphene film is formed with a sheet support density of 2 × 10 11 cm -2 . Thus, the graphene Hall sensor can be configured to perform magnetic field measurements within a range of at least -1 T to +1 T.
In einigen Ausführungsformen wird die Graphenfolie mit einer Lagenträgerdichte von nicht mehr als 1 × 1013 cm-2 gebildet. Durch Bereitstellen des Graphen-Hall-Sensors mit einer Lagenträgerdichte von nicht mehr als dieser Größe kann der Graphen-Hall-Sensor Magnetfelder mit einer Empfindlichkeit von etwa 60 V/AT messen, die mit der Empfindlichkeit von handelsüblichen Hall-Effekt-Sensoren auf Siliziumbasis vergleichbar ist. Die Graphen-Hall-Effektsensoren können jedoch diese Empfindlichkeit bei kryogenen Temperaturen erreichen, die deutlich unterhalb der Betriebstemperaturen liegen, bei denen solche Silizium-Hall-Effektsensoren betrieben werden können.In some embodiments, the graphene sheet is formed with a substrate density of no more than 1 × 10 13 cm -2 . By providing the graphene Hall sensor with a substrate density of no more than this size, the graphene Hall sensor can measure magnetic fields with a sensitivity of approximately 60 V/AT, which is comparable to the sensitivity of commercially available silicon-based Hall effect sensors is. However, the graphene Hall effect sensors can achieve this sensitivity at cryogenic temperatures that are well below the operating temperatures at which such silicon Hall effect sensors can operate.
In einigen Ausführungsformen kann die Graphenfolie mit einer Lagenträgerdichte von mindestens 1,25 × 1012 cm-2 gebildet werden. Dementsprechend kann der Graphen-Hall-Sensor Magnetfelder im Bereich von - 7 T bis +7 T bei kryogenen Temperaturen messen. In einigen Ausführungsformen wird die Graphenfolie mit einer Lagenträgerdichte von nicht mehr als 3 × 1012 cm-2 gebildet. Dementsprechend kann der Graphen-Hall-Sensor Magnetfelder über einen breiten Bereich von Magnetfeldstärken messen. Zum Beispiel ist ein Graphen-Hall-Sensor mit einer solchen Trägerdichte geeignet, Magnetfelder im Bereich von -22 T bis +22 T bei kryogenen Temperaturen ohne Beeinträchtigung durch Quanten-Hall-Effekte zu messen.In some embodiments, the graphene sheet may be formed with a substrate density of at least 1.25 x 10 12 cm -2 . Accordingly, the graphene Hall sensor can measure magnetic fields in the range of -7 T to +7 T at cryogenic temperatures. In some embodiments, the graphene sheet is formed with a sheet support density of no more than 3 × 10 12 cm -2 . Accordingly, the graphene Hall sensor can measure magnetic fields over a wide range of magnetic field strengths. For example, a graphene Hall sensor with such a carrier density is suitable for measuring magnetic fields in the range of -22 T to +22 T at cryogenic temperatures without being affected by quantum Hall effects.
In der Ausführungsform von
Das erste Paar elektrischer Kontakte 14, 15 ist entlang einer ersten Richtung (x-Richtung) der Graphenfolie beabstandet, sodass eine Graphenlänge mit bekannter Länge zwischen dem ersten Paar elektrischer Kontakte 14, 15 bereitgestellt wird. In der Ausführungsform von
In einigen Ausführungsformen kann das erste Paar elektrischer Kontakte mit einem Abstand von mindestens Folgendem beabstandet sein: 3 mm, 4 mm, 5 mm oder 10 mm. in einigen Ausführungsformen kann das erste Paar elektrischer Kontakte 14, 15 mit einem Abstand von nicht größer als 100 mm beabstandet sein. In einigen Ausführungsformen kann das erste Paar elektrischer Kontakte mit einem Abstand beabstandet sein, der nicht größer ist als: 80 mm, 50 mm, 30 mm oder 20 mm.In some embodiments, the first pair of electrical contacts may be spaced apart by a distance of at least: 3 mm, 4 mm, 5 mm, or 10 mm. In some embodiments, the first pair of
Das erste Paar elektrischer Kontakte 14, 15 kann ein beliebiges geeignetes Material zum Herstellen eines ohmschen Kontakts mit Graphen umfassen. Beispielsweise kann das erste Paar elektrischer Kontakte 14, 15 Ti oder Au umfassen. In einigen Ausführungsformen kann jeder elektrische Kontakt des ersten Paars elektrischer Kontakte 14, 15 aus einem einzelnen Element gebildet sein, während in anderen Ausführungsformen das erste Paar elektrischer Kontakte 14, 15 aus einer Legierung oder einem Mehrschichtstapel von Materialien, wie einer Schicht aus Ti, gefolgt von einer Schicht aus Au, gebildet sein kann. In der Ausführungsform von
Das zweite Paar elektrischer Kontakte 16, 17 ist ebenfalls in direktem elektrischem Kontakt mit der Graphenfolie 12 bereitgestellt. In der Ausführungsform von
In der Ausführungsform von
Wie in
In
Somit wird gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Graphen-Hall-Sensor 10 bereitgestellt.Thus, according to a first embodiment of the invention, a
Es versteht sich, dass in einigen Ausführungsformen das vorstehend beschriebene Verfahren zum Bilden des Graphen-Hall-Sensors 10 verwendet werden kann, um ein Array von Graphen-Hall-Sensoren 10 auf einem Substrat 18 zu bilden. Als solches kann, anstatt einen einzelnen Hall-Sensor unter Verwendung der dielektrischen Schicht zu strukturieren (Aluminiumoxidschicht 12), die dielektrische Schicht strukturiert sein, um eine Vielzahl von unterbrochenen Abschnitten der Graphenfolie zu definieren, wobei jeder unterbrochene Abschnitt der Graphenfolie verwendet wird, um einen Hall-Sensor zu bilden. Als solches kann eine Arraystruktur ähnlich der von
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Magnetfeldmesssystem bereitgestellt. Das System umfasst einen Graphen-Hall-Sensor gemäß der ersten Ausführungsform und einen Hall-Messcontroller (nicht gezeigt). Der Hall-Messcontroller ist mit dem ersten und dem zweiten Paar elektrischer Kontakte verbunden. Der Hall-Messcontroller ist konfiguriert, um eine Hall-Effekt-Messung unter Verwendung des Graphen-Hall-Sensors durchzuführen.According to a second embodiment of the invention, a magnetic field measuring system is provided. The system includes a graphene Hall sensor according to the first embodiment and a Hall measurement controller (not shown). The Hall measurement controller is connected to the first and second pairs of electrical contacts. The Hall measurement controller is configured to provide a Hall effect measurement solution using the graphene Hall sensor.
Der Hall-Messcontroller kann mit dem ersten Paar der elektrischen Kontakte und dem zweiten Paar von elektrischen Kontakten über den jeweiligen Abschnitt jedes Kontakts, der nicht von der Kapselungsschicht 20 bedeckt ist, verbunden sein, um den Graphen-Hall-Effekt-Sensor 10 zu steuern. Der Hall-Messcontroller kann ein beliebiger geeigneter Controller wie etwa ein Computerprozessor sein.The Hall measurement controller may be connected to the first pair of electrical contacts and the second pair of electrical contacts via the respective portion of each contact not covered by the
Der Hall-Messcontroller ist dazu konfiguriert, den Graphen-Hall-Effekt-Sensor 10 zwischen dem ersten Paar von elektrischen Kontakten 14, 15 vorzuspannen. Der Hall-Messcontroller kann den Graphen-Hall-Sensor 10 durch Anlegen eines Konstantstroms oder einer Konstantspannung vorspannen. Die Vorspannung (Konstantstrom oder Konstantspannung) kann durch eine geeignete Stromversorgung gesteuert von der Steuerung zugeführt werden oder als Teil des Hall-Messcontrollers gebildet werden.The Hall measurement controller is configured to bias the graphene
Der Hall-Messcontroller ist außerdem dazu konfiguriert, eine Ausgangsspannung zwischen dem zweiten Paar elektrischer Kontakte 16, 17 zu messen. Natürlich versteht es sich in anderen Ausführungsformen, dass der Hall-Messcontroller die Vorspannung zwischen dem zweiten Paar von elektrischen Kontakten 16, 17 anlegen und eine Spannung über dem ersten Paar von Kontakten 14, 15 messen kann.The Hall measurement controller is also configured to measure an output voltage between the second pair of
Der Hall-Messcontroller und der Graphen-Hall-Sensor 10 können verwendet werden, um Messungen von Magnetfeldern bei einem Temperaturbereich durchzuführen. Insbesondere der Graphen-Hall-Sensor 10 kann verwendet werden, um ein Magnetfeld bei einer kryogenen Temperatur (d. h. bei einer Temperatur von nicht größer als 120 K) zu messen.The Hall measurement controller and the
Wie in
Der erste (a) Graphen-Hall-Sensor weist einen Vollskala-Linearitätsfehler von 0,98 % zwischen -1 T und +1 T auf. Wie in
Somit versteht es sich, dass durch Reduzieren der Empfindlichkeit der Vorrichtung (innerhalb der spezifizierten Grenzen) der Graphen-Hall-Sensor konfiguriert sein kann, um eine lineare Reaktion über einen gewünschten Magnetfeldbereich bereitzustellen.Thus, it will be understood that by reducing the sensitivity of the device (within the specified limits), the graphene Hall sensor can be configured to provide a linear response over a desired magnetic field range.
Somit wird gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung ein Graphen-Hall-Sensor bereitgestellt. Der Graphen-Hall-Sensor eignet sich besonders gut zum Durchführen von Magnetfeldmessungen bei kryogenen Temperaturen. Insbesondere wird die Lagenträgerdichte der Graphenfolie des Graphen-Hall-Sensors so gewählt, dass Magnetfelder bei kryogenen Temperaturen ohne unerwünschte Sättigung der Vorrichtung gemessen werden können, und auch derart, dass Messungen des Magnetfelds mit ausreichender Auflösung durchgeführt werden können.Thus, according to embodiments of this invention, a graphene Hall sensor is provided. The graphene Hall sensor is particularly suitable for carrying out magnetic field measurements at cryogenic temperatures. In particular, the layer carrier density of the graphene film of the graphene Hall sensor is selected such that magnetic fields can be measured at cryogenic temperatures without undesirable saturation of the device, and also such that measurements of the magnetic field can be carried out with sufficient resolution.
Der Graphen-Hall-Sensor, der im Diagramm von
Wie in
Es versteht sich auch, dass der nicht-Graphen-Hall-Sensor im Vergleich zu dem Graphen-Hall-Sensor eine geringere Empfindlichkeitsreaktion aufweist. Eine geringere Empfindlichkeitsreaktion kann unerwünscht sein, da das Signal-Rausch-Verhältnis niedriger sein kann. Relativ niedrige Empfindlichkeitsreaktionen zeigen nicht-Graphen-Hall-Sensoren an, die bei kryogenen Temperaturen nicht effektiv arbeiten können.It is also understood that the non-graphene Hall sensor has a lower sensitivity response compared to the graphene Hall sensor. A lower sensitivity response may be undesirable because the signal-to-noise ratio may be lower. Relatively low sensitivity responses indicate non-graphene Hall sensors cannot operate effectively at cryogenic temperatures.
Somit wird aus den vorstehenden Beispielen ersichtlich, dass der Graphen-Hall-Sensor gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung einen Benutzer die Möglichkeit bietet, besonders genaue Magnetfeldmessungen bei kryogener Temperatur und auch über einen relativ großen Bereich von Magnetfeldern durchzuführen.Thus, it will be seen from the above examples that the graphene Hall sensor according to embodiments of this invention provides a user with the ability to perform particularly accurate magnetic field measurements at cryogenic temperature and also over a relatively large range of magnetic fields.
Das Verfahren 100 dient zum Bilden eines elektronischen Vorrichtungsvorläufers, der für einen Hall-Sensor geeignet ist und einen ersten Schritt 105 des Bereitstellens einer plasmaätzbaren Schichtstruktur auf einem plasmabeständigen Substrat umfasst. In dem beispielhaften Verfahren 100 besteht die plasmaätzbare Schichtstruktur aus einer Graphenschicht, die durch MOCVD direkt auf einem Saphirsubstrat bereitgestellt wird.The
Als Nächstes beinhaltet ein weiterer Schritt 110 das Strukturieren von kreuzförmigen Regionen aus Aluminiumoxid durch Strahlverdampfung auf der freiliegenden oberen Oberfläche der Graphen-Monoschicht, um ein Array von Zwischenprodukten zu bilden. Das Verfahren wird ferner unter Bezugnahme auf ein Zwischenprodukt beschrieben, obwohl empfehlenswert ist, dass alle Zwischenprodukte des Arrays gleichzeitig behandelt werden. Schritt 115 beinhaltet das Unterziehen des Zwischenprodukts einer Sauerstoffplasmaätzung, um dadurch die freigelegte Graphen-Monoschicht zu ätzen und ein Array von kreuzförmigen Regionen von Graphen zu bilden, die mit Aluminiumoxid bedeckt sind, wobei das Aluminiumoxid-beschichtete Graphen eine kontinuierliche freiliegende Randoberfläche aufweist.Next, another
Verfahren 100 umfasst ferner einen Schritt 120 des Bildens eines ohmschen MetallKontakts in direktem Kontakt mit einem Abschnitt der freiliegenden Randoberfläche der geätzten Graphenschicht. Insbesondere sind an dem Ende jedes der „Arme“ der Querschnittsform vier Metallkontakte ausgebildet.
In einer ersten spezifischen Ausführungsform des Verfahrens 100 umfasst das Verfahren 100 ferner einen Schritt 125a, durchgeführt nach Schritt 120, nämlich das Bilden einer Beschichtung aus Aluminiumoxid durch ALD über dem Saphirsubstrat, wodurch das Aluminiumoxid-beschichtete Graphen, die ohmschen Kontakte und das freiliegende Substrat mit einer kontinuierlichen luftbeständigen Beschichtung versehen werden.In a first specific embodiment of the
In einer zweiten spezifischen Ausführungsform umfasst das Verfahren 100 ferner einen Schritt 125b, durchgeführt nach Schritt 120, der das Strukturieren einer Aluminiumoxidbeschichtungsschicht durch e-Strahlverdampfung auf das Substrat umfasst, wodurch das Aluminiumoxid-beschichtete Graphen mit einer kontinuierlichen luftbeständigen Beschichtung versehen wird. Die durch Schritt 125b bereitgestellte Aluminiumoxidbeschichtung beschichtet und schützt daher die freigelegte(n) Rand/Ränder, der/die nicht mit dem ohmschen Kontakt in Kontakt stehen, und das Muster der Beschichtung ist die gleiche geometrische Querschnittsform, jedoch geometrisch größer. Zum Beispiel können die maximale Breite und/oder die maximale Höhe der Form 10 % größer oder sogar 20 % größer als die des strukturierten Aluminiumoxids 110. Der Strukturierungsschritt hinterlässt auch einen Abschnitt jedes Metallkontakts, der zur Verbindung mit einer elektronischen Schaltung freigelegt ist.In a second specific embodiment, the
In einer dritten spezifischen Ausführungsform umfasst das Verfahren 100 ferner einen Schritt 125c zum Bilden einer Beschichtung vor Schritt 120. Schritt 125c beinhaltet das Bilden einer Beschichtung, um die Aluminiumoxid-beschichtete Graphen-Monoschicht mit einer kontinuierlichen luftbeständigen Beschichtung aus Aluminiumoxid zu versehen (d. h. derart, dass die freiliegende Randoberfläche beschichtet ist). In dieser Ausführungsform umfasst Schritt 120 ferner einen Schritt des selektiven Laserätzens von vier Abschnitten der Beschichtung am Ende jedes der „Arme“ der darunterliegenden Querschnittsform, um die entsprechenden Abschnitte der Randoberfläche des Graphen freizulegen. Wie durch Verfahren 100 erforderlich beinhaltet Schritt 120 dann das Bilden der ohmschen Metall-Kontakte in direktem Kontakt mit der freiliegenden Randoberfläche in jedem der selektiv Ätzabschnitte.In a third specific embodiment, the
Der Vorläufer für elektronische Vorrichtungen 200 wird aus einem Saphirsubstrat 205 gebildet, auf dem eine plasmaätzbare 2D-Materialschicht 210 vorhanden ist, die eine Graphenschichtstruktur umfasst. Die 2D-Materialschicht 210 weist eine Form auf, die durch die Aluminiumoxidschicht 215 definiert ist, die darauf gebildet ist. Dementsprechend teilen sich die 2D-Materialschicht und das Aluminiumoxid eine durchgehende Randoberfläche, wobei sich die Graphenschichtstruktur zu diesem Rand erstreckt.The
Der Vorläufer 200 umfasst ferner zwei ohmsche Kontakte 220a und 220b, die jeweils in direktem Kontakt mit dem Rand der 2D-Materialschicht 210 und daher auch der Graphenschichtstruktur steht. Kein Kontaktmaterial befindet sich auf der Oberfläche der 2D-Materialschicht 210, da sich das Aluminiumoxid und 2 D-Material eine durchgehende Randoberfläche teilen und von derselben Form sind. Vorteilhafterweise führt der Kontakt nicht zu einer nennenswerten Dotierung des 2D-Materials, wie es beobachtet werden kann, wenn Kontakte auf der ebenen Oberfläche eines 2 D-Materials bereitgestellt werden. Ferner stellt der Randkontakt eine verbesserte Ladungsinjektion relativ zur Oberflächenladungsinjektion bereit, die die Gesamteffizienz verbessert (zum Beispiel durch Reduzieren jeglicher elektrischer Verluste als Wärme).The
Auf der Aluminiumoxidbeschichtung 215, den Kontakten 220a und 220b und dem Substrat 205 wird eine durchgehende luftbeständige Beschichtung aus Siliziumdioxid gebildet. Die Beschichtung 225 stellt einen hervorragenden Schutz vor atmosphärischer Kontamination bereit, indem das Eindringen von beispielsweise Sauerstoffgas und Wasserdampf verhindert wird. Der Vorläufer 200 umfasst ferner Drähte 230a und 230b, die mit den ohmschen Kontakten 220a und 220b verbunden sind. Die Drähte 230a und 230b stellen ein Mittel zur elektrischen Konnektivität zu den ohmschen Kontakten bereit und ragen daher aus der Beschichtung heraus.A continuous air-resistant coating of silicon dioxide is formed on the
Die Erfinder haben festgestellt, dass der Vorläufer der elektronischen Vorrichtung 200 eine elektronische Vorrichtung mit hervorragender Stabilität bereitstellt. Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, dass eine aus dem Vorläufer gebildete Vorrichtung 200 eine Verschlechterungsrate von weniger als 0,01 %/Tag (gemessen in Bezug auf die anfängliche Trägerkonzentration und damit die Empfindlichkeit, der Vorrichtung und der Herstellungsort) aufweist.The inventors have found that the
Zum Vergleich wurde festgestellt, dass bei einer Vorrichtung, die aus einem Vorläufer gebildet wird, wobei die Beschichtung (z. B. Beschichtung 215) nicht bereitgestellt und stattdessen ein Keramikdeckel verwendet wird, um die Komponenten „abzudichten“ (wie im Stand der Technik bekannt und die auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann), sich die Empfindlichkeit einer solchen Vorrichtung mit einer Geschwindigkeit von 0,5 %/Tag verschlechtert. Ebenso haben die Erfinder festgestellt, dass das Fehlen einer Beschichtung oder eines keramischen Deckels noch wesentlich größer war. For comparison, it was found that in a device formed from a precursor, the coating (e.g., coating 215) is not provided and instead a ceramic lid is used to "seal" the components (as is known in the art and which can also be used in combination with the present invention), the sensitivity of such a device deteriorates at a rate of 0.5%/day. The inventors also found that the lack of a coating or a ceramic lid was significantly greater.
Als weiteren Vergleich haben die Erfinder festgestellt, dass bei Vorrichtungen, die unter Verwendung einer organischen, PMMA-Beschichtung gebildet werden, die einen höheren Schutz gegen eine Verschlechterung gegenüber bekannten Keramikdeckeln bieten, solche Vorrichtungen eine Verschlechterungsrate zwischen 0,03 %/Tag und 0,1 %/Tag zeigen.As a further comparison, the inventors have found that for devices formed using an organic PMMA coating that provide greater protection against deterioration over known ceramic lids, such devices have a deterioration rate of between 0.03%/day and 0. Show 1%/day.
Die Erfinder haben auch festgestellt, dass, wenn Metallkontakte vor dem Strukturieren einer dielektrischen Schicht auf Graphen abgeschieden werden, das Metall zu einer starken Dotierung des Graphen größer ist als 1012 cm-2 und sogar größer als 1013 cm-2 führt, wodurch die Empfindlichkeit erheblich reduziert wird.The inventors have also found that when metal contacts are deposited on graphene before patterning a dielectric layer, the metal results in heavy doping of the graphene greater than 10 12 cm -2 and even greater than 10 13 cm -2 , thereby causing the Sensitivity is significantly reduced.
Der Vorläufer für elektronische Vorrichtungen 300 umfasst ein Saphirsubstrat 305, auf dem eine plasmaätzbare 2D-Materialschicht 310 vorhanden ist. In dieser Ausführungsform besteht die 2D-Materialschicht aus einem bi-schichtigen Graphen (d. h. einer Graphen-Monoschicht, mit 2 Graphenschichten). Darauf ist eine strukturierte Schicht aus Siliziumdioxid 315 gebildet, die sich eine durchgehende Randoberfläche mit dem bi-schichtigen Graphen 310 teilt. Abgeschieden auf der Oberfläche der strukturierten Siliziumdioxidschicht 315 ist eine durchgehende luftbeständige Beschichtung 325. Die Beschichtung 325 wird auch auf einem angrenzenden Abschnitt der Oberfläche des Substrats 305 abgeschieden.
Die Kontakte 320 stehen in direktem Kontakt mit einer Randoberfläche des Zweischichtgraphens sowie der Siliziumdioxid- und Aluminiumoxidbeschichtungen darauf. Der Vorläufer 300 kann durch das hierin beschriebene Verfahren erhalten werden, das das selektive Ätzen einer Beschichtung umfasst, die vor dem Bilden der ohmschen Kontakte gebildet wird. Dementsprechend erstrecken sich die Kontakte von der Oberfläche des Substrats 305, welche während des Ätzprozesses auf die Oberfläche der Beschichtung 325 freigelegt werden. In dieser Ausführungsform werden Lötkugeln (oder Lötbälle) 330 auf dem freiliegenden Abschnitt des ohmschen Kontakts derart bereitgestellt, dass der Vorläufer 300 kann als „Flip-Chip“ beschrieben werden kann. The
Die vorliegenden Erfinder haben Raman-Spektren verwendet, die an verschiedenen Positionen des Vorrichtungsvorläufers erhalten werden, um das Vorhandensein (und die Qualität) oder das Fehlen von Graphen zu bestätigen. Insbesondere erleichtert das Verfahren der vorliegenden Erfindung das saubere Ätzen von Graphen bis zum Rand des gemusterten Aluminiumoxids, so dass dann ohmsche Kontakte bereitgestellt werden können, ohne die schützende Aluminiumoxidschicht entfernen zu müssen. Ferner zeigen die Raman-Spektren des Graphen, dass die Qualität des Graphen proximal zu dem Rand mit der Qualität des Rests der darunter liegenden und geschützten Graphenabschnitte vergleichbar sein kann (wie am Beschriftungspunkt 415 für den Graphenstapel und das strukturierte Aluminiumoxid in
Ferner umfasst jeder Vorläufer zwei ohmsche Kontakte (620a und 620a'), von denen Abschnitte nicht durch die Beschichtung eingekapselt sind (625 a).Furthermore, each precursor includes two ohmic contacts (620a and 620a'), portions of which are not encapsulated by the coating (625a).
BeispieleExamples
Gemäß einem ersten Beispiel:
- 1. Graphen wurde nach dem Prozess in WO2017/ 029470 auf einem Saphirsubstrat gezüchtet.
- 2. Al2O3 wurde durch thermisches Verdampfen durch eine Schattenmaske mit Öffnungen in Form eines Kreuzes auf das Graphen eingedampft. Die Dicke des verdampften Al2O3 betrug 10 nm.
- 3. Das Graphen wurde in Bereichen, in denen es freiliegt, als die oberste Schicht durch Plasmaätzen entfernt. Die dafür verwendeten Einstellungen waren 40 % (auf einer 100-W-Vorrichtung) mit einer
Sauerstoffdurchflussrate von 6 sccm für 30 Sekunden. - 4. Unter Verwendung einer anderen Schattenmaske wurden Ti/Au-stabförmige Kontakte auf die Enden der Arme des Kreuzes eingedampft. Diese wurden durch
Verdampfen von 10 nmTi und dann 120 nm Au hergestellt. Sie wurden in Bezug auf die Kreuzarme so positioniert, dass sie an den Enden der Kreuzarme am Rand des Graphens anliegen und seitlich weg von den Kreuzarmen verlaufen. - 5. Eine zweite Schicht von verdampftem AI2O3 wurde über die erste Schicht in einer Kreuzform abgeschieden, die größer als die erste ist, sodass sie den ersten Kreuz- und linken Teil jedes Stabkontakts freilegt.
- 6. Dies ergab Vorrichtungen auf Waferbasis, die dann über Standard-BEOL-Verarbeitung verarbeitet wurden.
- 1. Graphene was grown on a sapphire substrate according to the process in WO2017/029470.
- 2. Al 2 O 3 was evaporated onto the graphene by thermal evaporation through a shadow mask with openings in the shape of a cross. The thickness of the evaporated Al 2 O 3 was 10 nm.
- 3. The graphene was removed as the top layer by plasma etching in areas where it was exposed. The settings used for this were 40% (on a 100 W device) with an oxygen flow rate of 6 sccm for 30 seconds.
- 4. Using another shadow mask, Ti/Au rod-shaped contacts were evaporated onto the ends of the arms of the cross. These were prepared by evaporating 10 nm Ti and then 120 nm Au. They were positioned in relation to the cross arms so that they rest at the ends of the cross arms on the edge of the graph and extend laterally away from the cross arms.
- 5. A second layer of vaporized Al 2 O 3 was deposited over the first layer in a cross shape larger than the first, exposing the first cross and left part of each rod contact.
- 6. This resulted in wafer-based devices which were then processed via standard BEOL processing.
Gemäß einem zweiten Beispiel:
- 1. Graphen wurde nach dem Prozess in WO2017/ 029470 auf einem Saphirsubstrat gezüchtet.
- 2. AI2O3 wurde durch thermisches Verdampfen durch eine Schattenmaske mit Öffnungen in Form eines Kreuzes auf das Graphen eingedampft. Die Dicke des verdampften AI2O3 betrug 10 nm.
- 3. Das Graphen wurde in Bereichen, in denen es freiliegt, als die oberste Schicht durch Plasmaätzen entfernt. Die dafür verwendeten Einstellungen waren 40 % (auf einer 100-W-Vorrichtung) mit einer
Sauerstoffdurchflussrate von 6 sccm für 30 Sekunden. - 4. Unter Verwendung einer anderen Schattenmaske wurden Ti/Au-stabförmige Kontakte auf die Enden der Arme des Kreuzes eingedampft. Diese wurden durch
Verdampfen von 10 nmTi und dann 120 nm Au hergestellt. Sie wurden in Bezug auf die Kreuzarme so positioniert, dass sie an den Enden der Kreuzarme am Rand des Graphens anliegen und seitlich weg von den Kreuzarmen verlaufen. - 5. Eine zweite Schicht aus AI2O3 wurde über den gesamten Wafer unter Verwendung von ALD abgeschieden. Diese Schicht war 65 nm dick.
- 6. Dies ergab Vorrichtungen auf Waferbasis, die dann über Standard-BEOL-Verarbeitung verarbeitet wurden.
- 1. Graphene was grown on a sapphire substrate according to the process in WO2017/029470.
- 2. AI 2 O 3 was evaporated onto the graphene by thermal evaporation through a shadow mask with openings in the shape of a cross. The thickness of the evaporated Al 2 O 3 was 10 nm.
- 3. The graphene was removed as the top layer by plasma etching in areas where it was exposed. The settings used for this were 40% (on a 100 W device) with an oxygen flow rate of 6 sccm for 30 seconds.
- 4. Using another shadow mask, Ti/Au rod-shaped contacts were evaporated onto the ends of the arms of the cross. These were prepared by evaporating 10 nm Ti and then 120 nm Au. They were in Reference to the cross arms positioned so that they rest at the ends of the cross arms on the edge of the graph and extend laterally away from the cross arms.
- 5. A second layer of Al 2 O 3 was deposited over the entire wafer using ALD. This layer was 65 nm thick.
- 6. This resulted in wafer-based devices which were then processed via standard BEOL processing.
Wie hierin verwendet, schließt die Singularform von „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ Verweise auf den Plural mit ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes gebietet. Die Verwendung des Begriffs „umfassend“ ist so auszulegen, dass er solche Merkmale umfasst, aber andere Merkmale nicht ausschließt, und er soll auch die Option einschließen, dass die Merkmale notwendigerweise auf die beschriebenen beschränkt werden. Mit anderen Worten schließt der Begriff auch die Einschränkungen „im Wesentlichen bestehend aus“ (gemeint ist, dass bestimmte weitere Komponenten vorhanden sein können, sofern sie die wesentliche Eigenschaft des beschriebenen Merkmals nicht erheblich beeinträchtigen) und „bestehend aus“ (gemeint ist, dass kein weiteres Merkmal enthalten sein darf, so dass, wenn die Komponenten als Prozentsätze nach ihren Anteilen ausgedrückt würden, diese sich auf 100 % summieren würden, unter Berücksichtigung unvermeidbarer Verunreinigungen) ein, es sei denn, der Kontext schreibt eindeutig etwas anderes vor.As used herein, the singular form of "a", "an" and "the", "the", "the" includes references to the plural unless the context clearly requires otherwise. The use of the term “comprehensive” should be construed to include such features but not to exclude other features, and should also include the option that the features are necessarily limited to those described. In other words, the term also excludes the restrictions “substantially consisting of” (meaning that certain additional components may be present provided they do not significantly impair the essential property of the feature described) and “consisting of” (meaning that none further feature may be included so that if the components were expressed as percentages of their proportions, they would add up to 100%, taking into account unavoidable impurities), unless the context clearly dictates otherwise.
Es versteht sich, dass die Begriffe „erste/r/s“, „zweite/r/s“ usw. in diesem Schriftstück unter Umständen dazu verwendet werden, verschiedene Elemente, Schichten und/oder Anteile zu beschreiben, wobei die Elemente, Schichten und/oder Anteile aber durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden sollten. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element, eine Schicht oder einen Anteil von einem anderen oder einem weiteren Element, einer weiteren Schicht oder einem weiteren Anteil zu unterscheiden. Es versteht sich, dass der Begriff „auf“ „direkt auf“ derart bedeuten soll, dass keine dazwischenliegenden Schichten zwischen einem Material vorhanden sind, das als „auf“ einem anderen Material befindlich bezeichnet werden kann. Räumlich relative Begriffe wie „unten“, „unterhalb“, „unterer/e/s“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier zur einfacheren Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) oder (einem) anderen Merkmal(en) zu beschreiben. Es versteht sich, dass die raumbezogenen Begriffe zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung verschiedene Orientierungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb einschließen sollen. Wenn beispielsweise das Bauelement in den Figuren umgedreht wird, wären Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ von anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben werden, „oberhalb“ der anderen Elemente oder Merkmale orientiert. Somit kann der beispielhafte Begriff „unten“ sowohl eine Orientierung von oben als auch von unten beinhalten. Das Bauelement kann anderweitig orientiert sein und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können entsprechend interpretiert werden.It is to be understood that the terms "first", "second", etc. may be used throughout this document to describe various elements, layers and/or portions, which elements, layers and /or shares should not be restricted by these terms. These terms are used only to distinguish one element, layer or portion from another or a further element, layer or portion. It is understood that the term "on" is intended to mean "directly on" such that there are no intervening layers between a material that can be described as being "on" another material. Spatially relative terms such as "below", "below", "lower", "above", "above" and the like can be used here for easier description of the relationship of one element or feature to (an) other element (s) or (an) other feature(s). It is understood that the spatial terms are intended to include various orientations of the device in use or operation in addition to the orientation shown in the figures. For example, if the building element in the figures is flipped over, elements described as being “below” or “below” other elements or features would be oriented “above” the other elements or features. Thus, the exemplary term “bottom” can include both an orientation from above and from below. The component can be oriented differently and the spatially relative descriptors used here can be interpreted accordingly.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung dient der Erläuterung und Veranschaulichung und soll den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht einschränken. Viele Variationen der hierin veranschaulichten gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden einem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein und bleiben innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.The foregoing detailed description is for purposes of explanation and illustration and is not intended to limit the scope of the appended claims. Many variations of the presently preferred embodiments illustrated herein will be apparent to one of ordinary skill in the art and remain within the scope of the appended claims and their equivalents.
Die vorliegende Erfindung kann auch auf die folgenden nummerierten Klauseln erweitert werden:
- 1. Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Vorrichtungsvorläufers, das Verfahren umfassend:
- (i) Bereitstellen einer plasmaätzbaren Schichtstruktur auf einem plasmabeständigen Substrat, wobei die Schichtstruktur eine freiliegende obere Oberfläche aufweist;
- (ii) Strukturieren eines plasmabeständigen Dielektrikums auf der freiliegenden oberen Oberfläche, um ein Zwischenprodukt mit mindestens einem bedeckten Bereich und mindestens einem unbedeckten Bereich der Schichtstruktur zu bilden,
- (iii) Unterziehen des Zwischenprodukts einer Plasmaätzung, wobei der mindestens eine unbedeckte Bereich der Schichtstruktur weggeätzt wird, um mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur mit einer freiliegenden Randoberfläche zu bilden;
- (iv) Bilden eines ohmschen Kontakts in direktem Kontakt mit einem Abschnitt der freiliegenden Randoberfläche;
- 2. Verfahren nach Klausel 1, wobei das plasmabeständige Substrat Saphir, Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliciumcarbid, Germanium oder ein 111-V-Halbleiter ist.
- 3. Verfahren nach Klausel 1
oder Klausel 2, wobei das plasmabeständige Dielektrikum ein anorganisches Oxid, Nitrid, Carbid, Fluorid oder Sulfid, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid, ist. - 4. Verfahren nach einer der vorstehenden Klauseln, wobei das Plasmaätzen ein Sauerstoff-Plasmaätzen umfasst.
- 5. Verfahren nach einer der vorstehenden Klauseln, wobei die plasmaätzbare Schichtstruktur aus einer oder mehreren 2D-Materialschichten besteht.
- 6.
Verfahren nach Klausel 5, wobei die plasmaätzbare Schichtstruktur aus einer oder mehreren Graphenschichten und optional einer oder mehreren Schichten aus Silicen, Germanen, h-BN, Borophen und/oder einem TMDC besteht. - 7. Verfahren nach einer der vorstehenden Klauseln, wobei der ohmsche Kontakt ein Metallkontakt, vorzugsweise ein Goldkontakt, ist.
- 8. Verfahren nach einer der vorstehenden Klauseln, wobei Schritt (ii) das Bilden umfasst von:
- (i) einer oder mehreren rechteckigen Regionen des plasmabeständigen Dielektrikums, und wobei der Vorläufer der elektronischen Vorrichtung zum Bilden eines Transistors dient; oder
- (ii) einer oder mehreren kreuzförmigen Regionen des plasmabeständigen Dielektrikums, und wobei der Vorläufer der elektronischen Vorrichtung zum Bilden eines Hall-Sensors dient.
- 9. Verfahren nach einer der vorstehenden Klauseln, wobei Schritt (ii) das Strukturieren eines plasmabeständigen Dielektrikums durch e-Strahlverdampfung, vorzugsweise unter Verwendung einer Maske, umfasst.
- 10. Verfahren nach einer der vorstehenden Klauseln, wobei das Verfahren das Bilden eines Arrays von bedeckten Regionen umfasst, die jeweils einem Vorläufer einer elektronischen Vorrichtung entsprechen.
- 11.
Verfahren nach Klausel 9, wobei das Verfahren ferner das (vi) Zerteilen des Substrats umfasst, um elektronische Vorrichtungsvorläufer des Arrays zu trennen. - 12. Verfahren nach einer der vorstehenden Klauseln, wobei das Verfahren entweder vor oder nach Schritt (iv) ferner (v) das Bilden einer Beschichtung umfasst, um den bedeckten Bereich der Schichtstruktur mit einer kontinuierlichen luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen.
- 13.
Verfahren nach Klausel 12, wobei die Beschichtung ein anorganisches Oxid, Nitrid, Carbid, Fluorid oder Sulfid, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid, ist. - 14.
Verfahren nach Klausel 12 oder Klausel 13, wobei:- Schritt (v) nach Schritt (iv) durchgeführt wird und der ohmsche Kontakt auf dem plasmabeständigen Substrat gebildet wird; und
- wobei die Beschichtung durch ALD über dem plasmabeständigen Substrat gebildet wird, um den mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur, den ohmschen Kontakt und die verbleibende freiliegende Randoberfläche mit einer durchgehenden luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen.
- 15.
Verfahren nach Klausel 14, wobei das Verfahren ferner das Drahtbonden des ohmschen Kontakts des Vorrichtungsvorläufers durch die Beschichtung umfasst. - 16.
Verfahren nach Klausel 12 oder Klausel 13, wobei:- Schritt (v) nach Schritt (iv) durchgeführt wird und der ohmsche Kontakt auf dem plasmabeständigen Substrat gebildet wird; und
- wobei die Beschichtung durch Strukturieren einer Beschichtung auf dem plasmabeständigen Substrat gebildet wird, um den mindestens einen bedeckten Bereich der Schichtstruktur und die verbleibende freiliegende Randoberfläche mit einer durchgehenden luftbeständigen Beschichtung bereitzustellen.
- 17.
Verfahren nach Klausel 16, wobei die Beschichtung durch e-Strahlverdampfung gebildet wird. - 18.
Verfahren nach Klausel 12 oder Klausel 13, wobei:- Schritt (v) vor Schritt (iv) durchgeführt wird und das selektive Ätzen eines oder mehrerer Abschnitte der Beschichtung, um entsprechende Abschnitte der Randoberfläche freizulegen, umfasst, und Schritt (iv) das Bilden eines ohmschen Kontakts in direktem Kontakt mit jedem freiliegenden Abschnitt der Randoberfläche umfasst.
- 19.
Verfahren nach Klausel 18, wobei das selektive Ätzen durch Laserätzen oder reaktives Ionenätzen durchgeführt wird. - 20. Verfahren nach einer der Klauseln 16 bis 19, wobei das Verfahren ferner das Abscheiden einer Lötkugel auf dem ohmschen Kontakt oder dem Drahtbonden des ohmschen Kontakts umfasst.
- 21. Elektronischer Vorrichtungsvorläufer, umfassend:
- ein Substrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- eine untere Schicht auf einer ersten Region des Substrats, wobei die untere Schicht eine oder mehrere Graphenschichten umfasst, die sich über die untere Schicht erstrecken, und
- eine obere Schicht auf der unteren Schicht, die aus einem dielektrischen Material gebildet ist,
- wobei die untere und obere Schicht gemeinsam eine durchgehende Außenrandoberfläche nutzen,
- einen ohmschen Kontakt, der auf einer weiteren Region des Substrats bereitgestellt ist und in direktem Kontakt mit der einen oder den mehreren Graphenschichten über die durchgehende Außenrandoberfläche steht, und
- eine durchgehende luftbeständige Beschichtung auf dem Substrat, die Schichtstruktur und mindestens einen ohmschen Kontakt.
- ein Substrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- 22. Elektronischer Vorrichtungsvorläufer, umfassend:
- ein Substrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- eine untere Schicht auf einer ersten Region des Substrats, wobei die untere Schicht eine oder mehrere Graphenschichten umfasst, die sich über die untere Schicht erstrecken, und
- eine obere Schicht auf der unteren Schicht, die aus einem dielektrischen Material gebildet ist,
- wobei die untere und obere Schicht eine gemeinsam eine durchgehende Außenrandoberfläche nutzen,
- einen ohmschen Kontakt, der auf einer weiteren Region des Substrats bereitgestellt ist und in direktem Kontakt mit der einen oder den mehreren Graphenschichten über die durchgehende Außenrandoberfläche steht, und
- eine durchgehende luftbeständige Beschichtung, die die Schichtstruktur umschließt.
- ein Substrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- 23. Elektronischer Vorrichtungsvorläufer, umfassend:
- ein Substrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- eine untere Schicht auf einer ersten Region des Substrats, wobei die untere Schicht eine oder mehrere Graphenschichten umfasst, die sich über die untere Schicht erstrecken, und
- eine obere Schicht auf der unteren Schicht, die aus einem dielektrischen Material gebildet ist,
- wobei die untere und obere Schicht gemeinsam eine durchgehende
- Außenrandoberfläche nutzen,
- einen ohmschen Kontakt, der in direktem Kontakt mit der einen oder den mehreren Graphenschichten über die durchgehende Außenrandoberfläche steht, und
- eine durchgehende luftbeständige Beschichtung, die die Schichtstruktur umschließt.
- ein Substrat mit einer Schichtstruktur darauf, wobei die Schichtstruktur umfasst:
- 24. Vorläufer der elektronischen Vorrichtung gemäß Klausel 21, erhältlich nach dem Verfahren zur Klausel 14 oder nach Klausel 22, erhältlich nach dem
Verfahren zur Klausel 16, oder nach Klausel 23, erhältlich nach dem Verfahren zur Klausel 16oder Klausel 18.
- 1. A method for producing an electronic device precursor, the method comprising:
- (i) providing a plasma-etchable layer structure on a plasma-resistant substrate, the layer structure having an exposed top surface;
- (ii) patterning a plasma-resistant dielectric on the exposed top surface to form an intermediate product having at least one covered area and at least one uncovered area of the layered structure,
- (iii) subjecting the intermediate product to a plasma etch, wherein the at least one uncovered region of the layered structure is etched away to form at least a covered region of the layered structure with an exposed edge surface;
- (iv) forming an ohmic contact in direct contact with a portion of the exposed edge surface;
- 2. The method according to clause 1, wherein the plasma-resistant substrate is sapphire, silicon, silicon dioxide, silicon nitride, silicon carbide, germanium or a 111 V semiconductor.
- 3. Method according to clause 1 or
clause 2, wherein the plasma-resistant dielectric is a inorganic oxide, nitride, carbide, fluoride or sulfide, preferably aluminum oxide or silicon dioxide. - 4. A method according to any of the preceding clauses, wherein the plasma etching comprises oxygen plasma etching.
- 5. Method according to one of the above clauses, wherein the plasma-etchable layer structure consists of one or more 2D material layers.
- 6. Method according to
clause 5, wherein the plasma-etchable layer structure consists of one or more graphene layers and optionally one or more layers of silicene, germanene, h-BN, borophene and / or a TMDC. - 7. Method according to one of the above clauses, wherein the ohmic contact is a metal contact, preferably a gold contact.
- 8. A method according to any of the preceding clauses, wherein step (ii) comprises forming:
- (i) one or more rectangular regions of the plasma resistant dielectric, and wherein the precursor of the electronic device serves to form a transistor; or
- (ii) one or more cross-shaped regions of the plasma-resistant dielectric, and wherein the precursor of the electronic device serves to form a Hall sensor.
- 9. Method according to one of the preceding clauses, wherein step (ii) comprises structuring a plasma-resistant dielectric by e-beam evaporation, preferably using a mask.
- 10. A method according to any of the preceding clauses, wherein the method comprises forming an array of covered regions, each corresponding to a precursor of an electronic device.
- 11. The method of
clause 9, the method further comprising (vi) dividing the substrate to separate electronic device precursors of the array. - 12. A method according to any of the preceding clauses, wherein either before or after step (iv), the method further comprises (v) forming a coating to provide the covered area of the layered structure with a continuous air-resistant coating.
- 13. A method according to
clause 12, wherein the coating is an inorganic oxide, nitride, carbide, fluoride or sulfide, preferably aluminum oxide or silicon dioxide. - 14. Procedure under
clause 12 or clause 13, where:- step (v) is carried out after step (iv) and the ohmic contact is formed on the plasma-resistant substrate; and
- wherein the coating is formed by ALD over the plasma resistant substrate to provide the at least one covered area of the layered structure, the ohmic contact and the remaining exposed edge surface with a continuous air resistant coating.
- 15. The method of
clause 14, the method further comprising wire bonding the ohmic contact of the device precursor through the coating. - 16. Procedure under
clause 12 or clause 13, where:- step (v) is carried out after step (iv) and the ohmic contact is formed on the plasma-resistant substrate; and
- wherein the coating is formed by patterning a coating on the plasma resistant substrate to provide the at least one covered region of the layered structure and the remaining exposed edge surface with a continuous air resistant coating.
- 17. Process according to
clause 16, wherein the coating is formed by e-beam evaporation. - 18. Procedure under
clause 12 or clause 13, where:- Step (v) is performed before step (iv) and includes selectively etching one or more portions of the coating to expose corresponding portions of the edge surface, and step (iv) forming an ohmic contact in direct contact with each exposed portion of the edge surface includes.
- 19. The method referred to in
clause 18, wherein the selective etching is carried out by laser etching or reactive ion etching. - 20. The method of any of
clauses 16 to 19, wherein the method further comprises depositing a solder ball on the ohmic contact or wire bonding the ohmic contact. - 21. Electronic device precursor comprising:
- a substrate having a layer structure thereon, the layer structure comprising:
- a bottom layer on a first region of the substrate, the bottom layer comprising one or more graphene layers extending over the bottom layer, and
- an upper layer on the lower layer formed from a dielectric material,
- whereby the lower and upper layers share a continuous outer edge surface,
- an ohmic contact provided on another region of the substrate and in direct contact with the one or more graphene layers via the continuous outer edge surface, and
- a continuous air-resistant coating on the substrate, the layer structure and at least one ohmic contact.
- a substrate having a layer structure thereon, the layer structure comprising:
- 22. Electronic device precursor comprising:
- a substrate having a layer structure thereon, the layer structure comprising:
- a bottom layer on a first region of the substrate, the bottom layer comprising one or more graphene layers extending over the bottom layer, and
- an upper layer on the lower layer formed from a dielectric material,
- wherein the lower and upper layers share a continuous outer edge surface,
- an ohmic contact provided on another region of the substrate and in direct contact with the one or more graphene layers via the continuous outer edge surface, and
- a continuous air-resistant coating that encloses the layered structure.
- a substrate having a layer structure thereon, the layer structure comprising:
- 23. Electronic device precursor comprising:
- a substrate having a layer structure thereon, the layer structure comprising:
- a bottom layer on a first region of the substrate, the bottom layer comprising one or more graphene layers extending over the bottom layer, and
- an upper layer on the lower layer formed from a dielectric material,
- whereby the lower and upper layers together form a continuous layer
- Use outer edge surface,
- an ohmic contact in direct contact with the one or more graphene layers via the continuous outer edge surface, and
- a continuous air-resistant coating that encloses the layered structure.
- a substrate having a layer structure thereon, the layer structure comprising:
- 24. Precursor to the electronic device referred to in clause 21, obtainable under the procedure under
clause 14, or under clause 22, obtainable under the procedure underclause 16, or under clause 23, obtainable under the procedure underclause 16 orclause 18.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- GB 2570124 A [0011]GB 2570124 A [0011]
- WO 2017/029470 [0056, 0057]WO 2017/029470 [0056, 0057]
- WO 2017/029470 A [0119, 0121]WO 2017/029470 A [0119, 0121]
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