石墨烯层及其形成方法以及器件及制造该器件的方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及石墨烯层、形成该石墨烯层的方法、包括该石墨烯层的器件以及制造该器件的方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯在化学上和结构上是稳定的，并且表现出优良的电和物理特性。例如，石墨烯具有高达大约2X105cm2/Vs的电荷迀移率，其比硅(Si)的电荷迀移率快一百倍以上，并且石墨烯具有大约10sA/cm2的电流密度，其比铜(Cu)的电流密度大一百倍以上。此外，石墨烯可具有非常高的费米速度Vf。因而，石墨烯作为克服一般器件的当前限制的下一代材料而受到关注。
[0003]因为石墨烯的各种优点，已经进行了关于石墨烯应用于各种电子器件的许多研究。在这方面，必须向石墨烯提供半导体性质。然而，在使用现有的方法时，可能难以在石墨烯中形成具有优良性能的P-N结。
【发明内容】
[0004]—个或多个示例性实施方式提供具有优良的物理性质和特性的石墨烯层，以及形成该石墨烯层的方法。
[0005]—个或多个示例性实施方式还提供了具有优良的P-N结特性的石墨烯层，以及形成该石墨烯层的方法。
[0006]—个或多个示例性实施方式还提供了其中在P-N结界面中存在的耗尽区的宽度相对小的石墨烯层，以及形成该石墨烯层的方法。
[0007]—个或多个示例性实施方式还提供了图案化的石墨烯层以及形成这样的石墨烯层的方法。
[0008]—个或多个示例性实施方式还提供了具有无缺陷的边缘部分的石墨烯层，以及形成该石墨烯层的方法。
[0009]—个或多个示例性实施方式还提供了包括该石墨烯层的器件(例如，含石墨烯的器件)。
[0010]一个或多个示例性实施方式还提供了制造包括这样的石墨烯层的器件的方法。
[0011]根据示例性实施方式的一方面，提供一种形成石墨烯层的方法，该方法包括:在第一温度使用第一源气体在底层的第一区域上形成第一石墨烯；以及在第二温度使用第二源气体在底层的邻近第一区域的第二区域上形成第二石墨烯，其中第一石墨烯和第二石墨烯的其中之一是P型石墨烯，第一石墨烯和第二石墨烯的另一个是N型石墨烯，并且第一石墨烯和第二石墨烯形成P-N结。
[0012]第一源气体和第二源气体可以彼此相同，并且第一温度和第二温度可以彼此不同。
[0013]第一源气体和第二源气体可以每个均包括含氮(N)的碳氢化合物。
[0014]含氮(N)的碳氢化合物可以包括吡啶(C5H5N)。
[0015]第一温度可以高于或等于700°C并且第二温度可以低于或等于550°C。
[0016]第一石墨烯可以是P型石墨烯并且第二石墨烯可以是N型石墨烯。
[0017]第一石墨烯可以是通过被底层掺杂而产生的P型石墨烯，第二石墨烯可以是由来自第二源气体的N型掺杂剂产生的N型石墨烯。
[0018]底层可以包括催化金属。
[0019]催化金属可以包括铂(Pt)。
[0020]催化金属还可以包括镍(Ni)、铜(Cu)或铱(Ir)。
[0021 ] 第一源气体和第二源气体可以彼此不同。
[0022]第一源气体和第二源气体中的其中之一可以包括第一碳氢化合物，并且第一源气体和第二源气体中的另一个可以包括第二碳氢化合物，第一碳氢化合物可以不包含氮(N)，第二碳氢化合物可以包含氮(N)。
[0023]P型石墨烯可以使用第一碳氢化合物形成，N型石墨烯可以使用第二碳氢化合物形成。
[0024]第一碳氢化合物可以包括从苯(C6H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)和三乙基硼烷(C6H15B)中选出的至少一种。
[0025]第一碳氢化合物可以包括硼(B)。
[0026]第二碳氢化合物可以包括吡啶(C5H5N)。
[0027]该方法还可以包括形成结合到第一石墨烯或第二石墨烯的第三石墨烯，其中第三石墨烯是P型石墨烯或N型石墨烯。
[0028]石墨烯层可以具有PNP结构或NPN结构。
[0029]第三石墨烯可以在低于大约550 °C的温度或者低于大约500 °C的温度形成。
[0030]形成底层可以包括:在基板上形成底材料层；以及通过图案化底材料层形成彼此分离的多个底层。
[0031]根据另一示例性实施方式的一方面，提供一种制造含石墨烯的器件的方法，该方法包括:通过使用以上描述的方法形成包括P-N结的石墨烯层；以及形成含石墨烯的器件的至少一部分，其中所述部分包括石墨烯层。
[0032]石墨烯层可以形成在第一基板上，并且在石墨烯层从第一基板转移到第二基板之后，可以在第二基板上形成含石墨烯的器件的所述部分。
[0033]石墨烯层可以形成在第一基板上，并且含石墨烯的器件的所述部分可以形成在第一基板上。
[0034]根据另一示例性实施方式的一方面，一种石墨烯层包括:P型石墨烯；以及结合到P型石墨烯的侧部的N型石墨烯，其中形成在P型石墨烯和N型石墨烯之间的界面处的耗尽区具有小于或等于5nm的宽度。
[0035]耗尽区的宽度可以小于或等于2nm。
[0036]石墨烯层的整个边缘部分可以具有没有缺陷的Z字形结构。
[0037]在P型石墨烯或N型石墨烯中，按区域计的掺杂浓度的偏差可以小于大约2.5X1012/cm2o
[0038]根据另一示例性实施方式的一方面，一种含石墨烯的器件包括以上描述的石墨烯层。
[0039]含石墨烯的器件可以是二极管，并且还可以包括连接到P型石墨烯的第一电极以及连接到N型石墨稀的第二电极。
[0040]含石墨烯的器件可以是晶体管，并且石墨烯层可以被用作沟道层。
[0041]石墨烯层可以具有PNP结结构或NPN结结构。
[0042]含石墨烯的器件可以包括从由隧穿器件、双极结型晶体管(BJT)、势皇晶体管(barristor)、场效应晶体管(FET)、存储器件、太阳能电池、光电探测器、传感器和发光器件组成的组选出的任意一种。
[0043]根据另一示例性实施方式的一方面，一种石墨烯器件包括:设置在第一区域中的N型石墨烯；以及设置在邻近第一区域的第二区域中的P型石墨烯，其中N型石墨烯具有由碳(C)原子形成的晶体结构，其中一些碳(C)原子被第一原子取代，P型石墨烯具有仅由碳(C)原子形成的晶体结构或其中晶体结构中的一些碳(C)原子被不同于第一原子的第二原子取代的结构。
[0044]第一原子可以包括例如氮(N)原子。
[0045]第二原子可以包括例如硼⑶原子。
[0046]形成在P型石墨烯和N型石墨烯之间的界面处的耗尽区可以具有小于或等于5nm的宽度。
[0047]耗尽区的宽度小于或等于2nm。
[0048]石墨烯层的整个边缘部分可以具有无缺陷的Z字形结构。
[0049]在P型石墨烯或N型石墨烯中，按区域计的掺杂浓度的偏差可以小于大约
2.5X1012/cm2o
[0050]石墨烯层的宽度可以是例如大约500nm或更小。
【附图说明】
[0051]从结合附图对示例性实施方式的以下描述，以上和/或其它方面将变得明显且更易于理解，在附图中:
[0052]图1A至IE是示出根据示例性实施方式的形成石墨烯层的方法的透视图；
[0053]图2A至2D是示出根据另一示例性实施方式的形成石墨烯层的方法的透视图；
[0054]图3A至3D是示出根据另一示例性实施方式的形成石墨烯层的方法的透视图；
[0055]图4A至4F是示出根据另一示例性实施方式的形成石墨烯层的方法的透视图；
[0056]图5A至5F是示出根据另一示例性实施方式的形成石墨烯层的方法的透视图；
[0057]图6A至6D是示出根据另一示例性实施方式的形成石墨烯层的方法的透视图；
[0058]图7A至7D是示出根据另一示例性实施方式的形成石墨烯层的方法的透视图；
[0059]图8A至SC是示出根据另一示例性实施方式的形成石墨烯层的方法的透视图；
[0060]图9是示出根据示例性实施方式的石墨烯层的结构的视图；
[0061]图10是示出根据另一示例性实施方式的石墨烯层的结构的视图；
[0062]图11示出了通过根据比较示例的方法形成的具有P-N结的石墨烯层的X射线光电子能谱(XPS)图像；
[0063]图12是示出根据示例性实施方式的石墨烯层以及其边缘部分的结构的图示；
[0064]图13是示出根据比较示例的石墨烯层的边缘部分的结构的图示；
[0065]图14A至14C是示出根据示例性实施方式的制造含石墨烯的器件的方法的透视图。
[0066]图15A至15C是示出根据另一示例性实施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖视图；
[0067]图16A至16C是示出根据另一示例性实施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖视图；
[0068]图17A至17C是示出根据另一示例性实施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖视图；
[0069]图18A和18B是示出根据另一示例性实施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖视图；
[0070]图19是示出根据另一示例性实施方式的石墨烯层的透视图；
[0071]图20是示出根据示例性实施方式形成的石墨烯层的扫描隧道显微镜(STM)图像的图示；
[0072]图21A和21B示出了根据示例性实施方式形成的N型石墨烯的STM图像；
[0073]图22至26是示出根据示例性实施方式的可以用于形成石墨烯的各种源气体的化学结构的图示。
【具体实施方式】
[0074]现在将参考附图更全面地描述各种示例性实施方式，在附图中显示出示例性实施方式。
[0075]将理解，当元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，它能直接连接或联接到另一元件，或者可以存在居间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，则不存在居间元件。在此使用时，术语“和/或”包括一个或多个相关列举项目的任意和所有组合。
[0076]将理解，虽然术语“第一”、“第二”等等可以在此使用以描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分。因而，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不脱离示例性实施方式的教导。
[0077]空间关系术语，诸如“在……下面”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等可以在此使用以便于描述，从而描述一个元件或特征与其它元件或特征如图中所示的关系。将理解，除了图中所描绘的取向之外，空间关系术语还旨在包含装置在使用或操作中的其它不同取向。例如，如果在图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或特征“以下”或“下面”的元件可以被取向为在其它元件或特征“上方”。因而，示例性术语“在……下面”可以涵盖上和下两种取向。装置可以被另外地取向(旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间关系描述语可以被相应地解释。
[0078]在此使用的术语仅用于描述特定实施方式，不旨在限制示例性实施方式。在此使用时，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文以别的方式清楚地表示。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件