具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件制备领域，具体地，涉及一种具有柔性基底上的石墨烯场效应晶体管的制备方法，以及使用该方法制备的具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管。
【背景技术】
[0002]石墨烯(graphene)是一种新型的只有单原子层厚度的二维碳纳米材料。它在电学、力学、光学、热学等诸多方面都具有优异的性能，被认为是下一代集成电路基底材料的有力竞争者。随着柔性电子产品譬如触摸屏、薄膜太阳能电池等在日常生活中的普及，柔性电子器件成为了一种发展趋势。石墨烯具有良好的电学、光学、机械性能，是制备柔性电子器件的理想材料。
[0003]石墨烯场效应晶体管是一类重要的电子元件，基于柔性石墨烯场效应晶体管的电子产品是未来的发展方向。近年以来，苹果、三星、诺基亚等众多电子产品公司都已投入大量精力开展基于石墨烯柔性器件的研究。到目前为止，绝大部分具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管都是通过微加工化学气相沉积法生长的石墨烯制备出来的J.etal.Nano Lett.10，3464(2010) ; Park, S.J.et al.Nano Lett.12，5082(2012))。对于化学气相沉积法生长的石墨烯，薄膜表面具有大量褶皱结构，在转移至柔性基底的过程中容易破损，而且辅助石墨烯转移的光刻胶也很难完全除去，因而电学性能不够优异。用微机械剥离法制备的石墨烯为单晶结构，载流子迁移率高，而且避免了石墨烯从催化剂基底转移带来的复杂步骤及对石墨烯的掺杂，在高性能纳米场效应晶体管中具有很大的优势。Chen等利用转移印刷(transfer printing)技术在柔性基底上制备了机械剥离的石墨烯场效应晶体管(Chen, J.H.et al.Adv.Mater.19，3623 (2007))，但是在器件制备过程中必须使用带有对准功能的纳米压印机，对仪器要求高，而且加热过程会限制器件加工过程中层与层对准的精度，大大降低了纳米器件制备的成功率。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服现有制备石墨烯场效应晶体管的方法制备的石墨烯场效应晶体管褶皱多、电学性能不优异或对设备要求较高的缺陷，提供一种能够有效地减少褶皱、提高电学性能、降低对设备要求的具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的制备方法，以及使用该方法制备的具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供了一种具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的制备方法，该方法包括:
[0006](I)在硅片上涂覆水溶性分子薄膜，然后在所述水溶性分子薄膜上制备第一电极；
[0007](2)在所述水溶性分子薄膜上形成石墨烯层，所述石墨烯层不覆盖所述第一电极，并对石墨烯层进行电子束曝光，然后在所述水溶性分子薄膜上制备第二电极，以得到石墨烯场效应晶体管；第二电极用于连接第一电极和石墨烯，并且第二电极的位置不同于第一电极的位置；
[0008](3)在硅片上具有所述石墨烯场效应晶体管的一面上涂覆非水溶性分子薄膜，得到石墨稀器件；
[0009](4)将所述石墨烯器件与水接触，使得所述石墨烯器件上的硅片脱离，从而得到具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管。
[0010]优选地，所述水溶性分子不溶于丙酮；更优选地，所述水溶性分子为聚乙烯醇、聚丙烯酸和葡聚糖中的一种或多种。
[0011 ] 优选地，所述第一电极和第二电极均独立地选自金电极或铬金电极，更优选地，所述第一电极和第二电极均为铬金电极；优选地，所述铬金电极分为铬层和金层，且所述铬层和金层的厚度比为1:8-12 ;所述铬层与所述水溶性分子薄膜相连。
[0012]优选地，所述非水溶性分子为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚碳酸酯中的一种或多种。
[0013]优选地，将石墨烯器件与水接触的温度为20-100°C。
[0014]上述制备的具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的方法具有如下的优点:
[0015](I)具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的褶皱量大大减少；
[0016](2)具有柔性基底的石墨稀场效应晶体管的迁移率闻,例如,实施例1制备的具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的空穴迁移率为4600cm2/ (V.s)，电子迁移率为4100cm2/(V.s)；
[0017](3)步骤简单，条件温和，易于操作，无需特殊的大型仪器；
[0018](4)制备的具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的尺寸可以达到微米量级，作为传感器时具有更高的灵敏度。
[0019]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0020]附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0021]图1为实施例1制备具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的工艺流程图。
[0022]图2为实施例中使用的固体掩膜版的图案。
[0023]图3为实施例1制备的具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的光学显微镜照片，放大倍数为50倍，标尺为200 μ m。
[0024]图4为实施例1制备的具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的光学显微镜照片，放大倍数为1000倍，标尺为10 μ m。
[0025]图5为实施例1制备的具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的电学性能曲线。
【具体实施方式】
[0026]以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0027]—方面，本发明提供了一种具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管的制备方法，该方法包括:
[0028](I)在硅片上涂覆水溶性分子薄膜，然后在所述水溶性分子薄膜上制备第一电极；
[0029](2)在所述水溶性分子薄膜上形成石墨烯层，所述石墨烯层不覆盖所述第一电极，并对石墨烯层进行电子束曝光，然后在所述水溶性分子薄膜上制备第二电极，以得到石墨烯场效应晶体管；第二电极用于连接第一电极和石墨烯，并且第二电极的位置不同于第一电极的位置；
[0030](3)在硅片上具有所述石墨烯场效应晶体管的一面上涂覆非水溶性分子薄膜，得到石墨稀器件；
[0031](4)将所述石墨烯器件与水接触，使得所述石墨烯器件上的硅片脱离，从而得到具有柔性基底的石墨烯场效应晶体管。
[0032]根据本发明，为了降低工件表面的粗糙度，以获得光亮、平整的加工表面，从而进一步提闻所制备的具有柔性基底的石墨稀场效应晶体管的性能，优选表面已被抛光的娃片。所述抛光的方法为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。
[0033]根据本发明，在对石墨烯进行电子束曝光时，为了避免硅片表面上含有的二氧化硅影响对石墨烯的定位，从而影响对石墨烯的操作，优选情况下，所述硅片待涂覆水溶性分子薄膜的一面上不含有二氧化硅。
[0034]为了避免硅片表面上的碎屑以及有机污染物的干扰，增加待处理面的亲水性，本发明还优选对所述硅片进行清洗。清洗的方法没有特别的限制，只要能够将硅片表面上的碎屑以及有机污染物有效的去除即可。根据本发明一种优选的实施方式，所述清洗的方法为:用去离子水在60-80?的功率下超声清洗5-20分钟，以去除硅片表面上的碎屑；再用丙酮在60-80?的功率下超声清洗5-20分钟，以除去其表面上的有机污染物；然后再用乙醇和/或异丙醇在60-80?的功率下超声清洗5-20分钟，以去除硅片表面上残留的丙酮；优选地，每步清洗，硅片从液体中取出后均用氮气枪将其吹干；最后将硅片用功率为80-120?的氧等离子体清洗3-10分钟，进一步去除硅片表面上的杂质分子，增加硅片表面亲水性。
[0035]根据本发明，对所述水溶性分子的种类不受特别的限制，只要其能够有效地在水中溶解即可。优选的情况下，所述水溶性分子为溶于水但不溶于丙酮的物质。更优选地，所述水溶性分子选自聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)和葡聚糖(Dextran)中的一种或多种。其中，水溶性分子的溶液的浓度也没有特别的限制，例如，可以为5-7重量％，其中，溶剂可以为水。
[0036]其中，本发明对所述水溶性分子的分子量没有特别的限制，例如，PVA的相对分子量可以为1.3万-15万，PAA的相对分子量可以为2万-10万，Dextran的相对分子量可以为2万-100万。
[0037]本发明对所述水溶性分子薄膜的厚度也没有特别的限制，例如，可以为295-850nm。根据本发明一种优选的实施方式，为了后续对石墨烯进行电子束曝光的过程中便于对石墨烯的定位，当所述水溶性分子薄膜为聚乙烯醇薄膜时，其厚度为310-330nm、490-510nm、645-665nm或830_850nm ;当所述水溶性分子薄膜为聚丙烯酸薄膜时，其厚度为325-335nm、480-500nm、650-670nm或820_840nm ;当所述水溶性分子薄膜为葡聚糖薄膜时，其厚度为 295-305nm、470-495nm、655-670nm 或 815_835nm。
[0038]根据本发明，在硅片上涂覆所述水溶性分子以形成薄膜的方法可以为本领域常规的涂覆方法，例如，可以使用甩胶机进行旋涂。所述旋涂的条件可以包括，例如，转速可以为1500-2000rpm,时间可以为 30_90s。
[0039]根据本发明，该方法还包括旋涂结束后的干燥步骤，所述