專利名稱：一種霍爾元件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種霍爾元件及其制備方法，特別的，涉及一種采用石墨烯材料作為有源區(qū)的霍爾元件以及其制備方法。
背景技術(shù)：
霍爾元件就是利用霍爾效應(yīng)探測(cè)磁場(chǎng)的半導(dǎo)體器件，又稱霍爾傳感器，霍爾元件應(yīng)用非常廣泛，例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制，因此在汽車安全裝置 ABS、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火定時(shí)、電流電壓傳感器、無刷電機(jī)、齒輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)、過程控制中的無觸點(diǎn)開關(guān)、定位開關(guān)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，另外作為磁探測(cè)器在航海、航空、航天、地址探測(cè)、磁性材料及測(cè)磁儀器研究等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用?；魻栐壳安捎枚喾N半導(dǎo)體材料制作，如Ge、Si、InSb, GaAs, InAs, InAsP以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱材料，但是傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料制備的霍爾元件都存在著明顯的缺陷，比如硅和鍺由于載流子遷移率較低，因此制備的霍爾元件靈敏度較低，而基于MSb等高遷移率半導(dǎo)體材料制備的霍爾元件則是溫度穩(wěn)定性較差，且不適合制作集成霍爾電路， 對(duì)于多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱材料制備的霍爾元件，工藝非常復(fù)雜、制備成本很高。因此缺乏一種綜合性能都很優(yōu)異的材料來制作霍爾元件，使得霍爾元件在靈敏度、溫度漂移、制作工藝復(fù)雜程度以及成本方面都具有很大優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、制作工藝簡(jiǎn)單的霍爾元件。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種霍爾元件，包括一對(duì)激勵(lì)電極、一對(duì)霍爾電極和有源區(qū)，其特征在于，所述有源區(qū)的材料是石墨烯，一對(duì)激勵(lì)電極分別與有源區(qū)溝道兩端接觸，一對(duì)霍爾電極分別與有源區(qū)溝道兩側(cè)接觸。上述激勵(lì)電極與石墨烯溝道兩端接觸以提供電流源或電壓源，霍爾電極與石墨烯溝道兩側(cè)接觸用于輸出霍爾電壓。上述作為有源區(qū)的石墨烯材料的形狀可以是十字形、矩形或者其它可產(chǎn)生霍爾電壓的形狀。本發(fā)明中，作為有源區(qū)的石墨烯可以是單層的或者多層的。石墨烯有源區(qū)可以位于絕緣基底上，也可以是懸空的。所述絕緣基底可以是覆蓋有S^2的硅片，也可以是SiC、 石英、云母、玻璃、氮化硼(BN)等絕緣材料基片。圖1所示的霍爾元件中，石墨烯材料被裁成十字形(圖la)或者矩形(圖lb)，兩個(gè)激勵(lì)電極2和3分別與石墨烯溝道1兩端電學(xué)接觸，兩個(gè)霍爾電極4和5則與石墨烯溝道 1的兩個(gè)側(cè)面發(fā)生電學(xué)接觸。器件工作時(shí)，磁場(chǎng)方向垂直于器件平面(石墨烯材料平面)， 在兩個(gè)激勵(lì)電極2和3之間施加一個(gè)恒定電壓源或者電流源，由于霍爾效應(yīng)，霍爾電極4與5之間就會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓。根據(jù)激勵(lì)電極2和3之間施加的電源的類型，該霍爾器件可以工作在不同模式，如果加恒流源，就是電流模式，如果加恒壓源，就是電壓模式。本發(fā)明中所用的石墨烯可以是單層或者多層的，而且可以通過不同的方式制備得到的。比如通過機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積(CVD)、偏析法等等方法生長(zhǎng)的石墨烯都可以用來制備霍爾元件。本發(fā)明中的石墨烯霍爾元件可以直接在絕緣基底上制備，例如通過機(jī)械剝離將石墨烯分散到絕緣基底上，或者采用化學(xué)氣相沉淀將石墨烯生長(zhǎng)在絕緣基底上，也可以通過化學(xué)氣相沉積或金屬偏析法在金屬上生長(zhǎng)石墨烯，然后再將石墨烯轉(zhuǎn)移到絕緣基底上面， 而且霍爾元件的溝道部分可以是懸空的。本發(fā)明霍爾元件的制備方法非常簡(jiǎn)單，包括制備激勵(lì)電極和霍爾電極與石墨烯材料電學(xué)連接，并通過光刻定義并刻蝕石墨烯材料形成有源區(qū)的形狀。具體可以包括下述步驟1)在絕緣基底上制備石墨烯，或者在金屬上生長(zhǎng)石墨烯后再將石墨烯轉(zhuǎn)移到絕緣基底上；2)通過光刻在絕緣基底上定義激勵(lì)電極和霍爾電極的圖形，然后沉積一層金屬， 并通過剝離的方法形成電極的形狀；3)通過光刻在石墨烯上定義有源區(qū)的形狀，然后刻蝕形成石墨烯有源區(qū)。上述步驟1)可以通過機(jī)械剝離將石墨烯分散到絕緣基底上，或者采用化學(xué)氣相沉淀將石墨烯生長(zhǎng)在絕緣基底上，或者采用化學(xué)氣相沉積或者金屬偏析法在金屬上生長(zhǎng)石墨烯，然后將金屬上的石墨烯轉(zhuǎn)移到絕緣基底上。上述步驟2、可以采用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、磁控濺射或者其它鍍膜方式沉積金屬電極。上述步驟幻光刻定義有源區(qū)的形狀后，可以通過氧等離子刻蝕或者其它刻蝕方法形成所需石墨烯的形狀。本發(fā)明基于石墨烯的霍爾元件具有較高的靈敏度、非常優(yōu)異的線性度和溫度穩(wěn)定性，而且在電壓模式和電流模式下都可以較好地工作，工作溫度范圍極大，這些優(yōu)勢(shì)源于石墨烯材料的獨(dú)特性質(zhì)。石墨烯是指由單層或少數(shù)幾層呈正六邊形排布的SP2雜化C原子構(gòu)成的二維材料，其本征載流子遷移率非常高，在室溫下可以達(dá)到200，000cm7V. s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常用的半導(dǎo)體材料，而且其厚度非常薄，單層只有0. 3納米左右，該材料本身對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽非常小，因此會(huì)大大提高霍爾元件的靈敏度。更為重要的是，由于石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)比較特殊，其載流子遷移率對(duì)溫度和載流子濃度并不敏感，這將保證霍爾元件在非常大的溫度范圍都會(huì)具有很好的穩(wěn)定性。另外，從制備方面來看，石墨烯可以用來制備一些基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的集成電路，因此適合于制備霍爾集成電路，而且，石墨烯霍爾器件的制備工藝極為簡(jiǎn)單，大大降低了器件的成本。


圖1 (a)顯示了一個(gè)有源區(qū)形狀為十字形的石墨烯霍爾器件的俯視圖；圖1 (b)顯示了一個(gè)有源區(qū)形狀為矩形的石墨烯霍爾器件的俯視圖；圖2(a)顯示了工作在電流模式下、不同環(huán)境溫度下的石墨烯霍爾元件的霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系，其中電流偏置為100微安，溫度為分別是I、10K、50K、100K、 150Κ、200Κ、250Κ、300Κ 和 350Κ ；圖2(b)顯示了工作在電流模式下，石墨烯霍爾元件的靈敏度隨溫度的變化關(guān)系， 其中電流偏置為100微安；圖2(c)顯示了工作在電壓模式下，石墨烯霍爾元件的霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系，其中按圖中箭頭所指方向各曲線對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電壓分別為0. 5V、1V、2V和4V。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。如圖1所示的石墨烯霍爾元件，作為有源區(qū)的石墨烯材料為十字形(圖1(a))或者矩形(圖1 (b))，有一對(duì)激勵(lì)電極2和3與石墨烯溝道1兩端接觸提供電流源或者電壓源，還有一對(duì)霍爾電極4和5與石墨烯溝道1兩側(cè)接觸用于測(cè)試霍爾電壓。該霍爾元件的具體制備步驟如下1、通過機(jī)械剝離將石墨烯分散到絕緣基底上，或者采用化學(xué)氣相沉淀將石墨烯生長(zhǎng)在絕緣基底上，或者通過化學(xué)氣相沉積或者金屬偏析在金屬上生長(zhǎng)石墨烯，然后再將石墨烯轉(zhuǎn)移到絕緣基底上面；2、通過光刻的方法在絕緣基底上定義電極的圖形，包括一對(duì)激勵(lì)電極和一對(duì)霍爾電極，然后采用電子束蒸發(fā)或者熱蒸發(fā)或者磁控濺射或者其它鍍膜方式沉積一層金屬電極，通過剝離的方法形成金屬電極的形狀；3、通過光刻的方法在石墨烯上定義溝道的形狀，然后通過氧等離子刻蝕或者其它刻蝕方法形成霍爾元件中石墨烯的形狀。本實(shí)施例對(duì)二氧化硅基底上的十字型石墨烯霍爾元件(有源區(qū)溝道長(zhǎng)約8微米， 激勵(lì)電極和輸出電極材料為Ti)進(jìn)行了測(cè)試。在電流模式下，石墨烯霍爾器件顯示出非常優(yōu)異的線性度和溫度穩(wěn)定性，圖2(a) 顯示了工作在電流模式下、不同環(huán)境溫度下的石墨烯霍爾器件的霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系，其中激勵(lì)電流為100微安，測(cè)量溫度點(diǎn)為2K、10K、50K、100K、150K、200K、250K、300K 和350Κ，2Κ至300Κ下的曲線幾乎完全重合，350Κ下的曲線和其它曲線略有偏差。圖2 (b) 給出了電流工作模式下，該霍爾器件的靈敏度隨著溫度的變化關(guān)系，可以看出靈敏度隨溫度變化很小。在電壓模式下，石墨烯霍爾器件同樣實(shí)現(xiàn)出很好的線性度，如圖2(c)所示。圖中， 沿箭頭方向不同曲線對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電壓分別是0. 5V，1V，2V和4V。上述實(shí)施例是通過具體的溝道形狀和基底，以及制備順序來闡述的本發(fā)明的霍爾元件，但是本發(fā)明并不受限于石墨烯形狀、基底和制備順序，任何采用石墨烯材料來制作的霍爾元件都屬于本發(fā)明的范疇。
權(quán)利要求
1.一種霍爾元件，包括一對(duì)激勵(lì)電極、一對(duì)霍爾電極和有源區(qū)，其特征在于，所述有源區(qū)的材料是石墨烯，一對(duì)激勵(lì)電極分別與有源區(qū)溝道兩端接觸，一對(duì)霍爾電極分別與有源區(qū)溝道兩側(cè)接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于，所述有源區(qū)的形狀為十字形或矩形。
3.如權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于，所述石墨烯是單層的或者多層的。
4.如權(quán)利要求1所述的霍爾元件，其特征在于，所述有源區(qū)位于絕緣基底上或者是懸空的。
5.如權(quán)利要求4所述的霍爾元件，其特征在于，所述絕緣基底是覆蓋有SiO2的硅片，或者是SiC、石英、云母、玻璃或氮化硼材料的基片。
6.權(quán)利要求1所述霍爾元件的制備方法，制作一對(duì)激勵(lì)電極和一對(duì)霍爾電極與石墨烯材料電學(xué)連接，并通過光刻定義并刻蝕石墨烯材料形成有源區(qū)的形狀。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)在絕緣基底上制備石墨烯，或者在金屬上生長(zhǎng)石墨烯后再將石墨烯轉(zhuǎn)移到絕緣基底上；2)通過光刻在絕緣基底上定義激勵(lì)電極和霍爾電極的圖形，然后沉積一層金屬，并通過剝離的方法形成電極的形狀；3)通過光刻在石墨烯上定義有源區(qū)的形狀，然后刻蝕形成石墨烯有源區(qū)。
8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟1)通過機(jī)械剝離將石墨烯分散到絕緣基底上，或者采用化學(xué)氣相沉淀將石墨烯生長(zhǎng)在絕緣基底上。
9.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟1)在金屬上生長(zhǎng)石墨烯的方法是化學(xué)氣相沉積或者金屬偏析法。
10.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟幻采用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或者磁控濺射方法沉積金屬。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種霍爾元件及其制備方法，該霍爾元件的有源區(qū)采用石墨烯材料，一對(duì)激勵(lì)電極與石墨烯溝道兩端接觸提供電流源或者電壓源，一對(duì)霍爾電極與石墨烯溝道兩側(cè)接觸用于測(cè)試霍爾電壓。本發(fā)明中的霍爾元件具有高的靈敏度、非常優(yōu)異的線性度和溫度穩(wěn)定性，在電壓模式和電流模式下都可以較好的工作，而且制備工藝簡(jiǎn)單，適合于制備霍爾集成電路。
文檔編號(hào)H01L43/14GK102185099SQ20111010542
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者劉洪剛, 張志勇, 彭練矛, 徐慧龍, 王勝 申請(qǐng)人:北京大學(xué)