石墨烯纳米电子器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳加工技术领域，尤其是涉及一种石墨烯纳米电子器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是由单层碳原子构成的准二维纳米材料，具有优异的物理、化学和机械性能。因此，目前对石墨烯的材料性质、制备方法及器件加工技术等方面的研宄已经成为热点。石墨烯的制备方法包括多种，如机械剥离法、碳化硅热解法、电弧放电法及CVD合成法等。在电子器件制备领域，掺杂对改善和提高石墨烯的电学磁学性能有很大帮助。对于二维结构的石墨烯，化学掺杂存在掺杂困难，稳定性差等缺点。物理结构掺杂如人工制备纳米条带或纳米多孔反点阵结构也能转变石墨烯的性质，使其由半金属性转变成半导体。此外通过控制纳米结构的尺寸还可以进一步调控石墨烯的电学、光学以及磁学性能。
[0003]制备纳米孔石墨稀的方法有许多，在文献(A general and scalable synthesisapproach to porous graphene, Nature Communicat1ns, 5, 4716 (2014))中公开了一种利用溅射金属氧化物颗粒氧化石墨烯的方法来制备多孔石墨烯。
[0004]文献(Large-Scale Product1n of Nanographene Sheets with a ControlledMesoporous Architecture as High-Performance Electrochemical ElectrodeMaterials Chem Sus Chem 6, 1084(2013))中公开了一种利用金属镁在二氧化碳中燃烧淬火直接制备多孔石墨烯的方法。也有文献报道先通过金属催化剂化学气相沉积石墨烯，然后采用化学腐蚀将其转移到介质衬底上再通过光刻加工的方法得到多孔石墨烯。
[0005]上述的方法虽然能够获得多孔石墨烯结构，并在一些领域获得良好的应用前景，但是上述方法中有的在制备石墨烯结构过程中存在着纳米尺寸不可控的问题，有的方法所获得的石墨烯存在多层叠加或者金属离子污染等各种问题，不能满足纳米电子器件加工的需要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的旨在提供一种石墨烯纳米电子器件及其制备方法，可以大规模地制备高精度和一致性好的石墨烯纳米电子器件。
[0007]为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种石墨烯纳米电子器件的制备方法，用于在一衬底上形成至少一个石墨烯纳米电子器件，每一石墨烯纳米电子器件包括带有纳米结构的石墨烯区以及与石墨烯区连接的金属电极，该制备方法包括:步骤S1、提供一衬底，衬底的上表面由绝缘介质材料形成。步骤S2、在衬底的上表面上形成连续的石墨烯层，并且石墨烯层基本上覆盖衬底的整个上表面。步骤S3、在石墨烯层上形成各个金属电极。步骤S4、在石墨烯层上覆盖抗蚀剂层，采用电子束曝光的方式对抗蚀剂层进行曝光，以使得抗蚀剂层成形为预定的掩模的形状。其中，掩模的图案成形为仅用于在各个石墨烯区在石墨烯层中的预定位置处形成各个石墨烯区的纳米结构。步骤S5、对带有掩模的衬底进行反应离子刻蚀，以在石墨烯区中形成纳米结构。步骤S6、在形成纳米结构之后，去除石墨烯区周围的一部分石墨烯层，以将石墨烯层中的石墨烯区与石墨烯区外的其余石墨烯层断开。
[0008]进一步地，步骤S3还包括:在石墨烯层上形成用于在电子束曝光时将曝光版图与衬底进行对准的对准标记，该对准标记包括:用于将曝光版图与衬底进行整体对准的全局对准标记以及在每一石墨稀区在石墨稀层中的预定位置周围形成的局部对准标记。
[0009]进一步地，对准标记为在石墨稀层上形成的金属标记，其与金属电极同时形成。
[0010]进一步地，采用光刻和平板印刷工艺形成对准标记和金属电极；优选地，光刻为紫外光刻。
[0011]进一步地，在步骤S2中，采用等离子体增强化学气相沉积工艺在衬底的上表面上沉积石墨烯层。
[0012]进一步地，在步骤S6中，采用光刻和等离子体刻蚀工艺进行去除操作；优选地，光刻为紫外光刻。
[0013]进一步地，纳米结构为石墨稀纳米带结构或石墨稀纳米反点阵结构。
[0014]进一步地，至少一个石墨烯纳米电子器件为在衬底上呈周期性阵列布置的多个石墨稀纳米电子器件。
[0015]进一步地，在步骤S2中，在衬底上形成连续的石墨稀层之前，还包括对衬底进行抛光和清洗的步骤；可选地，经抛光后的衬底的表面粗糙度Ra < 3nm。
[0016]根据本发明的另一方面，还提供了一种石墨烯纳米电子器件，该石墨烯纳米电子器件采用上述任一种方法制备而成。
[0017]应用本发明的技术方案，通过在绝缘介质衬底上直接沉积石墨烯层，然后通过电子束光刻和等离子刻蚀裁减的方法，大规模地制备出了精度高且一致性好的石墨烯纳米结构电子器件。与现有的制备方法相比，本发明具有以下有益效果:
[0018]I)本发明可以直接在衬底上加工石墨烯，对衬底的选择性要求低，适用范围广。并且还可以根据所制作的石墨烯电子器件的应用领域不同选择不同的衬底，如可以采用绝缘介质衬底，也可以采用导电的衬底。
[0019]2)现有技术中先通过金属催化剂化学气相沉积石墨烯，然后再通过化学腐蚀将石墨烯层转移到介质衬底上进行光刻加工。在金属表面沉积石墨烯层，由于金属活性高，可以得到大面积连续石墨烯，虽然具有晶粒尺寸大，迀移率高，单层比例高等优点，但是由于后续还需要对石墨烯层进行转移后再加工，在化学腐蚀转移的过程中会对石墨烯层造成污染。而本申请则将石墨烯直接沉积到衬底上进行加工，无需对石墨烯层进行转移，避免了化学腐蚀转移过程中对金属离子的污染。
[0020]3)本发明采用等离子体增强化学气相沉积的方式形成石墨烯层，能够得到连续单层纳米多晶石墨烯膜，间或少量双层石墨烯，避免了出现多层石墨烯叠加的问题。并且由于石墨烯层全部覆盖绝缘介质衬底，可以在电子束套刻过程中直接充当导电层，无需再额外沉积导电层，简化了工艺步骤。
[0021]4)由于采用电子束直写曝光和反应离子刻蚀技术，使得石墨烯纳米结构在制备过程中完全可控；由于电子束曝光结合紫外光刻平版印刷技术，使得电子器件的加工精度高，可有效通过尺寸进行量子调控。
[0022]5)该方法适合于多种二维材料纳米量子结构的加工，具有广泛适用性；并且工艺简单、加工速度快、稳定性和一致性好，并且能够与半导体工艺兼容，也可以自成工艺体系，适合大规模生产。本发明制备的石墨烯纳米电子器件可应用于肖特基二极管、场效应晶体管和霍尔效应晶体管等多种碳基电子器件领域。
[0023]根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0024]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中:
[0025]图1为根据本发明一种实施例中全局对准标记PQRS、局部对准标记Ml、M2、M3和M4以及待套刻的纳米结构在衬底上的位置分布结构示意图；
[0026]图2为根据本发明一种实施例中局部对准标记Ml、M2、M3和M4以及待套刻的纳米结构在衬底上的位置分布结构示意图；
[0027]图3为根据本发明一种实施例中石墨烯纳米电子器件的部分结构示意图；
[0028]图4为根据本发明一种实施例中制备的具有纳米结构的石墨烯芯片的扫描电子显微镜照片；
[0029]图5为根据本发明一种实施例中石墨烯多孔反点阵的扫描电子显微镜照片；以及
[0030]图6为根据本发明一种实施例中制备的具有超细间隙的石墨烯纳米结构的扫描电子显微镜照片。
【具体实施方式】
[0031]为了解决现有技术中存在的石墨烯纳米结构电子器件过程中存在的工艺复杂、多层石墨烯层叠加以及制备过程中纳米尺寸不可控以及容易被金属离子污染等问题，本发明提供了一种石墨烯纳米电子器件的制备方法，用于在一衬底10上形成至少一个石墨烯纳米电子器件。如图1-3所示，每一石墨烯纳米电子器件包括带有纳米结构20的石墨烯区30以及与石墨稀区30连接的金属电极40。
[0032]在本发明的一个实施例中，石墨烯纳米电子器件的制备方法包括:
[0033]步骤S1、提供衬底10。该衬底10的上表面11可以是由绝缘介质材料形成。也可以选择四英寸或更大圆晶作为绝缘介质衬底10。本发明所提供的石墨烯纳米电子器件的制备方法对衬底材料没有太多的选择性，既可以采用绝缘介质衬底，也可以采用其它材料的衬底，如导电材料作为的衬底。绝缘介质衬底10可以是晶圆