[發明專利]一種利用離子注入制備摻雜石墨烯的方法

在審

• 申請號: 201810736450.5
• 申請日: 2018-07-06
• 公開（公告）號: CN108862252A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 張苗;高敏;韓曉雯;賈鵬飛;薛忠營;狄增峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所;中國科學院大學
• 主分類號: C01B32/186
• 分類號: C01B32/186;C01B32/194
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發明提供一種利用離子注入制備摻雜石墨烯的方法，所述方法包括，提供一襯底，于所述襯底上使用CVD工藝進行石墨烯生長，形成石墨烯層；于所述石墨烯層上形成一保護層，所述保護層完全覆蓋所述石墨烯層；使用離子注入技術通過所述保護層向所述石墨烯層中注入摻雜元素；除去所述保護層，裸露出所述石墨烯層；使用CVD工藝對裸露出的所述石墨烯層進行石墨烯修復生長，以修復所述石墨烯中由于離子注入引起的缺陷，進而形成摻雜石墨烯層。利用本發明的技術方案，可制備可控摻雜量的n型或p型的高質量石墨烯，可通過控制注入區域，制備圖案化摻雜的石墨烯；本發明的技術方案可適用于使用CVD工藝在襯底X上生長的石墨烯的摻雜，應用范圍廣。

技術領域

本發明涉及石墨烯摻雜領域，特別是涉及一種利用離子注入制備摻雜石墨烯的方法。

背景技術

石墨烯是一種零帶隙的半導體，其價帶和導帶在布里淵區內呈狄拉克錐形基礎，并具有良好的導電率、極高的電子遷移率和獨特的光學特性。這使得開發具有高性能石墨烯基的半導體功能器件成為了研究的熱點，然而，本征石墨烯的零帶隙特點限制了其在微電子領域的應用。因此，對于石墨烯能帶的調控成了研究的重點。

摻雜是調控石墨烯能帶結構的有效手段，石墨烯的摻雜一般有兩種方法，一是吸附摻雜，二是晶格摻雜。對于吸附摻雜，是在石墨烯表面吸附摻雜量，由于摻雜物中電子的最高占據軌道能級和石墨烯的費米能級不同，從而產生電荷轉移，從而得到調控石墨烯帶隙的目的。如果石墨烯的費米能級較低，那么電荷就會向石墨烯轉移，形成n型摻雜，石墨烯的費米能級升高；如果石墨烯的費米能級較低，那么電荷就會由石墨烯轉移到摻雜物，形成p型摻雜，石墨烯費米能級降低。對于晶格摻雜，是在石墨烯中，用摻雜物原子取代石墨烯中的碳原子，與其他周圍的碳原子成鍵，改變石墨烯的能帶結構。一般情況，如果摻雜原子的價電子多于探原子的4個價電子，則會形成n型摻雜；如果摻雜原子的價電子少于碳源的4個價電子，則會形成p型摻雜。然而，目前摻雜石墨烯的制備面臨著工藝復雜、摻雜濃度不可控、摻雜區域不可控、石墨烯質量較差等問題。

因此，開發一種工藝簡單，摻雜劑量可控、摻雜區域可控的石墨烯摻雜方法，成為本領域技術人員亟需解決的問題。

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利用離子注入制備摻雜石墨烯的方法，用于解決現有技術中石墨烯摻雜工藝復雜、摻雜濃度不可控、摻雜區域不可控、石墨烯質量較差的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種利用離子注入制備摻雜石墨烯的方法，所述方法包括：

S10、提供一襯底，于所述襯底上使用CVD工藝進行石墨烯生長，形成石墨烯層；

S20、于所述石墨烯層上形成一保護層，所述保護層完全覆蓋所述石墨烯層；

S30、使用離子注入技術從所述保護層的上表面向所述石墨烯層中注入摻雜元素；

S40、除去所述保護層，裸露出所述石墨烯層；

S50、使用CVD工藝對裸露出的所述石墨烯層進行石墨烯修復生長，以修復所述石墨烯中由于離子注入引起的晶格損傷，使摻雜原子移動到晶格點，將摻雜原子激活，進而形成摻雜石墨烯層。

在本發明的一個優選實施方案中，在步驟S50中還包括，在步驟S50中還包括，于惰性氣氛下對裸露出的所述石墨烯層進行退火，接著使用CVD工藝對退火后的所述石墨烯進行石墨烯修復生長，以修復所述石墨烯層中由于離子注入引起的晶格損傷，使摻雜原子移動到晶格點，將摻雜原子激活，進而形成摻雜石墨烯層。

在本發明的一個具體實施方案中，所述退火溫度為800-930℃。

在本發明的一個優選實施方案中，所述保護層的厚度為10-200nm，所述保護層的厚度由所述摻雜元素的注入能量決定，以確保所述石墨烯層的上表面處的摻雜元素濃度最高。