一种石墨烯纳米带器件阵列及其制备方法与流程

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种石墨烯纳米带器件阵列及其制备方法。

背景技术：

石墨烯在常温环境下具有超高的载流子迁移率，因而备受学术界和工业界的关注。然而，石墨烯零带隙的缺陷导致其无法直接制备成开关器件，从而不能真正意义上的引发一场取代硅的技术革命。

石墨烯引入带隙的常见方法有掺杂法、对称性破缺法以及量子限域法。掺杂法是通过吸附掺杂或替位掺杂的方式使石墨烯一定程度上打开带隙，然而这种引入带隙的方法大大降低了石墨烯的载流子迁移率。对称性破缺法同样存在着降低石墨烯导电性能的问题，这种方法在打开石墨烯缺陷的同时，也破坏了石墨烯的狄拉克锥。量子限域法是石墨烯开关器件制备中常用的打开石墨烯带隙的方法，这种方法通过掩膜保护层覆盖石墨烯，之后等离子体刻蚀掉掩膜层其余区域的石墨烯，从而获取石墨烯纳米带。这种方式获取的石墨烯纳米带的边界往往都是无序的，会造成石墨烯载流子运输过程中的散射，继而降低器件的载流子迁移率。

因此，提出一种既不破坏石墨烯导电性能又可以打开其带隙的石墨烯纳米带器件阵列及其制备方法，将具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米带器件阵列及其制备方法，用以克服上述背景技术中的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：

提供一锗衬底，其中，所述锗衬底具有10°偏角(100)晶面；

在所述锗衬底上形成一层石墨烯薄膜；

在所述石墨烯薄膜上形成点阵阵列；

在所述点阵阵列上形成掩膜层；

剥离所述点阵阵列的孔洞外的掩膜层后，刻蚀所述孔洞外的石墨烯薄膜；

腐蚀所述点阵上的掩膜层；

退火处理后，以石墨烯点阵为形核位点，生长纳米带阵列；

在所述石墨烯纳米带阵列的两端曝出电极区域；

在所述电极区域制作电极，完成石墨烯纳米带器件阵列的制备。

进一步地，在所述锗衬底上形成一层石墨烯薄膜包括：

采用化学气相淀积的方式在所述锗衬底上形成一层石墨烯薄膜，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，所述h2与ch4的摩尔比为h2/ch4＝(30-40):1；沉积温度为910℃-920℃；沉积时间为300-400min。

进一步地，退火处理后，以石墨烯点阵为形核位点，生长纳米带阵列包括：

在石英管中采用化学气相淀积的方式生长纳米带阵列，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，所述h2与ch4的摩尔比为h2/ch4＝(60-70):1；沉积温度为910℃-920℃；沉积时间为100-150min。

进一步地，在所述石墨烯薄膜上形成点阵阵列包括：采用电子束曝光的方式曝出所述点阵阵列的孔洞。

进一步地，在在所述点阵阵列上形成掩膜层的步骤中，所述掩膜层的材料为铝、镍、二氧化铝、硅、二氧化硅中的任意一种。

进一步地，在剥离所述点阵阵列的孔洞外的掩膜层后，刻蚀所述孔洞外的石墨烯薄膜的步骤中，采用反应等离子体刻蚀的方式刻蚀所述孔洞外的石墨烯薄膜。

进一步地，在腐蚀所述点阵上的掩膜层的步骤中，使用的腐蚀液为磷酸、氯化铁、缓冲氧化物刻蚀液中的任意一种。

进一步地，在所述石墨烯纳米带阵列的两端曝出电极区域包括：

采用电子束曝光的方式在所述石墨烯纳米带阵列的两端曝出电极区域。

进一步地，在所述电极区域制作电极包括：

采用电子束蒸发的方式形成所述电极，所述电极材料为钛或金.

相应地，本发明还提供一种石墨烯纳米带器件阵列，该石墨烯纳米带器件阵列采用上述的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法制备得到。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明的石墨烯纳米带器件阵列及其制备方法，实现了石墨烯纳米带阵列直接在半导体衬底上的制备，由于原始生长的石墨烯比加工后的石墨烯具有更好的物理特性，与现有技术中通过掩膜刻蚀得到的石墨烯纳米带阵列相比，避免了掩膜刻蚀法制备石墨烯纳米带阵列过程中带来的石墨烯载流子迁移率降低的问题，采用本发明方法制备的石墨烯纳米带器件阵列具有更优异的性能，如缺陷少、载流子迁移率低、纳米带边缘结构完整等，同时打开了石墨烯的带隙，从而可以实现石墨烯开关器件的制备与集成；而且，本发明采用的制备工艺与目前成熟的半导体工艺兼容，为石墨烯微电子器件的实际运用和大规模生产提供了可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。

图1是本发明实施例的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法的流程图；

图2是与图1对应的结构示意图；

图3是本发明实施例的锗衬底上生长整片石墨烯的原子力显微镜摩擦力模式图；

图4是本发明实施例的锗衬底生长的石墨烯纳米带的原子力显微镜摩擦力模式图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是根据本发明一个实施例的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法的流程图，图2为与图1的方法流程图对应的结构示意图。参阅图1和图2，本发明提供了一种石墨烯纳米带器件阵列的制备方法，至少包括以下步骤：

s1、提供一锗衬底，其中，锗衬底具有10°偏角(100)晶面，在具有10°偏角(100)晶面的锗衬底上生长的石墨烯晶畴更趋向于长条带状，借助后续的加工步骤得到的石墨烯点阵为形核位点，进而可以生长为石墨烯纳米带阵列；

s2、在锗衬底上形成一层石墨烯薄膜；

s3、在石墨烯薄膜上形成点阵阵列；

s4、在点阵阵列上形成掩膜层；

s5、剥离点阵阵列的孔洞外的掩膜层后，刻蚀孔洞外的石墨烯薄膜；

s6、腐蚀点阵上的掩膜层；

s7、退火处理后，以石墨烯点阵为形核位点，生长纳米带阵列；

s8、在石墨烯纳米带阵列的两端曝出电极区域；

s9、在电极区域制作电极，完成石墨烯纳米带器件阵列的制备。

本发明得到的石墨烯纳米带阵列为通过直接生长得到的，由于原始生长的石墨烯比加工后的石墨烯具有更好的物理特性，和通过刻蚀得到的石墨烯纳米带相比，具有更优异的性能，例如缺陷少、载流子迁移率低、纳米带边缘结构完整等，本发明的方法能够实现石墨烯纳米带阵列直接在半导体衬底上的制备，相比于现有技术，避免了掩膜刻蚀法制备石墨烯纳米带阵列过程中带来的石墨烯载流子迁移率降低的问题，同时打开了石墨烯的带隙，从而可以实现石墨烯开关器件的批量制备与集成；而且，本发明方法采用的制备工艺与目前成熟的半导体工艺兼容，为石墨烯微电子器件的实际运用和大规模生产提供了可能。

作为一种具体的实施方式，在步骤s2中，采用化学气相淀积的方式在锗衬底上形成一层石墨烯薄膜，该方法制备的石墨烯薄膜为单层，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝(30-40):1；沉积温度为910℃-920℃；沉积时间为300-400min。采用现有技术中的机械剥离工艺难以得到大面积的单层石墨烯薄膜，不同于机械剥离得到的石墨烯，在锗衬底上直接生长得到的石墨烯为大面积单层石墨烯薄膜衬底。

作为一种具体的实施方式，在步骤s3中，采用电子束曝光的方式曝出点阵阵列的孔洞。

作为一种具体的实施方式，在步骤s4中，采用电子束蒸发或者原子层沉积的方法沉积掩膜层，掩膜层的材料为铝、镍、二氧化铝、硅、二氧化硅中的任意一种。

作为一种具体的实施方式，在步骤s5中，采用反应等离子体刻蚀的方式刻蚀孔洞外的石墨烯薄膜。

作为一种具体的实施方式，在步骤s6中，使用的腐蚀液为磷酸、氯化铁、缓冲氧化物刻蚀液中的任意一种。

作为一种具体的实施方式，在步骤s7中，在石英管中采用化学气相淀积的方式，以石墨烯点阵为形核位点，生长纳米带阵列，气压为常压，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，添加的h2起到促进碳源热分解及控制石墨烯层数的作用，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝(60-70):1；沉积温度为910℃-920℃；沉积时间为100-150min。在该步骤中，通过调控h2/ch4的比例以及生长时间可以得到形貌不同的石墨烯薄膜。

作为一种具体的实施方式，在步骤s8中，用电子束曝光的方式在石墨烯纳米带阵列的两端曝出电极区域。

作为一种具体的实施方式，在步骤s9中，采用电子束蒸发的方式制作电极，电极材料为钛或金，其中钛电极的厚度为10-50nm，金电极的厚度为50-90nm。

下面结合具体的实施例对上述石墨烯纳米带器件阵列的制备方法作进一步地详细说明。

实施例1

s1、提供一锗衬底，其中，锗衬底具有10°偏角(100)晶面；

s2、采用化学气相淀积的方式在锗衬底上形成一层石墨烯薄膜，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝35:1；沉积温度为910℃；沉积时间为300min；

s3、采用电子束曝光的方式，在石墨烯薄膜上曝出点阵阵列的孔洞；

s4、在点阵阵列上采用电子束蒸发的方法形成铝掩膜层；

s5、剥离点阵阵列的孔洞外的掩膜层后，采用反应等离子体刻蚀的方式刻蚀孔洞外的石墨烯薄膜；

s6、使用磷酸腐蚀点阵上的掩膜层；

s7、置于水平管式炉中退火处理后，在石英管中采用化学气相淀积的方式，以石墨烯点阵为形核位点，生长纳米带阵列，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝65:1，沉积温度为910℃，沉积时间为120min；

s8、在石墨烯纳米带阵列的两端用电子束曝光的方式曝出电极区域；

s9、采用电子束蒸发的方式在电极区域制作钛电极，钛电极的厚度为10nm，完成石墨烯纳米带器件阵列的制备。

本实施例制备的石墨烯纳米带器件阵列，其石墨烯形貌图如图3的原子力显微镜摩擦力模式图所示，从图中可以看出，不同于铜衬底上生长的六边形石墨烯晶畴，在未经处理的具有10°偏角(100)晶面的锗衬底上生长的整片石墨烯晶畴取向一致；而在未长满的情况下，参阅图4，锗衬底生长出石墨烯纳米带。因此，本实施例得到石墨烯晶畴种子之后，可以通过调控生长石墨烯的条件如沉积时间、沉积温度、碳氢比等，以得到不同形貌的阵列化的石墨烯纳米带。

实施例2

s1、提供一锗衬底，其中，锗衬底具有10°偏角(100)晶面；

s2、采用化学气相淀积的方式在锗衬底上形成一层石墨烯薄膜，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝40:1；沉积温度为920℃；沉积时间为300min；

s3、采用电子束曝光的方式，在石墨烯薄膜上曝出点阵阵列的孔洞；

s4、在点阵阵列上采用电子束蒸发的方法形成金属二氧化铝掩膜层；

s5、剥离点阵阵列的孔洞外的掩膜层后，采用反应等离子体刻蚀的方式刻蚀孔洞外的石墨烯薄膜；

s6、使用氯化铁腐蚀点阵上的掩膜层；

s7、置于水平管式炉中退火处理后，在石英管中采用化学气相淀积的方式，以石墨烯点阵为形核位点，生长纳米带阵列，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝70:1，沉积温度为920℃，沉积时间为100min；

s8、在石墨烯纳米带阵列的两端用电子束曝光的方式曝出电极区域；

s9、采用电子束蒸发的方式在电极区域制作钛电极，金电极的厚度为50nm，完成石墨烯纳米带器件阵列的制备。

实施例3

s1、提供一锗衬底，其中，锗衬底具有10°偏角(100)晶面；

s2、采用化学气相淀积的方式在锗衬底上形成一层石墨烯薄膜，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝30:1；沉积温度为910℃；沉积时间为400min；

s3、采用电子束曝光的方式，在石墨烯薄膜上曝出点阵阵列的孔洞；

s4、在点阵阵列上采用原子层沉积的方法形成镍掩膜层；

s5、剥离点阵阵列的孔洞外的掩膜层后，采用反应等离子体刻蚀的方式刻蚀孔洞外的石墨烯薄膜；

s6、使用磷酸腐蚀点阵上的掩膜层；

s7、置于水平管式炉中退火处理后，在石英管中采用化学气相淀积的方式，以石墨烯点阵为形核位点，生长纳米带阵列，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝60:1，沉积温度为910℃，沉积时间为150min；

s8、在石墨烯纳米带阵列的两端用电子束曝光的方式曝出电极区域；

s9、采用电子束蒸发的方式在电极区域制作金电极，金电极的厚度为50nm，完成石墨烯纳米带器件阵列的制备。

实施例4

s1、提供一锗衬底，其中，锗衬底具有10°偏角(100)晶面；

s2、采用化学气相淀积的方式在锗衬底上形成一层石墨烯薄膜，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝40:1；沉积温度为920℃；沉积时间为300min；

s3、采用电子束曝光的方式，在石墨烯薄膜上曝出点阵阵列的孔洞；

s4、在点阵阵列上采用原子层沉积的方法形成硅掩膜层；

s5、剥离点阵阵列的孔洞外的掩膜层后，采用反应等离子体刻蚀的方式刻蚀孔洞外的石墨烯薄膜；

s6、使用缓冲氧化物腐蚀点阵上的掩膜层；

s7、置于水平管式炉中退火处理后，在石英管中采用化学气相淀积的方式，以石墨烯点阵为形核位点，生长纳米带阵列，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝70:1，沉积温度为920℃，沉积时间为100min；

s8、在石墨烯纳米带阵列的两端用电子束曝光的方式曝出电极区域；

s9、采用电子束蒸发的方式在电极区域制作金电极，金电极的厚度为90nm，完成石墨烯纳米带器件阵列的制备。

实施例5

s1、提供一锗衬底，其中，锗衬底具有10°偏角(100)晶面；

s2、采用化学气相淀积的方式在锗衬底上形成一层石墨烯薄膜，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝35:1；沉积温度为910℃；沉积时间为300min；

s3、采用电子束曝光的方式，在石墨烯薄膜上曝出点阵阵列的孔洞；

s4、在点阵阵列上采用电子束蒸发的方法形成二氧化硅掩膜层；

s5、剥离点阵阵列的孔洞外的掩膜层后，采用反应等离子体刻蚀的方式刻蚀孔洞外的石墨烯薄膜；

s6、使用磷酸腐蚀点阵上的掩膜层；

s7、置于水平管式炉中退火处理后，在石英管中采用化学气相淀积的方式，以石墨烯点阵为形核位点，生长纳米带阵列，其中，以ar作为载气，以ch4作为碳源气体，以h2作为还原气体，h2、ch4气体的摩尔比为h2/ch4＝65:1，沉积温度为910℃，沉积时间为120min；

s8、在石墨烯纳米带阵列的两端用电子束曝光的方式曝出电极区域；

s9、采用电子束蒸发的方式在电极区域制作钛电极，钛电极的厚度为10nm，完成石墨烯纳米带器件阵列的制备。

本发明的另一实施例还提供一种石墨烯纳米带器件阵列，该石墨烯纳米带器件阵列采用上述实施例中的石墨烯纳米带器件阵列的制备方法制备得到。本实施例中的石墨烯纳米带器件阵列为直接生长得到的，由于原始生长的石墨烯比加工后的石墨烯具有更好的物理特性，与现有技术中通过掩膜刻蚀方法得到的石墨烯纳米带相比，具有更优异的性能，例如缺陷少、载流子迁移率低、纳米带边缘结构完整等，从而在石墨烯微电子器件中具有重要的应用价值。

本发明的上述实施例，具有如下有益效果：

本发明的石墨烯纳米带器件阵列及其制备方法，实现了石墨烯纳米带阵列直接在半导体衬底上的制备，由于原始生长的石墨烯比加工后的石墨烯具有更好的物理特性，与现有技术中通过掩膜刻蚀得到的石墨烯纳米带阵列相比，避免了掩膜刻蚀法制备石墨烯纳米带阵列过程中带来的石墨烯载流子迁移率降低的问题，采用本发明方法制备的石墨烯纳米带器件阵列具有更优异的性能，如缺陷少、载流子迁移率低、纳米带边缘结构完整等，同时打开了石墨烯的带隙，从而可以实现石墨烯开关器件的制备与集成；而且，本发明采用的制备工艺与目前成熟的半导体工艺兼容，为石墨烯微电子器件的实际运用和大规模生产提供了可能。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。