一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體技術領域，涉及一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯是由sp2軌道雜化的單層碳原子構成的二維正六邊形原胞緊密蜂窩式的結構晶格，其優越的電子輸運特性成為研究人員研究及關注的焦點。2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，并在常溫下觀察到量子霍爾效應。石墨烯以及反常量子霍爾效應的發現為Geim和Novoselov贏得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯中二維六角布里淵區的六個角附近的低能色散關系是線性的，導致電子和空穴的零有效質量，因而其載流子迀移率極高，傳輸速度達到光速的1/300，理論迀移率可以達到106cm2/Vs，為硅中電子迀移率的100倍。石墨烯可以作為半導體靈敏器件的核心材料。霍爾效應是1879年由E.H.霍爾發現的，在導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導體中的載流子(電子與空穴)受到不同方向的洛倫茲力而使軌跡發生偏移而往不同方向上聚集，在材料兩側產生積累起來的電荷(電子與空穴)之間會產生垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩定的電勢差即霍爾電壓。石墨烯的霍爾效應應用于霍爾元件，通過測量霍爾電壓獲得所加磁場的大小，因此可以制備得到高靈敏度石墨烯磁場傳感器。
[0003]磁傳感器的性能主要取決于2個參數:靈敏度及其功耗，主要由載流子的濃度及迀移率決定。因此與硅基傳感器相比，由于石墨烯載流子迀移率較高，其靈敏度也將大幅提高。由此可見維持石墨烯中載流子迀移率及并降低器件接觸電阻，是獲得高性能石墨烯磁場傳感器的關鍵。另外石墨烯具有很好的溫度穩定性，制備成石墨烯傳感器時不需要額外的溫度補償，降低了器件工藝難度。
[0004]鑒于此，本發明將提供一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器的制備方法。
【發明內容】
[0005]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高靈敏度石墨烯磁場傳感器及其制備方法，以期獲得具有穩定的高性能微電子器件
[0006]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器的制備方法，該方法至少包括以下步驟:
[0007]1)提供第一、第二、第三襯底以及PDMS薄膜；
[0008]2)在所述第一襯底上依次形成一 PPC—h-BN結構；所述PPC—h_BN結構包括位于第一襯底上的聚碳酸亞丙酯PPC薄膜和位于聚碳酸亞丙酯PPC薄膜上的第一 h-BN薄膜；
[0009]3)將形成于所述第一襯底上的PPC—第一 h-BN結構剝離出來放置于所述PDMS薄膜上；形成PDMS — PPC—第一 h-BN結構；
[0010]4)在所述第二襯底上形成石墨烯薄膜；
[0011]5)用所述PDMS — PPC — h-BN結構吸附上述石墨烯薄膜，形成PDMS — PPC—第一h-BN一石墨稀結構；
[0012]6)在所述第三襯底上形成第二 h-BN薄膜；
[0013]7)將所述PDMS — PPC—第一 h_BN—石墨烯結構覆蓋所述第三襯底上的第二 h_BN薄膜，形成位于所述第三襯底上的PDMS — PPC—第一 h-BN—石墨烯-第二 h-BN結構；
[0014]8)揭掉PDMS，丙酮去除PPC，即形成位于所述第三襯底上的第一 h_BN—石墨烯一第二 h-BN結構；
[0015]9)采用反應離子刻蝕所述第三襯底上的第一 h-BN—石墨烯一第二 h-BN結構，形成霍爾結構器件，露出第一 h-BN—石墨烯一第二 h-BN截面結構；即露出線狀石墨烯邊界；
[0016]10)沉積金屬，覆蓋露出的第一 h-BN—石墨烯一第二 h-BN截面結構，形成一維石墨稀與金屬電極接觸。
[0017]優選地，所述步驟2)中在所述第一襯底上形成聚碳酸亞丙酯PPC薄膜的具體步驟是用勻膠機在將聚碳酸亞丙酯PPC涂在所述第一襯底上，然后在120度溫度下加熱3-5min直至固化成膜。
[0018]優選地，所述第一、第二、第三襯底為S1ji底、Si02/Si襯底、Mg0、Al203、SiC襯底或者柔性襯底。
[0019]優選地，所述步驟9)中形成霍爾結構時，所述第二 h-BN薄膜不刻蝕、部分刻蝕或者全部刻蝕。
[0020]優選地，所述步驟9)中形成霍爾結構后，所述第一、第二 h-BN薄膜的厚度為10nm_50nm，
[0021]本發明還提供一種采用上述制備方法制備的高靈敏度石墨烯磁場傳感器。
[0022]本發明采用干法轉移技術將機械剝離的石墨烯、h-BN薄膜堆疊成三明治結構器件，干法轉移有效的避免了濕法轉移及器件制備工藝對材料造成的污染及晶格破壞，由于h-BN薄膜具有良好的化學穩定性及原子級平整的表面，是微納電子器件良好的封裝及襯底層。采用h-BN — Gr — h-BN器件結構的益處在于，保護整個器件堆疊層避免吸附空氣中的H20及微粒引起慘雜或者層間褶皺導致載流子迀移率降低，另外平整無懸掛鍵的h-BN襯底減少對載流子的散射。本發明采用金屬與石墨烯之間形成一維的石墨烯-金屬電極接觸，一方面減小了石墨烯金屬接觸面積，降低器件接觸電阻，另一方面減少器件工藝對石墨烯的破壞以保持其極高的電子迀移率，解決了微電子器件制備過程中電性能降低的問題。
【附圖說明】
[0023]圖1至圖11顯示為本發明實施例一的制備流程圖。
[0024]圖12-13顯示為本發明實施例二的制備流程圖。
[0025]圖14a和14b為本發明中霍爾元件的俯視圖。
[0026]元件標號說明
[0027]PDMS 薄膜1
[0028]第一襯底10
[0029]PPC 薄膜11
[0030]第一h-BN 薄膜12
[0031]第二襯底20
[0032]石墨烯薄膜21
[0033]第三襯底30
[0034]第二h-BN 薄膜31
[0035]金屬電極50、
[0036]50，
【具體實施方式】
[0037]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0038]需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0039]實施例一
[0040]請參閱附圖1-11所示，本發明提供一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器制備方法，【具體實施方式】如下:
[0041]步驟1，提供第一襯底，在第一襯底10上形成聚碳酸亞丙酯PPC薄膜11 ;用勻膠機在1500r/min下將PPC涂在該第一襯底10上，在120度溫度下加熱3_5min直至固化成膜；然后在該PPC薄膜上形成第一 h-BN薄膜12。形成位于第一襯底上的PPC — h-BN結構。請參閱圖1所示。
[0042]步驟2，將該第一襯底10上的PPC—h-BN結構揭下來，放到PDMS薄膜1上，形成PDMS—PPC—h-BN結構。請參閱圖2所示。該PDMS薄膜1及PPC薄膜表面光滑且具有彈性，由于PDMS薄膜較厚，在后續的干法轉移的過程中起到支撐作用，能夠通過范德華力能夠很好的粘附PPC薄膜，同時PPC及PDMS良好的透光性也便于在顯微鏡下觀察樣品實現樣品之間的對準。另外采用PDMS — PPC結構吸附硬性襯底上機械剝離的薄膜時，能夠很好的排除樣品膜層之間的空氣，通過范德華力吸附更加牢固，使得干法轉移達到理想的效果。請參閱圖2所示。
[0043]步驟3，請參閱圖3所示，提供第二襯底