专利名称：一种霍尔元件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种霍尔元件及其制备方法，特别的，涉及一种采用石墨烯材料作为有源区的霍尔元件以及其制备方法。
背景技术：
霍尔元件就是利用霍尔效应探测磁场的半导体器件，又称霍尔传感器，霍尔元件应用非常广泛，例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制，因此在汽车安全装置 ABS、汽车发动机点火定时、电流电压传感器、无刷电机、齿轮转速检测、过程控制中的无触点开关、定位开关等领域有着广泛的应用，另外作为磁探测器在航海、航空、航天、地址探测、磁性材料及测磁仪器研究等领域有着非常重要的应用。霍尔元件目前采用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb, GaAs, InAs, InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料，但是传统半导体材料制备的霍尔元件都存在着明显的缺陷，比如硅和锗由于载流子迁移率较低，因此制备的霍尔元件灵敏度较低，而基于MSb等高迁移率半导体材料制备的霍尔元件则是温度稳定性较差，且不适合制作集成霍尔电路， 对于多层半导体异质结量子阱材料制备的霍尔元件，工艺非常复杂、制备成本很高。因此缺乏一种综合性能都很优异的材料来制作霍尔元件，使得霍尔元件在灵敏度、温度漂移、制作工艺复杂程度以及成本方面都具有很大优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灵敏度高、温度稳定性好、制作工艺简单的霍尔元件。本发明的技术方案如下一种霍尔元件，包括一对激励电极、一对霍尔电极和有源区，其特征在于，所述有源区的材料是石墨烯，一对激励电极分别与有源区沟道两端接触，一对霍尔电极分别与有源区沟道两侧接触。上述激励电极与石墨烯沟道两端接触以提供电流源或电压源，霍尔电极与石墨烯沟道两侧接触用于输出霍尔电压。上述作为有源区的石墨烯材料的形状可以是十字形、矩形或者其它可产生霍尔电压的形状。本发明中，作为有源区的石墨烯可以是单层的或者多层的。石墨烯有源区可以位于绝缘基底上，也可以是悬空的。所述绝缘基底可以是覆盖有S^2的硅片，也可以是SiC、 石英、云母、玻璃、氮化硼(BN)等绝缘材料基片。图1所示的霍尔元件中，石墨烯材料被裁成十字形(图la)或者矩形(图lb)，两个激励电极2和3分别与石墨烯沟道1两端电学接触，两个霍尔电极4和5则与石墨烯沟道 1的两个侧面发生电学接触。器件工作时，磁场方向垂直于器件平面(石墨烯材料平面)， 在两个激励电极2和3之间施加一个恒定电压源或者电流源，由于霍尔效应，霍尔电极4与5之间就会产生霍尔电压。根据激励电极2和3之间施加的电源的类型，该霍尔器件可以工作在不同模式，如果加恒流源，就是电流模式，如果加恒压源，就是电压模式。本发明中所用的石墨烯可以是单层或者多层的，而且可以通过不同的方式制备得到的。比如通过机械剥离、化学气相沉积(CVD)、偏析法等等方法生长的石墨烯都可以用来制备霍尔元件。本发明中的石墨烯霍尔元件可以直接在绝缘基底上制备，例如通过机械剥离将石墨烯分散到绝缘基底上，或者采用化学气相沉淀将石墨烯生长在绝缘基底上，也可以通过化学气相沉积或金属偏析法在金属上生长石墨烯，然后再将石墨烯转移到绝缘基底上面， 而且霍尔元件的沟道部分可以是悬空的。本发明霍尔元件的制备方法非常简单，包括制备激励电极和霍尔电极与石墨烯材料电学连接，并通过光刻定义并刻蚀石墨烯材料形成有源区的形状。具体可以包括下述步骤1)在绝缘基底上制备石墨烯，或者在金属上生长石墨烯后再将石墨烯转移到绝缘基底上；2)通过光刻在绝缘基底上定义激励电极和霍尔电极的图形，然后沉积一层金属， 并通过剥离的方法形成电极的形状；3)通过光刻在石墨烯上定义有源区的形状，然后刻蚀形成石墨烯有源区。上述步骤1)可以通过机械剥离将石墨烯分散到绝缘基底上，或者采用化学气相沉淀将石墨烯生长在绝缘基底上，或者采用化学气相沉积或者金属偏析法在金属上生长石墨烯，然后将金属上的石墨烯转移到绝缘基底上。上述步骤2、可以采用电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射或者其它镀膜方式沉积金属电极。上述步骤幻光刻定义有源区的形状后，可以通过氧等离子刻蚀或者其它刻蚀方法形成所需石墨烯的形状。本发明基于石墨烯的霍尔元件具有较高的灵敏度、非常优异的线性度和温度稳定性，而且在电压模式和电流模式下都可以较好地工作，工作温度范围极大，这些优势源于石墨烯材料的独特性质。石墨烯是指由单层或少数几层呈正六边形排布的SP2杂化C原子构成的二维材料，其本征载流子迁移率非常高，在室温下可以达到200，000cm7V. s，远远高于常用的半导体材料，而且其厚度非常薄，单层只有0. 3纳米左右，该材料本身对磁场的屏蔽非常小，因此会大大提高霍尔元件的灵敏度。更为重要的是，由于石墨烯的能带结构比较特殊，其载流子迁移率对温度和载流子浓度并不敏感，这将保证霍尔元件在非常大的温度范围都会具有很好的稳定性。另外，从制备方面来看，石墨烯可以用来制备一些基于场效应晶体管的集成电路，因此适合于制备霍尔集成电路，而且，石墨烯霍尔器件的制备工艺极为简单，大大降低了器件的成本。
图1 (a)显示了一个有源区形状为十字形的石墨烯霍尔器件的俯视图；图1 (b)显示了一个有源区形状为矩形的石墨烯霍尔器件的俯视图；图2(a)显示了工作在电流模式下、不同环境温度下的石墨烯霍尔元件的霍尔电压随磁场强度的变化关系，其中电流偏置为100微安，温度为分别是I、10K、50K、100K、 150Κ、200Κ、250Κ、300Κ 和 350Κ ；图2(b)显示了工作在电流模式下，石墨烯霍尔元件的灵敏度随温度的变化关系， 其中电流偏置为100微安；图2(c)显示了工作在电压模式下，石墨烯霍尔元件的霍尔电压随磁场强度的变化关系，其中按图中箭头所指方向各曲线对应的激励电压分别为0. 5V、1V、2V和4V。
具体实施例方式下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。如图1所示的石墨烯霍尔元件，作为有源区的石墨烯材料为十字形(图1(a))或者矩形(图1 (b))，有一对激励电极2和3与石墨烯沟道1两端接触提供电流源或者电压源，还有一对霍尔电极4和5与石墨烯沟道1两侧接触用于测试霍尔电压。该霍尔元件的具体制备步骤如下1、通过机械剥离将石墨烯分散到绝缘基底上，或者采用化学气相沉淀将石墨烯生长在绝缘基底上，或者通过化学气相沉积或者金属偏析在金属上生长石墨烯，然后再将石墨烯转移到绝缘基底上面；2、通过光刻的方法在绝缘基底上定义电极的图形，包括一对激励电极和一对霍尔电极，然后采用电子束蒸发或者热蒸发或者磁控溅射或者其它镀膜方式沉积一层金属电极，通过剥离的方法形成金属电极的形状；3、通过光刻的方法在石墨烯上定义沟道的形状，然后通过氧等离子刻蚀或者其它刻蚀方法形成霍尔元件中石墨烯的形状。本实施例对二氧化硅基底上的十字型石墨烯霍尔元件(有源区沟道长约8微米， 激励电极和输出电极材料为Ti)进行了测试。在电流模式下，石墨烯霍尔器件显示出非常优异的线性度和温度稳定性，图2(a) 显示了工作在电流模式下、不同环境温度下的石墨烯霍尔器件的霍尔电压随磁场强度的变化关系，其中激励电流为100微安，测量温度点为2K、10K、50K、100K、150K、200K、250K、300K 和350Κ，2Κ至300Κ下的曲线几乎完全重合，350Κ下的曲线和其它曲线略有偏差。图2 (b) 给出了电流工作模式下，该霍尔器件的灵敏度随着温度的变化关系，可以看出灵敏度随温度变化很小。在电压模式下，石墨烯霍尔器件同样实现出很好的线性度，如图2(c)所示。图中， 沿箭头方向不同曲线对应的激励电压分别是0. 5V，1V，2V和4V。上述实施例是通过具体的沟道形状和基底，以及制备顺序来阐述的本发明的霍尔元件，但是本发明并不受限于石墨烯形状、基底和制备顺序，任何采用石墨烯材料来制作的霍尔元件都属于本发明的范畴。
权利要求
1.一种霍尔元件，包括一对激励电极、一对霍尔电极和有源区，其特征在于，所述有源区的材料是石墨烯，一对激励电极分别与有源区沟道两端接触，一对霍尔电极分别与有源区沟道两侧接触。
2.如权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于，所述有源区的形状为十字形或矩形。
3.如权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于，所述石墨烯是单层的或者多层的。
4.如权利要求1所述的霍尔元件，其特征在于，所述有源区位于绝缘基底上或者是悬空的。
5.如权利要求4所述的霍尔元件，其特征在于，所述绝缘基底是覆盖有SiO2的硅片，或者是SiC、石英、云母、玻璃或氮化硼材料的基片。
6.权利要求1所述霍尔元件的制备方法，制作一对激励电极和一对霍尔电极与石墨烯材料电学连接，并通过光刻定义并刻蚀石墨烯材料形成有源区的形状。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)在绝缘基底上制备石墨烯，或者在金属上生长石墨烯后再将石墨烯转移到绝缘基底上；2)通过光刻在绝缘基底上定义激励电极和霍尔电极的图形，然后沉积一层金属，并通过剥离的方法形成电极的形状；3)通过光刻在石墨烯上定义有源区的形状，然后刻蚀形成石墨烯有源区。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)通过机械剥离将石墨烯分散到绝缘基底上，或者采用化学气相沉淀将石墨烯生长在绝缘基底上。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)在金属上生长石墨烯的方法是化学气相沉积或者金属偏析法。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤幻采用电子束蒸发、热蒸发或者磁控溅射方法沉积金属。
全文摘要
本发明公开了一种霍尔元件及其制备方法，该霍尔元件的有源区采用石墨烯材料，一对激励电极与石墨烯沟道两端接触提供电流源或者电压源，一对霍尔电极与石墨烯沟道两侧接触用于测试霍尔电压。本发明中的霍尔元件具有高的灵敏度、非常优异的线性度和温度稳定性，在电压模式和电流模式下都可以较好的工作，而且制备工艺简单，适合于制备霍尔集成电路。
文档编号H01L43/14GK102185099SQ20111010542
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者刘洪刚, 张志勇, 彭练矛, 徐慧龙, 王胜 申请人:北京大学