一種在半絕緣硅面碳化硅上原位外延生長(zhǎng)石墨烯pn結(jié)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于石墨烯功能材料生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及一種在半絕緣 硅面碳化硅（SiC(OOOl))上生長(zhǎng)石墨烯PN結(jié)的方法，更具體地，涉及一種在半絕緣硅面碳 化硅上選區(qū)硼離子摻雜并進(jìn)行高溫外延生長(zhǎng)石墨烯，實(shí)現(xiàn)在碳化硅上原位外延生長(zhǎng)出石墨 烯雙極和多極器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是一種新型的二維結(jié)構(gòu)材料，其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電學(xué)性能、機(jī)械強(qiáng) 度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等使得其在基礎(chǔ)科學(xué)研究中有著極其重要的研究意義，并且蘊(yùn)藏著 巨大的軍事和商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。構(gòu)建PN結(jié)是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光電器件廣泛應(yīng)用的核心，然而本征 石墨烯帶隙為零，限制了其在某些光電器件上的應(yīng)用。盡管如此，理論預(yù)言石墨烯的PN結(jié) 能夠形成一種全新的、現(xiàn)代電子學(xué)中所沒有的新器件。不同于現(xiàn)代半導(dǎo)體器件中PN結(jié)調(diào)控 載流子的導(dǎo)通和關(guān)斷，石墨烯的PN結(jié)可以操控載流子使其類似于光子在光組件中的行為， 這就使得石墨烯PN結(jié)具有巨大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。
[0003] 通過摻雜或靜電柵調(diào)控石墨烯的載流子類型和載流子濃度，是目前普遍認(rèn)可獲得 石墨烯PN結(jié)的有效方法。然而，現(xiàn)有的各種制備石墨烯雙極或多極器件的方法或多或少存 在一定的局限性。多極靜電柵方法對(duì)載流子類型和載流子濃度的調(diào)控采用了許多復(fù)雜的器 件工藝步驟，工藝成本昂貴，難以滿足規(guī)模化制備的要求。而在石墨烯表面的化學(xué)摻雜會(huì)引 入外來的官能團(tuán)及外來原子摻雜缺陷，導(dǎo)致降低石墨烯的載流子遷移率。而通過物理吸附 分子產(chǎn)生的摻雜穩(wěn)定性差、易脫附，使石墨烯載流子極性和載流子濃度發(fā)生變化。而目前報(bào) 道的所有方法都不可避免的要面對(duì)如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、重復(fù)、可控、規(guī)?；膶⑹┯苫瘜W(xué)氣 相沉積（CVD)方法生長(zhǎng)在銅襯底上無損、有效的轉(zhuǎn)移到事先準(zhǔn)備好的載流子調(diào)控模板上的 問題及實(shí)現(xiàn)不同摻雜濃度PN結(jié)的問題。這些實(shí)際問題的解決是實(shí)現(xiàn)可控、穩(wěn)定、規(guī)?；?備石墨烯雙極器件或多極器件的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)石墨烯PN結(jié)或多周期結(jié)構(gòu)器件應(yīng)用的前提。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種在半絕緣硅面碳化硅（SiC(OOOl))上 原位外延生長(zhǎng)石墨烯PN結(jié)的方法，該方法工藝簡(jiǎn)單、有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
[0005] 本發(fā)明的方法是在半絕緣硅面碳化硅（SiC(OOOl))晶片上，通過離子注入硼離子 的方法預(yù)先對(duì)碳化硅（SiC)襯底進(jìn)行圖形化的P區(qū)摻雜調(diào)控。對(duì)此圖形化摻雜的碳化硅襯 底，在真空系統(tǒng)中采用高溫?zé)峤夥椒ㄔ煌庋由L(zhǎng)石墨烯。由于離子注入到碳化硅晶片中 的硼離子擴(kuò)散耦合進(jìn)入石墨烯的晶格，導(dǎo)致碳化硅晶片上相應(yīng)區(qū)域石墨烯的載流子呈空穴 型導(dǎo)電，而半絕緣硅面碳化硅晶片原位外延生長(zhǎng)的石墨烯為電子型導(dǎo)電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化 硅上石墨烯載流子極性和濃度在空間上的調(diào)控，制備出石墨烯PN結(jié)的結(jié)構(gòu)材料。
[0006] 本發(fā)明的在半絕緣硅面碳化硅（SiC(OOOl))晶片上原位生長(zhǎng)石墨烯PN結(jié)的方法 的實(shí)施步驟具體如下：
[0007] 1)提供半絕緣硅面碳化硅晶片，清洗干凈并干燥；
[0008] 2)對(duì)步驟1)得到的半絕緣硅面碳化硅晶片進(jìn)行選區(qū)硼離子注入；
[0009] 3)將步驟2)得到的半絕緣硅面碳化硅晶片置于保護(hù)性氣氛的生長(zhǎng)爐中進(jìn)行熱退 火處理；
[0010] 4)在所述保護(hù)性氣氛的生長(zhǎng)爐中以高溫?zé)岱纸夥ㄌ幚聿襟E3)得到的半絕緣硅面 碳化硅晶片，得到在碳化硅襯底上原位外延生長(zhǎng)的石墨烯PN結(jié)；
[0011] 其中，可以采用常規(guī)的半導(dǎo)體晶片的清洗方法清洗待用的半絕緣硅面碳化硅晶 片，然后用氮?dú)獯蹈伞?br>[0012] 所述半絕緣硅面碳化硅晶片的晶型是4H晶型或6H晶型。優(yōu)選地，所述半絕緣硅 面碳化硅晶片的電阻率大于1〇 5Ω · cm。
[0013] 在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案中，在步驟1)中還可以將干燥后的半絕緣硅面 碳化硅晶片進(jìn)行表面刻蝕處理。
[0014] 所述表面刻蝕處理可以通過下述步驟實(shí)現(xiàn)：
[0015] 在石墨坩鍋中放置一層碳化硅微粉，然后將清洗干凈并干燥的所述半絕緣硅面碳 化硅晶片置于所述微粉上，再將所述石墨坩堝置入真空爐中以1000~2000°c的溫度熱處 理10~360分鐘；
[0016] 優(yōu)選地，所述碳化娃微粉的半徑小于1mm，所述碳化娃微粉的填裝厚度大于Imm, 所述真空爐的真空度小于l〇 4Pa。
[0017] 經(jīng)過表面刻蝕處理的半絕緣硅面碳化硅晶片去除了晶片表面損傷層，形成有序的 臺(tái)階形貌，有利于生長(zhǎng)高質(zhì)量的石墨烯。
[0018] 除了上述對(duì)半絕緣硅面碳化硅晶片進(jìn)行表面刻蝕處理的方法外，還可采用其它的 常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)，如用含活性氫原子的氣體或硅烷等氣體對(duì)碳化硅表面進(jìn)行表面刻蝕處理的 方法，在此不再贅述。
[0019] 未經(jīng)過表面刻蝕處理的硅面碳化硅晶片也可以用于原位生長(zhǎng)石墨烯PN結(jié)，但是 晶片的表面損傷層對(duì)外延生長(zhǎng)石墨烯的質(zhì)量有較大的負(fù)面影響。
[0020] 在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案中，步驟2)是通過包括下述步驟的方法實(shí)現(xiàn)的：
[0021] 在步驟1)得到的半絕緣硅面碳化硅晶片表面設(shè)置掩膜材料并刻蝕圖形，然后根 據(jù)所述圖形在所述半絕緣硅面碳化硅晶片表面離子注入硼離子，硼離子注入完成后去除所 述掩膜材料。
[0022] 在硼離子注入前要對(duì)半絕緣硅面碳化硅晶片進(jìn)行離子注入的刻蝕圖形準(zhǔn)備。設(shè)計(jì) 的離子注入圖形可采用物理遮擋、光刻出注入圖形等方法實(shí)現(xiàn)。該圖形可以是任何適用的 圖形，例如幾何圖形、不規(guī)則形狀的圖形等，通常是一個(gè)幾何圖形或幾個(gè)幾何圖形的任意排 列，優(yōu)選為周期圖形。
[0023] 離子注入掩膜可以是固體遮擋物、光刻膠、應(yīng)用于電子束刻蝕的抗蝕劑等可用作 離子注入掩膜材料的一種或幾種，常用的掩膜材料為常規(guī)的光刻膠（如PMMA，DQN等），厚 度為0· 2~10 μ m，優(yōu)選地，光刻膠的厚度為1~3 μ m。
[0024] 在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案中，步驟2)的硼離子注入的硼離子能量為4~ 40keV ;硼離子注入的劑量為IOwCm 2~IO18Cm 2,優(yōu)選為1013cm 2~1016cm 2 ;硼離子的注入 深度小于500nm，優(yōu)選為5-100nm。
[0025] 在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案中，步驟3)是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0026] 將步驟2)得到的半絕緣硅面碳化硅晶片置入具有氣壓為I-IOOkPa的保護(hù)性氣氛 的生長(zhǎng)爐中，加熱至溫度1000-1500°C，保溫1-5小時(shí)。
[0027] 在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案中，步驟4)是通過包括下述步驟的方法實(shí)現(xiàn)的：
[0028] 將步驟3)得到的半絕緣硅面碳化硅晶片置入溫度為1100-200(TC的具有氣壓小 于IOOPa的保護(hù)性氣氛的生長(zhǎng)爐中，持續(xù)10-90分鐘，優(yōu)選地，所述氣壓為1~50Pa。
[0029] 上述的步驟3)和步驟4)可以是在同一生長(zhǎng)爐中連續(xù)接替進(jìn)行，也可以是在不同 的生長(zhǎng)爐中依次進(jìn)行。應(yīng)當(dāng)理解，在不同的生長(zhǎng)爐之間轉(zhuǎn)移的過程中為了避免損壞生長(zhǎng)爐 的加熱部件、探測(cè)部件和由步驟3)得到的半絕緣硅面碳化硅晶片，通常需要首先將生長(zhǎng)爐 降溫至其允許的溫度才能取出該半絕緣硅面碳化硅晶片。
[0030] 生長(zhǎng)爐的保護(hù)性氣氛是惰性氣體或惰性氣體與氫氣組成的混合氣，優(yōu)選地，所述 惰性氣體選自氦、氖、氬、氪和氙中的一種或多種。
[0031] 根據(jù)上述發(fā)明的原位生長(zhǎng)石墨烯PN結(jié)的方法，在步驟4)中，原位外延生長(zhǎng)的石墨 烯層數(shù)小于10層以取得較好的石墨烯PN結(jié)性能。根據(jù)在碳化硅上原位生長(zhǎng)石墨烯的經(jīng)驗(yàn) 和規(guī)律，可以通過控制生長(zhǎng)爐的氣壓、生長(zhǎng)溫度和生長(zhǎng)時(shí)間有效地控制石墨烯的層數(shù)。通常