一種在半絕緣硅面碳化硅上原位外延生長石墨烯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)硼離子摻雜并進行高溫外延生長石墨烯，實現(xiàn)在碳化硅上原位外延生長出石墨 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，其獨特的能帶結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電學(xué)性能、機械強 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，并且蘊藏著 巨大的軍事和商業(yè)應(yīng)用價值。構(gòu)建PN結(jié)是實現(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)具有巨大的研究價值和應(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)?；苽涞囊蟆６谑┍砻娴幕瘜W(xué)摻雜會引 入外來的官能團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 道的所有方法都不可避免的要面對如何實現(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 問題及實現(xiàn)不同摻雜濃度PN結(jié)的問題。這些實際問題的解決是實現(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 原位外延生長石墨烯PN結(jié)的方法，該方法工藝簡單、有潛在的應(yīng)用價值。
[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)先對碳化硅（SiC)襯底進行圖形化的P區(qū)摻雜調(diào)控。對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石墨烯。由于離子注入到碳化硅晶片中 的硼離子擴散耦合進入石墨烯的晶格，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的石墨烯為電子型導(dǎo)電，從而實現(xiàn)對碳化 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))晶片上原位生長石墨烯PN結(jié)的方法 的實施步驟具體如下：
[0007] 1)提供半絕緣硅面碳化硅晶片，清洗干凈并干燥；
[0008] 2)對步驟1)得到的半絕緣硅面碳化硅晶片進行選區(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性氣氛的生長爐中進行熱退 火處理；
[0010] 4)在所述保護性氣氛的生長爐中以高溫?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，然后用氮氣吹干。
[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)明的方法的一個實施方案中，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 臺階形貌，有利于生長高質(zhì)量的石墨烯。
[0018] 除了上述對半絕緣硅面碳化硅晶片進行表面刻蝕處理的方法外，還可采用其它的 常規(guī)方法實現(xiàn)，如用含活性氫原子的氣體或硅烷等氣體對碳化硅表面進行表面刻蝕處理的 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石墨烯PN結(jié)，但是 晶片的表面損傷層對外延生長石墨烯的質(zhì)量有較大的負面影響。
[0020] 在本發(fā)明的方法的一個實施方案中，步驟2)是通過包括下述步驟的方法實現(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半絕緣硅面碳化硅晶片進行離子注入的刻蝕圖形準(zhǔn)備。設(shè)計 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，通常是一個幾何圖形或幾個幾何圖形的任意排 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)明的方法的一個實施方案中，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)明的方法的一個實施方案中，步驟3)是通過下述步驟實現(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的保護性氣氛 的生長爐中，加熱至溫度1000-1500°C，保溫1-5小時。
[0027] 在本發(fā)明的方法的一個實施方案中，步驟4)是通過包括下述步驟的方法實現(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的保護性氣氛的生長爐中，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)可以是在同一生長爐中連續(xù)接替進行，也可以是在不同 的生長爐中依次進行。應(yīng)當(dāng)理解，在不同的生長爐之間轉(zhuǎn)移的過程中為了避免損壞生長爐 的加熱部件、探測部件和由步驟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] 生長爐的保護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)明的原位生長石墨烯PN結(jié)的方法，在步驟4)中，原位外延生長的石墨 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石墨烯的經(jīng)驗 和規(guī)律，可以通過控制生長爐的氣壓、生長溫度和生長時間有效地控制石墨烯的層數(shù)。通常