基于石墨烯电极的半导体器件及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于石墨烯电极的半导体器件，依次由衬底层、第一半导体层、有源层、第二半导体层和石墨烯电极层结合形成，采用加强电极通过钉扎固定结合方式将石墨烯电极层固定结合在第二半导体层上，使加强电极的材料和石墨烯电极层的石墨烯材料相互结合形成复合电极。本发明还公开了一种半导体器件的制备方法，采用石墨烯薄膜与协同导电材料构成复合电极，并置于依次由衬底、导体层、有源层和半导体层形成体系之上，组成完整的器件结构。本发明使石墨烯电极形成钉扎固定连接的复合结构，提高了石墨烯和衬底间的粘附性，并可通过对石墨烯电极层的图案化的控制，改善器件中的电流分布。
【专利说明】基于石墨烯电极的半导体器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体器件及其制备工艺，还涉及一种具有石墨烯电极及其制备方法，应用于半导体器件结构和制备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种由碳原子紧密堆积成的单原子层的晶体，具有很多独特的性质，如高的比表面积、良好的热稳定性、优良的导热特性等。这些优异的性能使石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、超级电容器和能量存储等领域有很好的应用前景。特别的，石墨烯在可见光波段极高的透过率及良好的电学与热传输性能，550nm时单层石墨烯理论透过率可达97.7%，使得其有潜力成为一种理想的透明导电材料。
[0003]近年来，采用石墨烯及其复合材料作为电极材料的研究很多，也取得了一定的效果，然而，需要指出的是，目前在绝缘衬底上制备高质量的石墨烯还存在一定的技术障碍。目前采用的方法大都是先制备出石墨烯或氧化石墨烯，再采用一定方法转移至目标衬底，石墨烯与衬底之间依靠范德华力结合，容易在后续的工艺中出现分离或脱落的现象，从而影响器件的性能。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于石墨烯电极的半导体器件及其制备方法，使石墨烯电极形成钉扎固定连接的复合结构，提高了石墨烯和衬底间的粘附性，并可通过对石墨烯电极层的图案化的控制，改善器件中的电流分布。
[0005]为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种基于石墨烯电极的半导体器件，依次由衬底层、第一半导体层、有源层、第二半导体层和石墨烯电极层结合形成，采用加强电极通过钉扎固定结合方式将石墨烯电极层固定结合在第二半导体层上，即利用加强电极穿透石墨烯电极层，并使加强电极的一个端部与第二半导体层直接接触固定连接，使加强电极的另一个端部将石墨烯电极层压紧固定在第二半导体层上，并且使加强电极表面和石墨烯电极层孔道表面之间通过范德华力进行固定结合，当第一半导体层为P型半导体层时，第二半导体层为N型半导体层；或者当第一半导体层为N型半导体层时，第二半导体层为P型半导体层，加强电极采用金属、导电金属氧化物或者导电复合材料制成，使加强电极的材料和石墨烯电极层的石墨烯材料相互复合形成结合电极。
[0006]作为本发明优选的技术方案，穿过石墨烯电极层的加强电极部分的截面与石墨烯电极层孔道的截面皆为设定形状的图形。
[0007]上述石墨烯电极层优选采用石墨烯薄膜，最好具有1-10层单原子石墨层。
[0008]上述加强电极的材料优选采用Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一种金属材料或者任意几种金属的合金材料；或者优选采用氧化铟锡、氧化锌、添加有镓的氧化锌和添加有铝的氧化锌中的任意一种金属氧化物材料或者任意几种金属氧化物的复合材料；上述加强电极的材料尤其优选Au。
[0009]本发明基于石墨烯电极的半导体器件的制备方法，包括以下步骤:
a.制备所需石墨烯薄膜；石墨烯薄膜最好具有1-10层单原子石墨层，优选采用化学气相沉积法、氧化还原法或机械剥离法制备石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜设置在依次由衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层形成的一种半导体器件体系的P型半导体层之上，或者将石墨烯薄膜设置在依次由衬底、P型半导体层、有源层、N型半导体层形成的另一种半导体器件体系的N型半导体层之上，使石墨烯薄膜与P型半导体层直接接触并固定结合，或者使石墨烯薄膜与N型半导体层直接接触并固定结合；上述衬底为透明衬底或非透明衬底，透明衬底优选采用玻璃、石英或PET，非透明衬底优选采用蓝宝石或硅片；
b.将在上述步骤a中设置于P型半导体层上或N型半导体层上的石墨烯薄膜进行图形化，为石墨烯薄膜制作图案化孔洞；石墨烯薄膜的图形化孔洞优选采用光刻、等离子体刻蚀、激光刻蚀中的任意一种制作方法或者任意几种制作方法的组合制作方法；
c.将在上述步骤b中制作的石墨烯薄膜的图案化孔洞中沉积协同导电材料，形成完整的器件结构，使石墨烯薄膜与协同导电材料制备构成复合电极层，协同导电材料为金属、导电金属氧化物或者导电复合材料，协同导电材料与P型半导体层紧密固定结合，或者协同导电材料与N型半导体层层紧密固定结合，协同导电材料和石墨烯薄膜的孔道的石墨烯材料之间通过范德华力进行固定结合，即协同导电材料通过钉扎固定结合方式将石墨烯薄膜固定结合在P型半导体层上或N型半导体层上；优选采用真空热蒸发、电子束沉积、磁控溅射中的任意一种制作方法或任意几种制作方法的组合制作方法，将协同导电材料沉积到石墨烯薄膜的图形化孔洞中，使协同导电材料与石墨烯薄膜结合固定；协同导电材料优选采用Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一种金属材料或者任意几种金属的合金材料；或者优选采用氧化铟锡、氧化锌、添加有镓的氧化锌和添加有铝的氧化锌中的任意一种金属氧化物材料或者任意几种金属氧化物的复合材料；上述协同导电材料尤其优选Au。
[0010]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明利用电极材料与半导体间的良好接触，在石墨烯图形化的基础上实现了对石墨烯薄膜的钉扎，有效的改善了石墨烯与衬底粘附不良，易分离脱落的问题；
2.本发明通过对石墨烯薄膜图形的优化，可以实现对电流分布的改善，以此来提高整体器件的电器性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明实施例一基于石墨烯电极的半导体器件的层次结构示意图。
[0012]图2是沿图1中A-A线的剖视图。
[0013]图3是本发明实施例二基于石墨烯电极的半导体器件的结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
在本实施例中，参见图1和图2，一种基于石墨烯电极的半导体器件，依次由衬底层6、第一半导体层5、有源层4、第二半导体层3和石墨烯电极层2结合形成，加强电极I采用金制成金电极，衬底层6为蓝宝石,第一半导体层5为N型氮化镓,第二半导体层3为P型氮化镓，使金电极通过钉扎固定结合方式将石墨烯电极层2，固定结合在P型氮化镓上，即利用金电极穿透石墨烯电极层2，并使金电极的一个端部与P型氮化镓直接接触固定连接，使金电极的另一个端部将石墨烯电极层2压紧固定在P型氮化镓上，并使金电极和石墨烯电极层2孔道表面之间通过范德华力进行固定结合，使金电极和石墨烯电极层2的石墨烯材料相互复合形成结合电极。在本实施例中，参见图1和图2，穿过石墨烯电极层2的金电极部分的截面与石墨烯电极层2孔道的截面皆为设定形状的图形，石墨烯电极层2设有一个孔道。
[0015]在本实施例中，参见图1和图2，基于石墨烯电极的半导体器件的制备方法，包括以下步骤:
a.石墨烯薄膜的制备:将厚度为25微米，纯度99.8wt%的面积为Icm X Icm的铜箔，依次在丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗20分钟，氮气吹干；然后置于CVD反应室中，抽真空至反应室中压强降至IPa以下，采用氢气体积含量为10%的氢气和氩气混合气体，将混合气体通入CVD反应室中，并维持CVD反应室内气体压力至常压，重复此步骤3次后，控制混合气体流量为lOOsccm，升温至1000度，通入碳源前驱体CH4/C2H4/C2H2，流量为20sccm，压强650Pa下保温30分钟，切断碳源前驱体，保持混合气体流速不变，降温至室温；
b.石墨烯薄膜转移:将在上述步骤a中所得铜衬底上石墨烯薄膜旋涂一层光刻胶，180度Imin烘干，置于lmol/L硝酸铁水溶液中刻蚀去除铜衬底，去离子水中漂洗3次，选用具有蓝宝石/N型氮化镓/P型氮化镓结构体系的衬底捞取，真空干燥箱中70°C 3小时烘干，使石墨烯薄膜与P型氮化镓直接接触并固定结合，形成蓝宝石/N型氮化镓/P型氮化镓/石墨烯结构；
c.光刻阴极图形，采用感应耦合等离子体刻蚀至露出N型氮化镓，其中，采用O2和N2H2气源刻蚀石墨烯薄膜，Cl2和BCH3气源刻蚀氮化镓外延层，将石墨烯薄膜图形化，根据所需阳极金属图形，采用特定的掩膜版进行光刻，等离子体刻蚀去除暴露的石墨烯薄膜部分，随后采用氧气等离子体刻蚀除去光刻胶，在石墨烯薄膜形成图案化孔洞，如图2中的图形化金属钉扎图案；
d.金属沉积:将在上述步骤c中制作的石墨烯薄膜的图案化孔洞中采用电子束沉积法沉积IOOnm金作为电极，形成完整的器件结构，使石墨烯薄膜与金电极构成复合电极层，金电极与P型氮化镓半导体层紧密固定结合，金电极和石墨烯薄膜的孔道的石墨烯材料之间通过范德华力进行固定结合，即金电极通过钉扎固定结合方式将石墨烯薄膜固定结合在P型氮化镓半导体层上。
[0016]在本实施例中，参见图1和图2，金电极的图形化由石墨烯薄膜图形化和金沉积制备金电极两步组成，金电极穿透石墨烯薄膜与半导体层直接接触，本实施例利用金电极材料与半导体的良好接触对石墨烯实现钉扎，解决了石墨烯与基底的粘附性差的问题，并通过对电极图案的优化，改善了电流分布，提高了器件的出光与散热性能。
[0017]实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，参见图3，一种基于石墨烯电极的半导体器件，依次由衬底层6、第一半导体层5、有源层4、第二半导体层3和石墨烯电极层2结合形成，加强电极I采用ITO/ZnO制成ITO/ZnO电极，衬底层6为SiC，第一半导体层5为N型氮化镓，第二半导体层3为P型氮化镓，使ITO/ZnO电极通过钉扎固定结合方式将石墨烯电极层2，固定结合在P型氮化镓上，即利用ITO/ZnO电极穿透石墨烯电极层2，并使ITO/ZnO电极的一个端部与P型氮化镓直接接触固定连接，使ITO/ZnO电极的另一个端部将石墨烯电极层2压紧固定在P型氮化镓上，并且使ITO/ZnO电极和石墨烯电极层2孔道表面之间通过范德华力进行固定结合，使ITO/ZnO电极和石墨烯电极层2的石墨烯材料相互复合形成结合电极。在本实施例中，参见图3，穿过石墨烯电极层2的ITO/ZnO电极部分的截面与石墨烯电极层2孔道的截面皆为设定形状的图形，石墨烯电极层2设有两个孔道，本实施例采用多通道ITO/ZnO电极，使ITO/ZnO电极材料与半导体更好地进行接触，对石墨烯进行更牢固的钉扎，同时通过对电极图案的优化，更有效改善了电流分布，提高了器件的出光与散热性能。
[0018]在本实施例中，参见图3，基于石墨烯电极的半导体器件的制备方法，包括以下步骤:
①石墨烯薄膜的制备:将具有依次由SiC/N型氮化镓/P型氮化镓形成的结构的外延片在丙酮、异丙醇、去离子水中超声清洗20分钟，氮气吹干，依次沉积厚度为25nm的镍和厚度为IOnm的Au,置于CVD反应室中，米用氢气体积含量为10%的氢气和IS气混合气体,将混合气体通入CVD反应室中，控制混合气体流量为80sccm，通入碳源前驱体CH4/C2H4/C2H2，流量lOsccm，升温至500摄氏度，压强650Pa下保温10分钟，切断碳源前驱体，保持气体流速不变，降温至室温；
②光刻阴极图形，采用感应耦合等离子体刻蚀至露出N型氮化镓，其中，采用O2和N2H2气源刻蚀石墨烯薄膜，Cl2和BCH3气源刻蚀氮化镓外延层，将石墨烯薄膜图形化，根据所需阳极金属图形，采用特定的掩膜版进行光刻，等离子体刻蚀去除暴露的石墨烯薄膜部分，随后采用氧气等离子体刻蚀除去光刻胶，在石墨烯薄膜形成图案化孔洞；
③金属沉积:将在上述步骤②中制作的石墨烯薄膜的图案化孔洞中采用电子束沉积法沉积厚度为IOOnm的ITO/ZnO作为协同导电电极材料，形成完整的器件结构，使石墨烯薄膜与ITO/ZnO电极构成复合电极层，ITO/ZnO电极与P型氮化镓半导体层紧密固定结合，ITO/ZnO电极和石墨烯薄膜的孔道的石墨烯材料之间通过范德华力进行固定结合，即ITO/ZnO电极通过钉扎固定结合方式将石墨烯薄膜固定结合在P型氮化镓半导体层上。
[0019]在本实施例中，采用将SiC/N型氮化镓/P型氮化镓形成的结构的外延片直接在CVD反应室中直接沉积制备石墨烯薄膜，不需要进行石墨烯薄膜的转移，使基于石墨烯电极的半导体器件的制备工艺更加简捷和易于控制，有效防止器件制备过程中导致石墨烯薄膜破损，也有效地防止了杂质的引入，可以制备高质量的理想器件。
[0020]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于石墨烯电极的半导体器件及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于石墨烯电极的半导体器件，依次由衬底层(6)、第一半导体层(5)、有源层(4)、第二半导体层(3)和石墨烯电极层(2)结合形成，其特征在于:采用加强电极(I)通过钉扎固定结合方式将所述石墨烯电极层(2)固定结合在所述第二半导体层(3)上，即利用加强电极(I)穿透所述石墨烯电极层(2)，并使所述加强电极(I)的一个端部与所述第二半导体层(3)直接接触固定连接，使所述加强电极(I)的另一个端部将所述石墨烯电极层(2)压紧固定在所述第二半导体层(3)上，并且使所述加强电极(I)表面和所述石墨烯电极层(2)孔道表面之间通过范德华力进行固定结合，当所述第一半导体层(5)为P型半导体层时，所述第二半导体层(3)为N型半导体层；或者当所述第一半导体层(5)为N型半导体层时，所述第二半导体层(3 )为P型半导体层，所述加强电极(I)采用金属、导电金属氧化物或者导电复合材料制成，使所述加强电极(I)的材料和所述石墨烯电极层(2)的石墨烯材料相互结合形成复合电极。
2.根据权利要求1所述基于石墨烯电极的半导体器件，其特征在于:穿过所述石墨烯电极层(2)的所述加强电极(I)部分的截面与所述石墨烯电极层(2)孔道的截面皆为设定形状的图形。
3.根据权利要求2所述基于石墨烯电极的半导体器件，其特征在于:所述石墨烯电极层(2)为石墨烯薄膜，具有1-10层单原子石墨层。
4.根据权利要求1~3中任意一项所述基于石墨烯电极的半导体器件，其特征在于:所述连加强电极(I)的材料为Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一种金属材料或者任意几种金属的合金材 化物材料或者任意几种金属氧化物的复合材料。
5.一种权利要求1所述基于石墨烯电极的半导体器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: a.制备所需石墨烯薄膜，使石墨烯薄膜设置在依次由衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层形成的一种半导体器件体系的P型半导体层之上，或者使石墨烯薄膜设置在依次由衬底、P型半导体层、有源层、N型半导体层形成的另一种半导体器件体系的N型半导体层之上，使石墨烯薄膜与P型半导体层直接接触并固定结合，或者使石墨烯薄膜与N型半导体层直接接触并固定结合； b.将在上述步骤a中设置于P型半导体层上或N型半导体层上的石墨烯薄膜进行图形化，为石墨烯薄膜制作图案化孔洞； c.将在上述步骤b中制作的石墨烯薄膜的图案化孔洞中沉积协同导电材料，形成完整的器件结构，使石墨烯薄膜与协同导电材料制备构成复合电极层，所述协同导电材料为金属、导电金属氧化物或者导电复合材料，所述协同导电材料与P型半导体层紧密固定结合，或者所述协同导电材料与N型半导体层层紧密固定结合，所述协同导电材料和所述石墨烯薄膜的孔道的石墨烯材料之间通过范德华力进行固定结合，即所述协同导电材料通过钉扎固定结合方式将石墨烯薄膜固定结合在P型半导体层上或N型半导体层上。
6.根据权利要求5所述基于石墨烯电极的半导体器件的制备方法，其特征在于:在上述步骤b中，所述石墨烯薄膜的图形化孔洞选择光刻、等离子体刻蚀、激光刻蚀中的任意一种制作方法或者任意几种制作方法的组合制作方法。
7.根据权利要求5所述基于石墨烯电极的半导体器件的制备方法，其特征在于:在上述步骤C中，选择真空热蒸发、电子束沉积、磁控溅射中的任意一种制作方法或任意几种制作方法的组合制作方法，将协同导电材料沉积到所述石墨烯薄膜的图形化孔洞中，使协同导电材料与石墨烯薄膜结合固定。
8.根据权利要求5~7中任意一 项所述基于石墨烯电极的半导体器件的制备方法，其特征在于:在上述步骤c中，所述协同导电材料为Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一种金属材料或者任意几种金属的合金材料；或者为氧化铟锡、氧化锌、添加有镓的氧化锌和添加有铝的氧化锌中的任意一种金属氧化物材料或者任意几种金属氧化物的复合材料。
9.根据权利要求5~7中任意一项所述基于石墨烯电极的半导体器件的制备方法，其特征在于:在上述步骤a中，石墨烯薄膜具有1-10层单原子石墨层，采用化学气相沉积法、氧化还原法或机械剥离法制备石墨烯薄膜。
10.根据权利要求5~7中任意一项所述基于石墨烯电极的半导体器件的制备方法，其特征在于:在上述步骤a中，所述衬底为透明衬底或非透明衬底，透明衬底采用玻璃、石英或PET，非透明衬底采用蓝宝石或硅片。
【文档编号】H01L33/42GK103904186SQ201410121150
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】杨连乔, 冯伟, 王浪, 张建华 申请人:上海大学