本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种霍尔器件及电子设备。
背景技术：
近年来，石墨烯霍尔器件因其沟道材料石墨烯具有极低的载流子浓度、极高的迁移率以及厚度薄等优点受到广泛关注。灵敏度是霍尔器件的关键性能参数，其大小主要与霍尔器件中沟道材料的结构和性质有关。通常，沟道材料中载流子浓度越低、迁移率越高、沟道材料的厚度越薄，霍尔器件的灵敏度就越高。
但是，目前制备出来的石墨烯霍尔器件的性能并没有达到理论计算的结果。主要限制因素之一是制造工艺中以及空气中的污染物。由于霍尔器件中石墨烯只有几个原子层厚，极其容易受到环境的干扰，比如石墨烯表面与空气的掺杂会导致石墨烯中的载流子浓度增加、迁移率降低等问题。
技术实现要素：
本实用新型实施例提供了一种霍尔器件及电子设备，目的在于避免制备工艺污染以及环境污染对石墨烯霍尔器件性能和稳定性的影响，以提高霍尔器件的灵敏度。
为了解决上述技术问题，本实用新型一实施例提供了一种霍尔器件。该霍尔器件包括：衬底；位于所述衬底上的有源区，所述有源区包括形成于所述衬底表面的石墨烯层和形成于所述石墨烯层上的氟化石墨烯层；以及，位于所述有源区外围，并与所述有源区接触的金属电极。
可选地，所述氟化石墨烯层为单层氟化石墨烯薄膜；所述石墨烯层为单层或多层石墨烯薄膜。
可选地，上述霍尔器件，还包括：形成于所述石墨烯层上表面边缘处并与所述氟化石墨烯层边沿接触的边石墨烯层；所述金属电极覆盖在所述边石墨烯层上并与所述石墨烯层边沿接触。
可选地，所述金属电极与所述石墨烯层裸露在外的边沿接触，且所述金属电极部分覆盖于所述氟化石墨烯层的边沿及其上表面边缘处。
可选地，所述有源区呈十字型结构；所述十字型结构的四条分支的末端上分别设置有所述金属电极；所述十字形结构的一对相对末端上的所述金属电极为激励电极，其另一对相对末端上的所述金属电极为霍尔电极。
本实用新型另一实施例还提供了一种电子设备。该电子设备包括：上述所述的霍尔器件。
本实用新型实施例中提供的霍尔器件中，由于氟化石墨烯层具有良好机械性能、化学稳定性和热稳定性的化合物，可对其下层的石墨烯层起到良好的封装作用，以隔绝污染物避免掺杂，提高霍尔器件的性能及稳定性；另外，氟化石墨烯是在已制备出的石墨烯层上通过氟化工艺形成的，这相当于降低霍尔器件中石墨烯层的厚度，可有效的提升霍尔器件的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型一实施例提供的霍尔器件第一视角方向上的结构示意图；
图2为本实用新型一实施例提供的霍尔器件第二视角方向上的结构示意图；
图3为本实用新型一实施例提供的霍尔器件的制备方法的流程示意图；
图4为本实用新型一实施例提供的石墨烯薄膜的结构示意图；
图5为本实用新型一实施例提供的具有十字形结构的石墨烯薄膜的结构示意图；
图6为本实用新型一实施例提供的霍尔器件的工作原理图；
图7为本实用新型一实施例提供的霍尔器件的制备方法的又一流程示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
图1和图2为本实用新型一实施例提供的霍尔器件的结构示意图。如图1所示，该霍尔器件包括衬底16；位于所述衬底16上的有源区，所述有源区包括形成于所述衬底16表面的石墨烯层22和形成于所述石墨烯层22上的氟化石墨烯层21；位于所述有源区外围，并与所述有源区接触的金属电极。
在霍尔器件中，金属电极通常会包括一对激励电极和至少一对霍尔电极。
所述霍尔器件的工作原理，如图6所示，通过一对激励电极120对所述霍尔器件11施加一个恒定的电压源U0或者电流源I0，外加磁场B(图6中的磁场B的方向垂直于纸面向里)的方向垂直于石墨烯层表面，由于霍尔效应，在一对霍尔电极140之间产生了霍尔电压UH。由于UH的大小与外加磁场B的大小呈线性关系，因此根据霍尔电压UH的大小就能计算出外加磁场B的大小。
本实用新型实施例中提供的霍尔器件中，由于氟化石墨烯层是具有良好机械性能、化学稳定性和热稳定性的化合物，可对其下层的石墨烯层起到良好的封装作用，以隔绝污染物避免掺杂，提高霍尔器件的性能及稳定性；另外，氟化石墨烯是在已制备出的石墨烯层上通过氟化工艺形成的，这相当于降低霍尔器件中石墨烯层的厚度，可有效的提升霍尔器件的灵敏度。
需要说明的是，氟化石墨烯层的封装，有效隔绝污染物以避免掺杂，进而避免沟道材料(即石墨烯层)中载流子浓度的升高，提高了霍尔器件的灵敏度。
进一步的，所述氟化石墨烯层21为单层氟化石墨烯薄膜；所述石墨烯层22为单层或多层石墨烯薄膜。单层石墨烯薄膜为单原子层石墨烯；多层石墨烯薄膜为多原子层石墨烯；单层氟化石墨烯薄膜是由单原子层石墨烯氟化得到的。
霍尔器件的灵敏度包括电流灵敏度SI和电压灵敏度SV。经过理论计算，I为沟道驱动电流(即加在一对激励电极上的电流源)，VH为霍尔电压，B为霍尔器件所测的磁场大小，n为沟道材料的载流子浓度，t为沟道材料的厚度，q为单位电荷量；Vsd为沟道驱动电压(即加在一对激励电极上的电压源)，VH为霍尔电压，B为霍尔器件所测的磁场大小，w和l分别为沟道材料的宽和长，μ为沟道材料的载流子迁移率。可见，沟道材料中载流子浓度低、迁移率高、厚度薄，霍尔器件的灵敏度越高。
由于有源区中的氟化石墨烯层21为绝缘材料，因此，作为霍尔器件中沟道材料的是有源区中的石墨烯层22。外加电压源或电流源需加在沟道材料的两端，且霍尔电压也产生在沟道材料的另两端。因此，激励电极和霍尔电极需与石墨烯层22进行接触，有利于提高霍尔器件精度。
在一种可实现的方案中，上述霍尔器件还包括：形成于所述石墨烯层上表面边缘处并与所述氟化石墨烯层边沿接触的边石墨烯层；所述金属电极覆盖在所述边石墨烯层上并与所述石墨烯层边沿接触。所述石墨烯层的与其远离衬底的上表面相连接的侧面即为所述石墨烯层边沿。氟化石墨烯层的与其远离所述石墨烯层的上表面相连接的侧面即为氟化石墨烯层边沿。
在另一种可实现的方案中，如图1所示，所述金属电极与所述石墨烯层22裸露在外的边沿接触，且所述金属电极部分覆盖于所述氟化石墨烯层21的边沿及其上表面边缘处。
进一步的，金属电极包括一对激励电极和一对霍尔电极；一对激励电极分别与所述有源区的一组相对端接触；所述一对霍尔电极分别与所述有源区的另一组相对端接触。需要说明的是，霍尔电极可以为一对，也可为多对，可根据实际需要进行选择。
其中，所述有源区可具有预设图案，所述预设图案包括矩形、十字形、方形、四叶苜蓿叶形和其他更复杂的形状。本实用新型对此不作具体限定，在具体实施时，可根据实际需要进行图案选择。图1示出的有源区呈十字形结构。所述十字型结构的四条分支的末端上分别设置有所述金属电极；所述十字形结构的一对相对末端上的所述金属电极为激励电极120，其另一对相对末端上的所述金属电极为霍尔电极140。
通常，由于霍尔器件必须包括四个电极(一对霍尔电极和一对激励电极)，因此，将所述有源区设计成十字形结构，便于确定四个电极的位置。
具体实施时，所述衬底16可以为绝缘衬底，或为高电阻率的半导体衬底。本实用新型对此不作具体限定，可根据实际情况进行选择。
本实用新型实施例中提供的霍尔器件中，由于氟化石墨烯层具有良好机械性能、化学稳定性和热稳定性的化合物，可对其下层的石墨烯层起到良好的封装作用，以隔绝污染物避免掺杂，提高霍尔器件的性能及稳定性；另外，氟化石墨烯是在已制备出的石墨烯层上通过氟化工艺形成的，这相当于降低霍尔器件中石墨烯层的厚度，可有效的提升霍尔器件的灵敏度。
本实用新型的又一实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括上述任一实施例中的霍尔器件。
需要说明的是，上述电子设备可以为手机、掌上电脑或摄像机等电子设备。具体地，霍尔器件的激励电极与电子设备中的电池电连接，霍尔器件的霍尔电极与电子设备中的处理器电连接，处理器通过霍尔器件输出的霍尔电压进行相应处理。
下面将介绍上述霍尔器件的两种制备方法：
第一种制备方法如图3所示，包括：
1101、在衬底上制备至少两层结构的石墨烯薄膜。
1102、通过光刻制备金属电极图形；沉积金属电极材料；通过剥离的方式形成图形化的金属电极，所述金属电极位于所述石墨烯薄膜的外围并与所述石墨烯薄膜接触。
1103、对所述石墨烯薄膜的表层进行氟化处理得到氟化石墨烯层，所述氟化石墨烯层以及位于所述氟化石墨烯层下方的石墨烯层构成所述霍尔器件的有源区。
上述步骤1101中，可通过调控反应时间和原材料浓度控制所制备的石墨烯薄膜的厚度(或层数)，在本实施例中，需要制备至少两层结构的石墨烯薄膜。可采用如下方法中的一种来制备至少两层结构的石墨烯薄膜。
方法一、采用化学气相沉积法在所述衬底上制备所述至少两层结构的石墨烯薄膜。
方法二、采用机械剥离法在所述衬底上制备所述至少两层结构的石墨烯薄膜。
方法三、采用化学气相沉积法在第一金属衬底上生成所述至少两层结构的石墨烯薄膜；将所述至少两层结构的石墨烯薄膜从所述第一金属衬底上转移至所述衬底上。
方法四、采用金属偏析法在第一金属衬底上生成所述至少两层结构的石墨烯薄膜；将所述至少两层结构的石墨烯薄膜从所述第一金属衬底上转移至所述衬底上。
方法一和方法二为直接在衬底上制备至少两层结构的石墨烯薄膜；方法三和方法四是先在第一金属衬底上制备至少两层结构的石墨烯薄膜，之后再将所述石墨烯薄膜从第一金属衬底上转移至所述衬底上。所述金属衬底可以为铜衬底或镍衬底。例如：在铜衬底上制备好至少两层结构的石墨烯薄膜之后，可将铜基底漂浮于蚀刻剂溶液表面腐蚀去除铜基底得到至少两层结构的石墨烯薄膜，再将至少两层结构的石墨烯薄膜转移到所述衬底表面。
在上述步骤1102中，在至少两层结构的石墨烯薄膜上表面涂抹光刻胶，通过光刻得到具有金属电极图形的光刻胶层；再采用电子束蒸镀、磁控溅射或热蒸镀等方式来沉积金属材料；最后可通过剥离液剥离光刻胶层以形成与所述石墨烯薄膜接触的金属电极。金属电极可仅与石墨烯薄膜的边沿接触，或者与石墨烯薄膜的边沿及其上表面边缘处均接触。石墨烯薄膜的与其远离衬底的上表面相连接的侧面即为石墨烯薄膜的边沿。
所述电极包括：一对激励电极和至少一对霍尔电极。
在上述步骤1103中，可采用如下方式中的一种对所述石墨烯薄膜的表层进行氟化处理：
方法A、对所述石墨烯薄膜进行四氟化碳等离子体氟化处理。
方法B、将所述石墨烯薄膜置于50～100℃的真空腔室中，并向所述真空腔室中充入氟化氙进行氟化。
方法C、将所述石墨烯薄膜置于300～1000℃的真空腔室中，并向所述真空腔室中充入氟气进行氟化。
氟化石墨烯是一个机械性能、化学稳定性和热稳定性都很好的化合物。对石墨烯进行氟化处理工艺简单，也不会对下层的石墨烯层产生影响。
需要说明的是，在对所述至少两层结构的石墨烯薄膜进行氟化处理时，只会将所述至少两层结构的石墨烯薄膜中表层石墨烯氟化成氟化石墨烯，位于所述表层下的石墨烯不会被氟化。表层石墨烯被氟化也即是将一个氟原子放在每一个单独的碳原子上，而氟原子无法穿过表层石墨烯到达下一层，因此，下一层的石墨烯不会被氟化。
需要说明的是，在对所述至少两层结构的石墨烯薄膜进行氟化处理过程中，将表层的石墨烯进行氟化处理形成氟化石墨烯不仅起到了封装隔绝污染物的作用，还起到了减薄沟道材料厚度的作用。石墨烯氟化之后禁带宽度从0.0eV增加到3.0eV，即石墨烯的表层氟化后变成了绝缘材料，霍尔器件中沟道材料由n层石墨烯变成了(n-1)层石墨烯，这相当于降低了沟道材料的厚度，可有效提升霍尔器件的灵敏度。此外，当石墨烯薄膜为两层结构时，石墨烯薄膜表层被氟化之后，变成了单层石墨烯。
本实用新型实施例提供的技术方案中，与现有技术中在石墨烯薄膜表面形成致密的氧化物或氮化物相比，生成氟化石墨烯进行封装较容易实现，且不会对作为沟道材料的石墨烯层性能造成影响；生成的氟化石墨烯为沟道材料隔绝了空气与制造工艺中产生的污染物，避免掺杂，提高霍尔器件工作的稳定性；在对石墨烯薄膜进行氟化封装的同时，实现了对沟道材料进行减薄处理，有效提高了霍尔器件的灵敏度。
在另一实施例中，可进行霍尔器件的形态制备。可按照需要将石墨烯薄膜制备成矩形、十字形、方形、四叶苜蓿叶形或其他更复杂的形状。
在一种可实现的方案中，上述制备方法，在通过光刻制备金属电极图形之前，还包括：对所述石墨烯薄膜进行图形化刻蚀形成十字形结构的石墨烯薄膜。具体实施时，对所述石墨烯薄膜进行图形化刻蚀形成十字形结构的石墨烯薄膜，包括：在所述石墨烯薄膜上涂覆光刻胶；光刻得到图形化的光刻胶层；以所述光刻胶层为掩膜，刻蚀所述石墨烯薄膜，以得到十字形结构的石墨烯薄膜。参考图4和图5，在得到图4所示的石墨烯薄膜20后，对石墨烯薄膜20进行图像化刻蚀形成图5所示的十字形结构的石墨烯薄膜200。
进一步的，所述十字型结构的石墨烯薄膜的四条分支的末端上分别设置有所述金属电极；所述十字形结构的一对相对末端上的所述金属电极为激励电极；另一对相对末端上的所述金属电极为霍尔电极。
在一种可实现的方案中，可采用干法刻蚀工艺刻蚀石墨烯薄膜。干法刻蚀工艺有离子体刻蚀(inductively coupled plasma，ICP)、离子束刻蚀(Ion beam etching，IBE)等工艺。
第二种制备方法如图7所示，包括：
2201、在衬底上制备至少两层结构的石墨烯薄膜。
2202、对所述石墨烯薄膜的表层进行氟化处理得到氟化石墨烯层，所述氟化石墨烯层以及位于所述氟化石墨烯层下方的石墨烯层构成所述霍尔器件的有源区。
2203、通过光刻制备金属电极图形；沉积金属电极材料；通过剥离的方式形成图形化的金属电极，所述金属电极位于所述有源区外围并与所述有源区接触。
上述步骤2201可参见上述相应内容，此处不再赘述。
在上述步骤2201中制备得到至少两层结构的石墨烯薄膜后，对所述石墨烯薄膜的表层进行氟化处理，也即是将所述石墨烯薄膜的表层氟化成氟化石墨烯，以得到有源区，该有源区包括层叠的石墨烯层和氟化石墨烯层。可采用多种方式对石墨烯薄膜进行氟化处理，具体内容可参见上述实施例中相应内容，在此不再赘述。
在对石墨烯薄膜进行氟化处理得到有源区之后，制备金属电极。金属电极制备方法可参见上述各实施例中相应内容，在此不再赘述。制备得到的金属电极可与所述石墨烯层裸露在外的边沿接触，且所述金属电极部分覆盖于所述氟化石墨烯层的边沿及其上表面边缘处。
进一步的，还可对有源区进行形态制备。具体地，可采用下述方法中的一种实现有源区的形态制备。
方法E，在对所述石墨烯薄膜的表层进行氟化处理之前，上述制备方法还包括：对所述石墨烯薄膜进行图形化刻蚀形成十字形结构的石墨烯薄膜。具体实施时，对所述石墨烯薄膜进行图形化刻蚀形成十字形结构的石墨烯薄膜，包括：在所述石墨烯薄膜上涂覆光刻胶；光刻得到图形化的光刻胶层；以所述光刻胶层为掩膜，刻蚀所述石墨烯薄膜，以得到十字形结构的石墨烯薄膜。后续通过对十字形结构的石墨烯薄膜进行氟化处理，就可得到十字形结构的有源区。
方法F，在通过光刻制备金属电极图形之前，上述制备方法还包括：对所述有源区进行图形化刻蚀形成十字形结构的有源区。具体实施时，对所述有源区进行图形化刻蚀形成十字形结构的有源区，包括：在所述有源区上涂覆光刻胶；光刻得到图形化的光刻胶层；以所述光刻胶层为掩膜，刻蚀有源区，以得到所述十字形结构的有源区。
具体的刻蚀方法可参见上述各实施例中相应内容，在此不再赘述。需要说明的是，方法E是在氟化之前进行形态制备，方法F是在氟化之后进行形态制备，形态制备在电极制备之前。
进一步的，所述十字型结构的有源区的四条分支的末端上分别设置有所述金属电极；所述十字形结构的有源区一对相对末端上的所述金属电极为激励电极；另一对相对末端上的所述金属电极为霍尔电极。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。