[發(fā)明專利]基于溴插層多層石墨烯或石墨薄膜的碳基器件和電路結(jié)構(gòu)的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110493173.1
• 申請(qǐng)日: 2021-05-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113380697A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于學(xué)敏;田仲政;李慕禪;于大程;任中陽(yáng);任黎明;傅云義
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L21/768
• 分類號(hào): H01L21/768;H01L23/532;C23C14/18;C23C14/24;C23C14/34;C23C16/26;C23C28/00
• 代理公司: 北京萬(wàn)象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 賈曉玲

本發(fā)明專利公開(kāi)了一種基于溴插層多層石墨烯或石墨薄膜的碳基器件和電路結(jié)構(gòu)的制備方法，在低功耗器件、超密集和超薄集成電路等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。本發(fā)明通過(guò)對(duì)多層石墨烯或者石墨薄膜進(jìn)行溴插層處理，提高了材料的電導(dǎo)性能。其中，導(dǎo)電通道為溴插層處理后再經(jīng)過(guò)減薄的單層或雙層石墨烯，溴被封裝在單層或雙層石墨烯與襯底之間或是雙層石墨烯片層間，提高了溝道的導(dǎo)電性能。本發(fā)明通過(guò)圖形化單片石墨烯或者石墨薄膜的方式，同時(shí)制備器件和電極以及局部互聯(lián)線，極大地降低了器件和電路中的接觸電阻，并且這種電路結(jié)構(gòu)中的局部互聯(lián)線不需要其他材料，從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)中的工藝制造過(guò)程。而且本發(fā)明中的制備工藝也可以與目前主流的半導(dǎo)體加工工藝相兼容。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出了一種基于溴插層多層石墨烯或石墨薄膜的碳基器件和電路結(jié)構(gòu)的制備方法，在低功耗器件，超密集和超薄集成電路等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

背景技術(shù)

石墨烯由于具有極高的載流子遷移率、優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的熱導(dǎo)率等受到了廣泛的研究，是一種十分具有潛力的電子材料。近年來(lái)，石墨烯被應(yīng)用在許多種電子器件和電路的制備中，比如石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管、石墨烯原子開(kāi)關(guān)等器件以及利用石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)現(xiàn)的石墨烯環(huán)形振蕩器、石墨烯多級(jí)反相器等電路。但是在傳統(tǒng)的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，源端和漏端通常采用金屬做電極，因此不可避免的存在石墨烯/金屬的接觸，這樣的接觸電阻通常有幾百到幾千Ωμm。石墨烯的本征性能受到接觸電阻的極大限制，尤其是載流子的遷移率。因此，選擇合適的電極材料對(duì)高性能石墨烯基器件的制備及其在電路中的應(yīng)用尤為重要。

目前已有的降低石墨烯基器件中接觸電阻的方法包括：選擇與石墨烯相比功函數(shù)差異較大的金屬，通過(guò)對(duì)金屬下方的石墨烯重?fù)诫s來(lái)增加態(tài)密度從而降低接觸電阻率；采用熱退火處理來(lái)降低接觸電阻；Franklin等人探索了一種在石墨烯層上下均具有接觸金屬的雙接觸幾何結(jié)構(gòu)，使得接觸電阻降低了40％；也有研究小組通過(guò)在接觸區(qū)域的石墨烯內(nèi)形成切口從而增強(qiáng)載流子注入來(lái)降低接觸電阻。而目前提出的“全石墨烯”器件通過(guò)無(wú)縫連接可以使接觸電阻大幅降低，并且有可能成為具有前所未有的性能和能效以及更高可靠性的超致密和薄型集成電路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于溴插層多層石墨烯或石墨薄膜的碳基器件和電路結(jié)構(gòu)的制備方法，其中，導(dǎo)電通道為溴插層處理后再經(jīng)過(guò)減薄的單層或雙層石墨烯，溴被封裝在單層或雙層石墨烯與襯底之間或是雙層石墨烯片層間，源漏電極為溴插層后的石墨或多層石墨烯，并與溝道部分石墨烯直接相連。

本發(fā)明可以通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

1)多層石墨烯或石墨薄膜的溴插層處理：將采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法合成的多層石墨烯薄膜(層數(shù)大于2)或者機(jī)械剝離的多層石墨烯或者石墨薄膜通過(guò)干法或者濕法轉(zhuǎn)移的方法轉(zhuǎn)移到絕緣體或半導(dǎo)體等不同的襯底表面。將分析純液溴與轉(zhuǎn)移后的樣品一同置于密閉容器中，使多層石墨烯或石墨薄膜暴露于溴蒸汽氛圍中，并且長(zhǎng)時(shí)間靜置進(jìn)行溴插層，如圖1所示，靜置時(shí)間通常在1-24小時(shí)。

2)石墨烯器件溝道的制備：在溴插層處理后的樣品表面涂上光刻膠，通過(guò)光刻，顯影形成溝道區(qū)域。然后利用蒸發(fā)或者濺射方式鍍上金屬，再將樣品放入丙酮溶液中剝離掉溝道區(qū)域以外的金屬，最后將樣品置于稀鹽酸溶液中，使金屬溶解同時(shí)除去溝道區(qū)域多層石墨烯或者石墨薄膜中每一層碳原子。重復(fù)該過(guò)程直到溝道區(qū)域是一層或兩層石墨烯，形成器件的溝道部分。也可以采用光刻膠做掩膜，進(jìn)行溫和的氧等離子體刻蝕以產(chǎn)生大量空位缺陷，再進(jìn)行氫等離子體刻蝕去除最上層含大量缺陷的石墨烯。重復(fù)該過(guò)程以減薄溝道區(qū)域的多層石墨烯薄膜或者石墨，形成一層或兩層石墨烯的溝道區(qū)。最后用丙酮溶液除去光刻膠掩膜；

3)源與漏電極的制備：在樣品表面涂上光刻膠，利用光刻、顯影圖像化出電極區(qū)域，然后用等離子體刻蝕，除去不需要的石墨烯或是石墨薄膜部分，形成多層石墨烯或者石墨的源與漏電極，從而完成碳基器件。