石墨烯納米電子器件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微納加工技術領域，尤其是涉及一種石墨烯納米電子器件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是由單層碳原子構成的準二維納米材料，具有優異的物理、化學和機械性能。因此，目前對石墨烯的材料性質、制備方法及器件加工技術等方面的研宄已經成為熱點。石墨烯的制備方法包括多種，如機械剝離法、碳化硅熱解法、電弧放電法及CVD合成法等。在電子器件制備領域，摻雜對改善和提高石墨烯的電學磁學性能有很大幫助。對于二維結構的石墨烯，化學摻雜存在摻雜困難，穩定性差等缺點。物理結構摻雜如人工制備納米條帶或納米多孔反點陣結構也能轉變石墨烯的性質，使其由半金屬性轉變成半導體。此外通過控制納米結構的尺寸還可以進一步調控石墨烯的電學、光學以及磁學性能。
[0003]制備納米孔石墨稀的方法有許多，在文獻(A general and scalable synthesisapproach to porous graphene, Nature Communicat1ns, 5, 4716 (2014))中公開了一種利用濺射金屬氧化物顆粒氧化石墨烯的方法來制備多孔石墨烯。
[0004]文獻(Large-Scale Product1n of Nanographene Sheets with a ControlledMesoporous Architecture as High-Performance Electrochemical ElectrodeMaterials Chem Sus Chem 6, 1084(2013))中公開了一種利用金屬鎂在二氧化碳中燃燒淬火直接制備多孔石墨烯的方法。也有文獻報道先通過金屬催化劑化學氣相沉積石墨烯，然后采用化學腐蝕將其轉移到介質襯底上再通過光刻加工的方法得到多孔石墨烯。
[0005]上述的方法雖然能夠獲得多孔石墨烯結構，并在一些領域獲得良好的應用前景，但是上述方法中有的在制備石墨烯結構過程中存在著納米尺寸不可控的問題，有的方法所獲得的石墨烯存在多層疊加或者金屬離子污染等各種問題，不能滿足納米電子器件加工的需要。
【發明內容】
[0006]本發明的目的旨在提供一種石墨烯納米電子器件及其制備方法，可以大規模地制備高精度和一致性好的石墨烯納米電子器件。
[0007]為了解決上述問題，根據本發明的一個方面，提供了一種石墨烯納米電子器件的制備方法，用于在一襯底上形成至少一個石墨烯納米電子器件，每一石墨烯納米電子器件包括帶有納米結構的石墨烯區以及與石墨烯區連接的金屬電極，該制備方法包括:步驟S1、提供一襯底，襯底的上表面由絕緣介質材料形成。步驟S2、在襯底的上表面上形成連續的石墨烯層，并且石墨烯層基本上覆蓋襯底的整個上表面。步驟S3、在石墨烯層上形成各個金屬電極。步驟S4、在石墨烯層上覆蓋抗蝕劑層，采用電子束曝光的方式對抗蝕劑層進行曝光，以使得抗蝕劑層成形為預定的掩模的形狀。其中，掩模的圖案成形為僅用于在各個石墨烯區在石墨烯層中的預定位置處形成各個石墨烯區的納米結構。步驟S5、對帶有掩模的襯底進行反應離子刻蝕，以在石墨烯區中形成納米結構。步驟S6、在形成納米結構之后，去除石墨烯區周圍的一部分石墨烯層，以將石墨烯層中的石墨烯區與石墨烯區外的其余石墨烯層斷開。
[0008]進一步地，步驟S3還包括:在石墨烯層上形成用于在電子束曝光時將曝光版圖與襯底進行對準的對準標記，該對準標記包括:用于將曝光版圖與襯底進行整體對準的全局對準標記以及在每一石墨稀區在石墨稀層中的預定位置周圍形成的局部對準標記。
[0009]進一步地，對準標記為在石墨稀層上形成的金屬標記，其與金屬電極同時形成。
[0010]進一步地，采用光刻和平板印刷工藝形成對準標記和金屬電極；優選地，光刻為紫外光刻。
[0011]進一步地，在步驟S2中，采用等離子體增強化學氣相沉積工藝在襯底的上表面上沉積石墨烯層。
[0012]進一步地，在步驟S6中，采用光刻和等離子體刻蝕工藝進行去除操作；優選地，光刻為紫外光刻。
[0013]進一步地，納米結構為石墨稀納米帶結構或石墨稀納米反點陣結構。
[0014]進一步地，至少一個石墨烯納米電子器件為在襯底上呈周期性陣列布置的多個石墨稀納米電子器件。
[0015]進一步地，在步驟S2中，在襯底上形成連續的石墨稀層之前，還包括對襯底進行拋光和清洗的步驟；可選地，經拋光后的襯底的表面粗糙度Ra < 3nm。
[0016]根據本發明的另一方面，還提供了一種石墨烯納米電子器件，該石墨烯納米電子器件采用上述任一種方法制備而成。
[0017]應用本發明的技術方案，通過在絕緣介質襯底上直接沉積石墨烯層，然后通過電子束光刻和等離子刻蝕裁減的方法，大規模地制備出了精度高且一致性好的石墨烯納米結構電子器件。與現有的制備方法相比，本發明具有以下有益效果:
[0018]I)本發明可以直接在襯底上加工石墨烯，對襯底的選擇性要求低，適用范圍廣。并且還可以根據所制作的石墨烯電子器件的應用領域不同選擇不同的襯底，如可以采用絕緣介質襯底，也可以采用導電的襯底。
[0019]2)現有技術中先通過金屬催化劑化學氣相沉積石墨烯，然后再通過化學腐蝕將石墨烯層轉移到介質襯底上進行光刻加工。在金屬表面沉積石墨烯層，由于金屬活性高，可以得到大面積連續石墨烯，雖然具有晶粒尺寸大，迀移率高，單層比例高等優點，但是由于后續還需要對石墨烯層進行轉移后再加工，在化學腐蝕轉移的過程中會對石墨烯層造成污染。而本申請則將石墨烯直接沉積到襯底上進行加工，無需對石墨烯層進行轉移，避免了化學腐蝕轉移過程中對金屬離子的污染。
[0020]3)本發明采用等離子體增強化學氣相沉積的方式形成石墨烯層，能夠得到連續單層納米多晶石墨烯膜，間或少量雙層石墨烯，避免了出現多層石墨烯疊加的問題。并且由于石墨烯層全部覆蓋絕緣介質襯底，可以在電子束套刻過程中直接充當導電層，無需再額外沉積導電層，簡化了工藝步驟。
[0021]4)由于采用電子束直寫曝光和反應離子刻蝕技術，使得石墨烯納米結構在制備過程中完全可控；由于電子束曝光結合紫外光刻平版印刷技術，使得電子器件的加工精度高，可有效通過尺寸進行量子調控。
[0022]5)該方法適合于多種二維材料納米量子結構的加工，具有廣泛適用性；并且工藝簡單、加工速度快、穩定性和一致性好，并且能夠與半導體工藝兼容，也可以自成工藝體系，適合大規模生產。本發明制備的石墨烯納米電子器件可應用于肖特基二極管、場效應晶體管和霍爾效應晶體管等多種碳基電子器件領域。
[0023]根據下文結合附圖對本發明具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本發明的上述以及其他目的、優點和特征。
【附圖說明】
[0024]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本發明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0025]圖1為根據本發明一種實施例中全局對準標記PQRS、局部對準標記Ml、M2、M3和M4以及待套刻的納米結構在襯底上的位置分布結構示意圖；
[0026]圖2為根據本發明一種實施例中局部對準標記Ml、M2、M3和M4以及待套刻的納米結構在襯底上的位置分布結構示意圖；
[0027]圖3為根據本發明一種實施例中石墨烯納米電子器件的部分結構示意圖；
[0028]圖4為根據本發明一種實施例中制備的具有納米結構的石墨烯芯片的掃描電子顯微鏡照片；
[0029]圖5為根據本發明一種實施例中石墨烯多孔反點陣的掃描電子顯微鏡照片；以及
[0030]圖6為根據本發明一種實施例中制備的具有超細間隙的石墨烯納米結構的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0031]為了解決現有技術中存在的石墨烯納米結構電子器件過程中存在的工藝復雜、多層石墨烯層疊加以及制備過程中納米尺寸不可控以及容易被金屬離子污染等問題，本發明提供了一種石墨烯納米電子器件的制備方法，用于在一襯底10上形成至少一個石墨烯納米電子器件。如圖1-3所示，每一石墨烯納米電子器件包括帶有納米結構20的石墨烯區30以及與石墨稀區30連接的金屬電極40。
[0032]在本發明的一個實施例中，石墨烯納米電子器件的制備方法包括:
[0033]步驟S1、提供襯底10。該襯底10的上表面11可以是由絕緣介質材料形成。也可以選擇四英寸或更大圓晶作為絕緣介質襯底10。本發明所提供的石墨烯納米電子器件的制備方法對襯底材料沒有太多的選擇性，既可以采用絕緣介質襯底，也可以采用其它材料的襯底，如導電材料作為的襯底。絕緣介質襯底10可以是晶圓