本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法。

背景技術(shù)：

目前，基于硅材料的光子學(xué)已成為集成光學(xué)中的重要研究領(lǐng)域之一?；诠璨牧系墓庾悠骷绻馔ㄐ艧o源器件、調(diào)節(jié)器、探測(cè)器、光放大器及廣元等發(fā)展已較為成熟。由于硅材料具有低電光系數(shù)、低光發(fā)射效率、非寬頻帶光學(xué)材料和高傳播損耗等固有缺陷，且隨著集成電路領(lǐng)域器件尺寸的不斷減小，硅材料逐漸接近其加工極限。因此光通信和微納光學(xué)器件領(lǐng)域發(fā)展迫切需要一種能夠同時(shí)具有硅材料特性和寬頻帶光子特性的混合材料，為此半導(dǎo)體業(yè)界紛紛提出超越硅技術(shù)(Beyond Silicon)，其中具有較大開發(fā)潛力的石墨烯受到廣泛關(guān)注。

石墨烯(Graphene)是一種單層蜂窩晶體點(diǎn)陣上的碳原子組成的二位晶體。實(shí)驗(yàn)證明，石墨烯不僅具有非常出色的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，還具有出色的電學(xué)性能，例如亞微米級(jí)的彈道輸運(yùn)特性，高載流子遷移率，可調(diào)諧帶隙，室溫下的量子霍爾效應(yīng)等等，并且，石墨烯由于本身特殊性能可以在其材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)多功能信號(hào)的發(fā)射、傳送、調(diào)制、探測(cè)等功能。

石墨烯優(yōu)越的電學(xué)性能使發(fā)展石墨烯基的晶體管和集成電路成可能，并有可能取代硅稱為新一代的主流半導(dǎo)體材料，石墨烯與硅波導(dǎo)(silicon waveguide)集成技術(shù)能夠應(yīng)用于新型光電和非線性光學(xué)器件，半導(dǎo)體業(yè)界對(duì)此顯示了極大興趣。石墨烯與硅波導(dǎo)集成的器件，也可稱為硅上的石墨烯(GSi，Graphene on Silicon)器件，硅上的石墨烯器件具有硅上的石墨烯波導(dǎo)(GSi waveguide)。如何形成所述硅上的石墨烯器件，是半導(dǎo)體領(lǐng)域目前的研究重點(diǎn)之一。

然而，現(xiàn)有技術(shù)形成的硅上的石墨烯器件的性能仍有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法，改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面形成半導(dǎo)體膜；在所述半導(dǎo)體膜頂部表面形成石墨烯膜；在所述石墨烯膜頂部表面形成黑磷膜；在所述黑磷膜頂部表面形成圖形化的掩膜層；以所述圖形化的掩膜層為掩膜，圖形化所述黑磷膜、石墨烯膜以及半導(dǎo)體膜，在所述基底表面形成若干分立的半導(dǎo)體層、位于半導(dǎo)體層頂部表面的石墨烯層以及位于石墨烯層頂部表面的黑磷層。

可選的，形成所述石墨烯膜的方法包括：在所述半導(dǎo)體膜表面形成含碳材料膜；對(duì)所述含碳材料膜以及半導(dǎo)體膜進(jìn)行第一退火處理，在所述半導(dǎo)體膜頂部表面形成石墨烯膜；在所述第一退火處理之后，去除所述含碳材料膜。

可選的，所述含碳材料膜的材料為聚甲基丙乙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛或聚四氟乙烯。

可選的，所述第一退火處理為激光退火、毫秒退火或快速熱退火。

可選的，所述激光退火的退火溫度為1400攝氏度至1500攝氏度。

可選的，所述第一退火處理包括依次進(jìn)行的升溫過程、保溫過程以及降溫過程。

可選的，在所述升溫過程以及保溫過程中，碳原子從所述含碳材料膜中分解出；在所述保溫過程中，所述半導(dǎo)體膜頂部表面處于熔融狀態(tài)，所述處于熔融狀態(tài)的半導(dǎo)體膜頂部表面吸收所述分解出的碳原子；在所述降溫過程中，所述碳原子從半導(dǎo)體膜頂部表面析出，析出的碳原子在半導(dǎo)體膜頂部表面凝聚成核，在所述半導(dǎo)體膜頂部表面形成石墨烯膜。

可選的，所述石墨烯層的厚度為1埃至100埃；所述黑磷層的厚度為1埃至100埃。

可選的，形成所述黑磷膜的工藝步驟包括：在所述石墨烯膜頂部表面沉積紅磷膜；對(duì)所述紅磷膜進(jìn)行第二退火處理，將所述紅磷膜轉(zhuǎn)化為黑磷膜。

可選的，采用化學(xué)氣相沉積工藝形成所述紅磷膜。

可選的，所述第二退火包括依次進(jìn)行的激光退火過程以及降溫過程。

可選的，所述第二退火包括若干次循環(huán)依次進(jìn)行的激光退火過程以及降溫過程。

可選的，所述激光退火過程的退火溫度為800攝氏度至1500攝氏度，所述降溫過程的降溫速率為50攝氏度每小時(shí)至200攝氏度每小時(shí)。

可選的，在形成所述圖形化的掩膜層之前，還包括步驟：對(duì)所述黑磷膜進(jìn)行刻蝕處理，調(diào)整所述黑磷膜的原子層層數(shù)。

可選的，所述刻蝕處理的工藝參數(shù)為：腔室壓強(qiáng)為5毫托至200毫托，O₂流量為5sccm至200sccm，Ar流量為50sccm至500sccm，源功率為50瓦至500瓦，偏置功率為0瓦至200瓦。

可選的，采用干法刻蝕工藝圖形化所述黑磷膜、石墨烯膜以及半導(dǎo)體膜，刻蝕腔室壓強(qiáng)為5毫托至200毫托，O₂流量為5sccm至200sccm，CF₄流量為50sccm至200sccm，SF₆流量為0sccm至200sccm，NF₃流量為0sccm至200sccm，HBr流量為0sccm至200sccm，源功率為50瓦至500瓦，偏置功率為0瓦至200瓦。

本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：基底；位于所述基底表面的若干分立的半導(dǎo)體層；位于所述半導(dǎo)體層頂部表面的石墨烯層；位于所述石墨烯層頂部表面的黑磷層。

可選的，所述半導(dǎo)體層的厚度為100埃至50納米；所述石墨烯層的厚度為1埃至100埃；所述黑磷層的厚度為1埃至100埃。

可選的，所述基底包括襯底以及位于襯底表面的絕緣層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的技術(shù)方案中，提供基底；在所述基底表面形成半導(dǎo)體膜；在所述半導(dǎo)體膜頂部表面形成石墨烯膜；在所述石墨烯膜頂部表面形成黑磷膜；在所述黑磷膜頂部表面形成圖形化的掩膜層；以所述圖形化的掩膜層為掩膜，圖形化所述黑磷膜、石墨烯膜以及半導(dǎo)體膜， 在所述基底表面形成若干分立的半導(dǎo)體層、位于半導(dǎo)體層頂部表面的石墨烯層以及位于石墨烯層頂部表面的黑磷層。本發(fā)明將石墨烯與黑磷結(jié)合，形成一種新的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮石墨烯材料的優(yōu)勢(shì)，又能利用黑磷材料具有帶隙的特性，使得形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)越。

進(jìn)一步，本發(fā)明的第一退火處理為激光退火，且激光退火的退火溫度為1400攝氏度至1500攝氏度，使得在保溫過程中，碳原子在半導(dǎo)體膜頂部表面具有較高的溶解度，因此在降溫過程中，從半導(dǎo)體膜頂部表面析出的碳原子含量也較多，有利于形成高質(zhì)量的石墨烯膜。

更進(jìn)一步，本發(fā)明還對(duì)形成的黑磷膜進(jìn)行刻蝕處理，從而調(diào)整黑磷膜的原子層層數(shù)，進(jìn)而使得刻蝕處理后的黑磷膜的帶隙滿足要求。

本發(fā)明還提供一種結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)充分利用石墨烯材料以及黑磷材料的優(yōu)勢(shì)，從而改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。

附圖說明

圖1至圖2為包含有硅上的石墨烯波導(dǎo)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3至圖10為本發(fā)明一實(shí)施例提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

由背景技術(shù)可知，現(xiàn)有技術(shù)形成的包含有硅上的石墨烯波導(dǎo)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能有待提高。

參考圖1及圖2，其中，圖1為包含有硅上的石墨烯波導(dǎo)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1沿切割線AA1切割的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，包括：襯底100、位于襯底100表面的絕緣層101、位于絕緣層101表面的若干分立的硅層102、位于硅層102頂部表面的石墨烯層103。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯層103的材料為石墨烯，盡管石墨烯材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是石墨烯材料接近于零帶隙(band gap)的材料，意味著石墨烯層103始終保持著一定的導(dǎo)電性，難以完成導(dǎo)體和絕緣體之間的轉(zhuǎn)換，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的邏輯開與關(guān)，因此半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)面臨著始終處于開啟狀態(tài)、以及漏電 的問題，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工作效率低。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，黑磷(BP，black phosphorus)也是一種二維(單原子厚)晶體，它具有寬可調(diào)帶隙，根據(jù)黑磷的原子層層數(shù)的變化能夠獲得具有不同帶隙的黑磷材料，因此黑磷可以用來檢測(cè)整個(gè)可見光到紅外光區(qū)域的光譜。

為此，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：提供基底；在所述基底表面形成半導(dǎo)體膜；在所述半導(dǎo)體膜頂部表面形成石墨烯膜；在所述石墨烯膜頂部表面形成黑磷膜；在所述黑磷膜頂部表面形成圖形化的掩膜層；以所述圖形化的掩膜層為掩膜，圖形化所述黑磷膜、石墨烯膜以及半導(dǎo)體膜，在所述基底表面形成若干分立的半導(dǎo)體層、位于半導(dǎo)體層頂部表面的石墨烯層以及位于石墨烯層頂部表面的黑磷層。本發(fā)明將石墨烯與黑磷結(jié)合，形成一種新的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮石墨烯材料的優(yōu)勢(shì)，又能利用黑磷材料具有帶隙的特性，使得形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)越。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)的說明。

圖3至圖10為本發(fā)明一實(shí)施例提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

參考圖3，提供基底；在所述基底表面形成半導(dǎo)體膜203。

本實(shí)施例中，所述基底包括襯底201以及位于襯底201表面的絕緣層202。

所述襯底201的材料為硅、鍺、鍺化硅、碳化硅、砷化鎵或者鎵化銦；所述襯底201還可以為絕緣體上的硅襯底或者絕緣體上的鍺化硅襯底。所述襯底201內(nèi)還可以形成有半導(dǎo)體器件，例如，PMOS晶體管、NMOS晶體管、CMOS晶體管、電阻器、電容器或電感器。

本實(shí)施例中，所述襯底201為硅襯底。

所述絕緣層202的材料為氧化硅、氮化硅、摻碳氮化硅或者氮氧化硅。采用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或者原子層沉積工藝形成所述絕緣層202。所述絕緣層202的作用在于：在襯底201與后續(xù)形成的半導(dǎo)體層之間形成有 絕緣層202，絕緣層202材料的折射率遠(yuǎn)小于襯底201材料的折射率，因此絕緣層202可以將后續(xù)形成的半導(dǎo)體層中傳輸?shù)墓獠ㄅc襯底201完全隔離開，從而消除襯底201吸收光波的不良影響，可以認(rèn)為絕緣層202取代了襯底201的光學(xué)作用，使得襯底201的摻雜與否不受后續(xù)形成的波導(dǎo)的限制，因此能夠?qū)σr底201進(jìn)行摻雜處理以改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

本實(shí)施例中，所述絕緣層202的材料為氧化硅。

所述半導(dǎo)體膜203為后續(xù)形成半導(dǎo)體層提供工藝基礎(chǔ)，后續(xù)對(duì)半導(dǎo)體膜203進(jìn)行圖形化，在絕緣層202表面形成若干分立的半導(dǎo)體層。所述半導(dǎo)體膜203的材料為硅、鍺或鍺化硅；采用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積工藝形成所述半導(dǎo)體膜203。

本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體膜203的材料為硅，采用化學(xué)氣相沉積工藝形成所述半導(dǎo)體膜203，所述半導(dǎo)體膜203的厚度為100埃至50納米。

在其他實(shí)施例中，半導(dǎo)體膜的材料還能夠?yàn)殒N、鍺化硅或碳化硅。

參考圖4，在所述半導(dǎo)體膜203表面形成含碳材料膜204。

所述含碳材料膜204為后續(xù)形成石墨烯膜提供碳原子。

本實(shí)施例中，所述含碳材料膜204的材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethyl Methacrylate)，采用旋轉(zhuǎn)涂覆工藝形成所述含碳材料膜204。

在其他實(shí)施例中，所述含碳材料膜的材料也可以為聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛或聚四氟乙烯。在其他實(shí)施例中，還可以采用化學(xué)氣相沉積工藝形成所述含碳材料膜。

參考圖5，對(duì)所述含碳材料膜204(參考圖4)以及半導(dǎo)體膜203進(jìn)行第一退火處理，在所述半導(dǎo)體膜203頂部表面形成石墨烯膜205。

所述第一退火處理包括依次進(jìn)行的升溫過程、保溫過程以及降溫過程。

首先，對(duì)含碳材料膜204以及半導(dǎo)體膜203進(jìn)行升溫過程，在升溫過程中，碳原子從所述含碳材料膜204中分解出。

在溫度升高至退火溫度之后，接著對(duì)含碳材料膜204以及半導(dǎo)體膜203進(jìn)行保溫過程，在保溫過程中，碳原子仍將從所述含碳材料膜204中分解出， 并且在保溫過程中，半導(dǎo)體膜203頂部表面將處于熔融狀態(tài)，所述處于熔融狀態(tài)的半導(dǎo)體膜203頂部表面吸收所述分解出的碳原子，碳原子在半導(dǎo)體膜203頂部表面具有第一溶解度。

當(dāng)半導(dǎo)體膜203頂部表面吸收一定含量的碳原子之后，對(duì)含碳材料膜204以及半導(dǎo)體膜203進(jìn)行降溫過程中，碳原子在半導(dǎo)體膜203頂部表面具有第二溶解度，所述第二溶解度遠(yuǎn)小于第一溶解度，因此碳原子從半導(dǎo)體膜203頂部表面析出，所述析出的碳原子在半導(dǎo)體膜203頂部表面凝聚成核，從而在半導(dǎo)體膜203頂部表面形成石墨烯膜205。

半導(dǎo)體膜203頂部表面吸收的碳原子數(shù)量在一定程度上決定了形成的石墨烯膜205的層數(shù)，因此當(dāng)所需要形成的石墨烯膜205的層數(shù)越多時(shí)，退火處理的保溫時(shí)間越長(zhǎng)，使得半導(dǎo)體膜203頂部表面吸收的碳原子數(shù)量越多。

所述第一退火處理為激光退火、毫秒退火或快速熱退火。

本實(shí)施例中，所述第一退火處理為激光退火，激光退火的退火溫度為1400攝氏度至1500攝氏度。在一個(gè)具體實(shí)施例中，碳原子和硅原子的低共熔點(diǎn)(eutectic point)為1404攝氏度，在1404攝氏度下，碳原子在硅中的溶解度為0.75％(原子百分比)。在其他實(shí)施例中，第一退火處理還能夠?yàn)楹撩胪嘶?，毫秒退火的退火溫度?500攝氏度至1600攝氏度。

本實(shí)施例中，所述石墨烯膜205的厚度為1埃至100埃。

在形成所述石墨烯膜205之后，去除所述含碳材料膜204。本實(shí)施例中，采用濕法刻蝕工藝去除所述含碳材料膜204，所述濕法刻蝕工藝的刻蝕液體為丙酮溶液，將進(jìn)行第一退火處理之后的含碳材料膜204置于丙酮溶液中浸泡0.5小時(shí)至6小時(shí)，去除含碳材料膜204之后向石墨烯膜205表面噴灑去離子水進(jìn)行清洗。在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述丙酮溶液中丙酮的質(zhì)量濃度為10％至20％，浸泡時(shí)間為0.5小時(shí)至1小時(shí)，所述丙酮溶液的濃度較小且浸泡時(shí)間較短，能夠避免對(duì)石墨烯膜205造成腐蝕。

參考圖6，在所述石墨烯膜205頂部表面沉積紅磷膜206。

所述紅磷膜206的材料為紅磷(red phosphorus)，為后續(xù)形成黑磷膜提供工藝基礎(chǔ)，后續(xù)對(duì)所述紅磷膜206進(jìn)行退火處理將所述紅磷膜206轉(zhuǎn)化為黑 磷膜。

采用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或原子層沉積工藝形成所述紅磷膜206。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，采用化學(xué)氣相沉積工藝形成所述紅磷膜206。

采用上述化學(xué)氣相沉積工藝形成的紅磷膜206質(zhì)量較高且具有良好的厚度均勻性，為后續(xù)形成高質(zhì)量的黑磷膜提供良好的工藝基礎(chǔ)。

若所述紅磷膜206的厚度過薄，則在石墨烯膜205頂部表面沉積的紅磷膜206的質(zhì)量較差且厚度均勻性較差，后續(xù)在紅磷膜206基礎(chǔ)上形成的黑磷膜的質(zhì)量以及厚度均勻性也將相對(duì)較差；若所述紅磷膜206的厚度過厚，則后續(xù)將紅磷膜206轉(zhuǎn)化為黑磷膜的工藝難度大，且容易造成石墨烯膜205頂部表面附近區(qū)域的紅磷膜206難以轉(zhuǎn)化為黑磷膜。

綜合上述因素考慮，本實(shí)施例中，所述紅磷膜206的厚度為50埃至500埃。

參考圖7，對(duì)所述紅磷膜206(參考圖6)進(jìn)行第二退火處理，將所述紅磷膜206轉(zhuǎn)化為黑磷膜207。

所述第二退火包括依次進(jìn)行的激光退火過程以及降溫過程，使紅磷膜206材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使紅磷膜206材料轉(zhuǎn)化為黑磷，形成所述黑磷膜207。

為了提高形成的黑磷膜207質(zhì)量，本實(shí)施例中，所述第二退火包括若干次循環(huán)依次進(jìn)行的激光退火過程以及降溫過程，,所述若干次指的是大于1的任一自然數(shù)次，直至紅磷膜206完全轉(zhuǎn)化為黑磷膜207。所述若干次為2-40次，例如為5次、8次、12次或20次等。

第二退火處理中的激光退火的退火溫度不宜過高，否則容易對(duì)已形成的石墨烯膜205造成不良影響；所述第二退火處理中的激光退火的退火溫度也不宜過低，退火溫度過低時(shí)紅磷膜206轉(zhuǎn)化為黑磷膜207的能力弱。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述激光退火過程的退火溫度為800攝氏度至1500攝氏度，所述降溫過程的降溫速率為50攝氏度每小時(shí)至200攝氏度每小時(shí)。

參考圖8，對(duì)所述黑磷膜207進(jìn)行刻蝕處理，調(diào)整所述黑磷膜207的原子 層層數(shù)。

所述黑磷膜207材料的帶隙與原子層層數(shù)有關(guān)。由于前述形成的紅磷膜206(參考圖6)的厚度較厚，相應(yīng)使得形成的黑磷膜207的厚度也較厚，因此黑磷膜207的原子層層數(shù)較多。

為此，對(duì)黑磷膜207進(jìn)行刻蝕處理，減少所述黑磷膜207的原子層層數(shù)，從而使得黑磷膜207材料的帶隙滿足要求。

本實(shí)施例中，所述刻蝕處的工藝為：腔室壓強(qiáng)為5毫托至200毫托，O₂流量為5sccm至200sccm，Ar流量為50sccm至500sccm，源功率為50瓦至500瓦，偏置功率為0瓦至200瓦。

在刻蝕處理之后，所述黑磷膜207的厚度為1埃至100埃。

參考圖9，在所述黑磷膜207表面形成圖形化的掩膜層208。

所述圖形化的掩膜層208定義出后續(xù)形成的半導(dǎo)體層的位置和尺寸。

所述圖形化的掩膜層208的材料與半導(dǎo)體膜203的材料不同；并且，所述圖形化的掩膜層208的材料與絕緣層202的材料不同，從而使得同一刻蝕工藝對(duì)圖形化的掩膜層208和絕緣層202具有較高的刻蝕選擇比。這是由于：

后續(xù)在形成半導(dǎo)體層之后會(huì)刻蝕去除圖形化的掩膜層，而由于相鄰半導(dǎo)體層之間的絕緣層202表面被暴露出來，因此所述絕緣層202表面被暴露在刻蝕去除圖形化的掩膜層的刻蝕環(huán)境中，為了使得所述刻蝕工藝對(duì)絕緣層202的刻蝕速率很小，要求刻蝕工藝對(duì)圖形化的掩膜層208和絕緣層202具有較高的刻蝕選擇比，因此所述圖形化的掩膜層208的材料與絕緣層202的材料不同。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述圖形化的掩膜層208的材料為光刻膠，通過涂覆光刻膠膜、曝光工藝以及顯影工藝形成所述圖形化的掩膜層208。

在另一實(shí)施例中，所述圖形化的掩膜層208的材料為氮化鈦、氮化鉭、氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。

參考圖10，以所述圖形化的掩膜層208(參考圖9)為掩膜，圖形化所述黑磷膜207(參考圖9)、石墨烯膜205(參考圖9)以及半導(dǎo)體膜203(參考 圖9)，在所述基底表面形成若干分立的半導(dǎo)體層213、位于半導(dǎo)體層213頂部表面的石墨烯層215、以及位于石墨烯層215頂部表面的黑磷層217。

本實(shí)施例中，采用干法刻蝕工藝，刻蝕所述黑磷膜207、石墨烯膜205以及半導(dǎo)體膜203，直至暴露出絕緣層202表面，在所述絕緣層202表面形成若干分立的半導(dǎo)體層213。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，所述干法刻蝕工藝的工藝參數(shù)為：刻蝕腔室壓強(qiáng)為5毫托至200毫托，O₂流量為5sccm至200sccm，CF₄流量為50sccm至200sccm，SF₆流量為0sccm至200sccm，NF₃流量為0sccm至200sccm，HBr流量為0sccm至200sccm，源功率為50瓦至500瓦，偏置功率為0瓦至200瓦。

所述半導(dǎo)體層213為波導(dǎo)(waveguide)，由于半導(dǎo)體層213內(nèi)與絕緣層202內(nèi)的自由載流子濃度不同，半導(dǎo)體層213與絕緣層202的材料折射率也不同，因此在平行于絕緣層202頂部表面?zhèn)鞑サ墓獠ū患s束在半導(dǎo)體層213中，由此形成波導(dǎo)。

本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體層213的材料為硅，相應(yīng)形成的波導(dǎo)為硅波導(dǎo)(silicon waveguide)，所述半導(dǎo)體層213的厚度為100埃至50納米。

所述石墨烯層215的材料為石墨烯，所述黑磷層217的材料為黑磷。

本實(shí)施例形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于光器件中，例如，應(yīng)用于能打開和關(guān)閉光的光調(diào)制器。當(dāng)向石墨烯層215施加不同電壓，石墨烯層215中電子的能量會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)向石墨烯層215施加充足的負(fù)電壓時(shí)，電子被吸出而使得石墨烯層215不能在吸收光子，因此當(dāng)光子通過石墨烯層215時(shí)，石墨烯層215為完全透明的，此時(shí)光被“打開”。當(dāng)向石墨烯層215施加一定的正電壓時(shí)，石墨烯層215也是透明的，但電子緊密的包裹在一起，使石墨烯層215無法吸收光子，從而有效的“關(guān)閉”光線。

并且，由于石墨烯層215頂部表面形成有黑磷層217，所述黑磷層217的材料為帶隙材料，且通過改變黑磷層217的原子層層數(shù)，能夠獲得具備不同帶隙的黑磷層217，使黑磷層217能夠吸收可見光范圍以及紅外光線范圍的波長(zhǎng)。

同時(shí)，由于本實(shí)施例中，采用干法刻蝕工藝刻蝕黑磷膜207、石墨烯膜205以及半導(dǎo)體膜203，相應(yīng)形成黑磷層217、石墨烯層215以及半導(dǎo)體層213，使得形成的黑磷層217、石墨烯層215以及半導(dǎo)體層213側(cè)壁齊平，所述石墨烯層215均勻的覆蓋于半導(dǎo)體層213頂部表面，避免在半導(dǎo)體層213側(cè)壁表面形成石墨烯；所述黑磷層217均勻的覆蓋于石墨烯層215頂部表面，避免在半導(dǎo)體層213以及石墨烯層215側(cè)壁表面形成黑磷。因此，本實(shí)施例形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能良好，有效的避免了額外的光吸收損失和光散射損失。

若石墨烯層未覆蓋半導(dǎo)體層整個(gè)頂部表面，或者位于半導(dǎo)體層頂部表面的石墨烯層厚度均勻性差，或者半導(dǎo)體層側(cè)壁表面形成有石墨烯，或者石墨烯層的質(zhì)量差，或者石墨烯層側(cè)壁形成有黑磷，均將導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的光吸收和散射的損傷，進(jìn)而影響形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。

在形成所述半導(dǎo)體層213、石墨烯層215以及黑磷層217之后，去除所述圖形化的掩膜層208。

相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，參考圖10，包括：

基底；

位于所述基底表面的若干分立的半導(dǎo)體層213；

位于所述半導(dǎo)體層213頂部表面的石墨烯層215；

位于所述石墨烯層215頂部表面的黑磷層217。

以下將對(duì)提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。

所述基底包括襯底201以及位于襯底201表面的絕緣層202。所述襯底201的材料為硅、鍺、鍺化硅、碳化硅、砷化鎵或鎵化銦；所述襯底201還可以為絕緣體上的硅襯底或絕緣體上的鍺化硅襯底。本實(shí)施例中，所述襯底201為硅襯底。

所述絕緣層202的材料為氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。所述絕緣層202材料的折射率小于襯底201材料的折射率，因此絕緣層202能夠?qū)雽?dǎo)體層213中傳輸?shù)墓獠ㄅc襯底201完全隔離開口，從而消除襯底201吸收光波的不良影響。本實(shí)施例中，所述絕緣層202的材料為氧化硅。

蘇搜半導(dǎo)體層213為波導(dǎo)，半導(dǎo)體層213內(nèi)與絕緣層202內(nèi)的自由載流子濃度不同，半導(dǎo)體層213與絕緣層202的材料折射率也不同，因此在平行于絕緣層202頂部表面?zhèn)鞑サ墓獠ū皇`在半導(dǎo)體層213中，由此形成波導(dǎo)。

本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體層213的材料為硅，半導(dǎo)體層213為硅波導(dǎo)，所述半導(dǎo)體層213的厚度為100埃至50納米。

所述石墨烯層215的材料為石墨烯，石墨烯層215的厚度為1埃至100埃；所述黑磷層217的材料為黑磷，黑磷層217的厚度為1埃至100埃。

本實(shí)施例提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于光器件中，例如，應(yīng)用于能打開和關(guān)閉光的光調(diào)制器。當(dāng)向石墨烯層215施加不同電壓，石墨烯層215中電子的能量會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)向石墨烯層215施加充足的負(fù)電壓時(shí)，電子被吸出而使得石墨烯層215不能在吸收光子，因此當(dāng)光子通過石墨烯層215時(shí)，石墨烯層215為完全透明的，此時(shí)光被“打開”。當(dāng)向石墨烯層215施加一定的正電壓時(shí)，石墨烯層215也是透明的，但電子緊密的包裹在一起，使石墨烯層215無法吸收光子，從而有效的“關(guān)閉”光線。

并且，由于石墨烯層215頂部表面形成有黑磷層217，所述黑磷層217的材料為帶隙材料，且通過改變黑磷層217的原子層層數(shù)，能夠獲得具備不同帶隙的黑磷層217，使黑磷層217能夠吸收可見光范圍以及紅外光線范圍的波長(zhǎng)。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動(dòng)與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。