[發明專利]摻雜石墨烯及石墨烯PN結器件的制備方法

有效

• 申請號: 201410675336.8
• 申請日: 2014-11-21
• 公開（公告）號: CN105655242B
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 狄增峰;王剛;陳達;郭慶磊;馬駿;鄭曉虎;戴家赟;薛忠營;張苗;丁古巧;謝曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/04
• 分類號: H01L21/04
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 李儀萍

本發明提供一種摻雜石墨烯及石墨烯PN結器件的制備方法，其中，所述摻雜石墨烯的制備方法至少包括：提供一銅襯底，在所述銅襯底上形成鎳薄膜層；在所述鎳薄膜層上選擇一特定區域，在所述特定區域分別注入N型摻雜元素和P型摻雜元素，以分別形成富N型摻雜元素區和富P型摻雜元素區；對摻雜元素注入后的所述銅襯底進行第一階段保溫，以使所述銅襯底和所述鎳薄膜層形成銅鎳合金襯底；然后在甲烷環境下進行第二階段保溫，以分別在所述富N型摻雜元素區和所述富P型摻雜元素區得到N型摻雜石墨烯和P型摻雜石墨烯。本發明結合銅和鎳的性質，利用離子注入技術，實現了N型和P型摻雜元素的晶格式摻雜，從而得到穩定的摻雜石墨烯結構。

技術領域

本發明涉及半導體制備技術領域，特別是涉及一種摻雜石墨烯及石墨烯PN結器件的制備方法。

背景技術

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家使用微機械剝離的方法發現了石墨烯，并于 2010年獲得了諾貝爾物理學獎。石墨烯，即石墨的單原子層，是碳原子按蜂窩狀排列的二維結構。自從石墨烯被發現以后，由于其優異的性能和巨大的應用前景引發了物理和材料科學等領域的研究熱潮。

眾所周知，石墨烯本身在費米能級附近沒有帶隙，在制備石墨烯的過程中，如果石墨烯的能帶隙關閉，那么石墨烯相當于導體，無法進行應用。因此，如果無法打開石墨烯的能帶隙，將嚴重阻礙石墨烯在半導體、導電材料等領域的應用。研究人員嘗試了很多方法將石墨烯的能帶隙打開，但到目前為止實驗上取得的進展十分緩慢。對于這個問題，雖然現在還不能找到完美的解決方案，但已有很多研究小組開始嘗試各種不同的方案。例如，引入缺陷、摻雜、外加電場或與其它分子結合可以在一定程度上將能帶隙“打開”。然而，有些方案，比如引入缺陷，雖然能夠在一定程度上打開石墨烯的能帶隙，但這種方法也會破壞石墨烯的性能；而有些方案，比如摻雜，通過表面吸附摻雜元素制備石墨烯，但這種方法會致使石墨烯結構不穩定，在溫度變化時，吸附的摻雜原子將會脫附，從而導致石墨烯的能帶隙關閉，并且這種方法也無法在特定區域形成PN結；而有些方案，比如外加電場或與其它分子結合，這些方案采用的制備技術還不夠成熟或者過于復雜，不適于推廣使用。

因此，現在亟需一種利用簡便、成熟的技術，在不破壞石墨烯性能的前提下，能夠定位制備結構穩定的摻雜石墨烯的方法，并且能夠在特定區域形成PN結。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種摻雜石墨烯及石墨烯PN結器件的制備方法，用于解決現有技術中石墨烯的制備方法會破壞石墨烯性能，或致使石墨烯結構不穩定，無法在特定區域形成PN結；以及采用的制備技術不夠成熟或者過于復雜，不適于推廣使用的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種摻雜石墨烯的制備方法，其中，所述摻雜石墨烯的制備方法至少包括：

提供一銅襯底，在所述銅襯底上形成鎳薄膜層；

在所述鎳薄膜層上選擇一特定區域，在所述特定區域分別注入N型摻雜元素和P型摻雜元素，以分別形成富N型摻雜元素區和富P型摻雜元素區；

對摻雜元素注入后的所述銅襯底進行第一階段保溫，以使所述銅襯底和所述鎳薄膜層形成銅鎳合金襯底，從而使注入到所述鎳薄膜層特定區域中的N型摻雜元素和P型摻雜元素在所述銅鎳合金襯底的表面聚集；然后在甲烷環境下進行第二階段保溫，以分別在所述富N型摻雜元素區和所述富P型摻雜元素區得到N型摻雜石墨烯和P型摻雜石墨烯；最后緩慢冷卻降至室溫。

優選地，在所述特定區域分別注入N型摻雜元素和P型摻雜元素，以分別形成富N型摻雜元素區和富P型摻雜元素區的方法，至少包括如下步驟：

在所述鎳薄膜層上選擇一特定區域，在所述特定區域上形成第一掩膜層，圖形化所述第一掩膜層，暴露出所述特定區域中需要注入N型摻雜元素的位置；

在所述特定區域注入N型摻雜元素，以圖形化后的第一掩膜層為掩膜，在所述需要注入 N型摻雜元素的位置形成富N型摻雜元素區；