石墨烯層及其形成方法以及器件及制造該器件的方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及石墨烯層、形成該石墨烯層的方法、包括該石墨烯層的器件以及制造該器件的方法。
【背景技術】
[0002]石墨烯在化學上和結構上是穩(wěn)定的，并且表現(xiàn)出優(yōu)良的電和物理特性。例如，石墨烯具有高達大約2X105cm2/Vs的電荷迀移率，其比硅(Si)的電荷迀移率快一百倍以上，并且石墨烯具有大約10sA/cm2的電流密度，其比銅(Cu)的電流密度大一百倍以上。此外，石墨烯可具有非常高的費米速度Vf。因而，石墨烯作為克服一般器件的當前限制的下一代材料而受到關注。
[0003]因為石墨烯的各種優(yōu)點，已經(jīng)進行了關于石墨烯應用于各種電子器件的許多研究。在這方面，必須向石墨烯提供半導體性質(zhì)。然而，在使用現(xiàn)有的方法時，可能難以在石墨烯中形成具有優(yōu)良性能的P-N結。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]—個或多個示例性實施方式提供具有優(yōu)良的物理性質(zhì)和特性的石墨烯層，以及形成該石墨烯層的方法。
[0005]—個或多個示例性實施方式還提供了具有優(yōu)良的P-N結特性的石墨烯層，以及形成該石墨烯層的方法。
[0006]—個或多個示例性實施方式還提供了其中在P-N結界面中存在的耗盡區(qū)的寬度相對小的石墨烯層，以及形成該石墨烯層的方法。
[0007]—個或多個示例性實施方式還提供了圖案化的石墨烯層以及形成這樣的石墨烯層的方法。
[0008]—個或多個示例性實施方式還提供了具有無缺陷的邊緣部分的石墨烯層，以及形成該石墨烯層的方法。
[0009]—個或多個示例性實施方式還提供了包括該石墨烯層的器件(例如，含石墨烯的器件)。
[0010]一個或多個示例性實施方式還提供了制造包括這樣的石墨烯層的器件的方法。
[0011]根據(jù)示例性實施方式的一方面，提供一種形成石墨烯層的方法，該方法包括:在第一溫度使用第一源氣體在底層的第一區(qū)域上形成第一石墨烯；以及在第二溫度使用第二源氣體在底層的鄰近第一區(qū)域的第二區(qū)域上形成第二石墨烯，其中第一石墨烯和第二石墨烯的其中之一是P型石墨烯，第一石墨烯和第二石墨烯的另一個是N型石墨烯，并且第一石墨烯和第二石墨烯形成P-N結。
[0012]第一源氣體和第二源氣體可以彼此相同，并且第一溫度和第二溫度可以彼此不同。
[0013]第一源氣體和第二源氣體可以每個均包括含氮(N)的碳氫化合物。
[0014]含氮(N)的碳氫化合物可以包括吡啶(C5H5N)。
[0015]第一溫度可以高于或等于700°C并且第二溫度可以低于或等于550°C。
[0016]第一石墨烯可以是P型石墨烯并且第二石墨烯可以是N型石墨烯。
[0017]第一石墨烯可以是通過被底層摻雜而產(chǎn)生的P型石墨烯，第二石墨烯可以是由來自第二源氣體的N型摻雜劑產(chǎn)生的N型石墨烯。
[0018]底層可以包括催化金屬。
[0019]催化金屬可以包括鉑(Pt)。
[0020]催化金屬還可以包括鎳(Ni)、銅(Cu)或銥(Ir)。
[0021 ] 第一源氣體和第二源氣體可以彼此不同。
[0022]第一源氣體和第二源氣體中的其中之一可以包括第一碳氫化合物，并且第一源氣體和第二源氣體中的另一個可以包括第二碳氫化合物，第一碳氫化合物可以不包含氮(N)，第二碳氫化合物可以包含氮(N)。
[0023]P型石墨烯可以使用第一碳氫化合物形成，N型石墨烯可以使用第二碳氫化合物形成。
[0024]第一碳氫化合物可以包括從苯(C6H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)和三乙基硼烷(C6H15B)中選出的至少一種。
[0025]第一碳氫化合物可以包括硼(B)。
[0026]第二碳氫化合物可以包括吡啶(C5H5N)。
[0027]該方法還可以包括形成結合到第一石墨烯或第二石墨烯的第三石墨烯，其中第三石墨烯是P型石墨烯或N型石墨烯。
[0028]石墨烯層可以具有PNP結構或NPN結構。
[0029]第三石墨烯可以在低于大約550 °C的溫度或者低于大約500 °C的溫度形成。
[0030]形成底層可以包括:在基板上形成底材料層；以及通過圖案化底材料層形成彼此分離的多個底層。
[0031]根據(jù)另一示例性實施方式的一方面，提供一種制造含石墨烯的器件的方法，該方法包括:通過使用以上描述的方法形成包括P-N結的石墨烯層；以及形成含石墨烯的器件的至少一部分，其中所述部分包括石墨烯層。
[0032]石墨烯層可以形成在第一基板上，并且在石墨烯層從第一基板轉移到第二基板之后，可以在第二基板上形成含石墨烯的器件的所述部分。
[0033]石墨烯層可以形成在第一基板上，并且含石墨烯的器件的所述部分可以形成在第一基板上。
[0034]根據(jù)另一示例性實施方式的一方面，一種石墨烯層包括:P型石墨烯；以及結合到P型石墨烯的側部的N型石墨烯，其中形成在P型石墨烯和N型石墨烯之間的界面處的耗盡區(qū)具有小于或等于5nm的寬度。
[0035]耗盡區(qū)的寬度可以小于或等于2nm。
[0036]石墨烯層的整個邊緣部分可以具有沒有缺陷的Z字形結構。
[0037]在P型石墨烯或N型石墨烯中，按區(qū)域計的摻雜濃度的偏差可以小于大約2.5X1012/cm2o
[0038]根據(jù)另一示例性實施方式的一方面，一種含石墨烯的器件包括以上描述的石墨烯層。
[0039]含石墨烯的器件可以是二極管，并且還可以包括連接到P型石墨烯的第一電極以及連接到N型石墨稀的第二電極。
[0040]含石墨烯的器件可以是晶體管，并且石墨烯層可以被用作溝道層。
[0041]石墨烯層可以具有PNP結結構或NPN結結構。
[0042]含石墨烯的器件可以包括從由隧穿器件、雙極結型晶體管(BJT)、勢皇晶體管(barristor)、場效應晶體管(FET)、存儲器件、太陽能電池、光電探測器、傳感器和發(fā)光器件組成的組選出的任意一種。
[0043]根據(jù)另一示例性實施方式的一方面，一種石墨烯器件包括:設置在第一區(qū)域中的N型石墨烯；以及設置在鄰近第一區(qū)域的第二區(qū)域中的P型石墨烯，其中N型石墨烯具有由碳(C)原子形成的晶體結構，其中一些碳(C)原子被第一原子取代，P型石墨烯具有僅由碳(C)原子形成的晶體結構或其中晶體結構中的一些碳(C)原子被不同于第一原子的第二原子取代的結構。
[0044]第一原子可以包括例如氮(N)原子。
[0045]第二原子可以包括例如硼⑶原子。
[0046]形成在P型石墨烯和N型石墨烯之間的界面處的耗盡區(qū)可以具有小于或等于5nm的寬度。
[0047]耗盡區(qū)的寬度小于或等于2nm。
[0048]石墨烯層的整個邊緣部分可以具有無缺陷的Z字形結構。
[0049]在P型石墨烯或N型石墨烯中，按區(qū)域計的摻雜濃度的偏差可以小于大約
2.5X1012/cm2o
[0050]石墨烯層的寬度可以是例如大約500nm或更小。
【附圖說明】
[0051]從結合附圖對示例性實施方式的以下描述，以上和/或其它方面將變得明顯且更易于理解，在附圖中:
[0052]圖1A至IE是示出根據(jù)示例性實施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖；
[0053]圖2A至2D是示出根據(jù)另一示例性實施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖；
[0054]圖3A至3D是示出根據(jù)另一示例性實施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖；
[0055]圖4A至4F是示出根據(jù)另一示例性實施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖；
[0056]圖5A至5F是示出根據(jù)另一示例性實施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖；
[0057]圖6A至6D是示出根據(jù)另一示例性實施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖；
[0058]圖7A至7D是示出根據(jù)另一示例性實施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖；
[0059]圖8A至SC是示出根據(jù)另一示例性實施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖；
[0060]圖9是示出根據(jù)示例性實施方式的石墨烯層的結構的視圖；
[0061]圖10是示出根據(jù)另一示例性實施方式的石墨烯層的結構的視圖；
[0062]圖11示出了通過根據(jù)比較示例的方法形成的具有P-N結的石墨烯層的X射線光電子能譜(XPS)圖像；
[0063]圖12是示出根據(jù)示例性實施方式的石墨烯層以及其邊緣部分的結構的圖示；
[0064]圖13是示出根據(jù)比較示例的石墨烯層的邊緣部分的結構的圖示；
[0065]圖14A至14C是示出根據(jù)示例性實施方式的制造含石墨烯的器件的方法的透視圖。
[0066]圖15A至15C是示出根據(jù)另一示例性實施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖視圖；
[0067]圖16A至16C是示出根據(jù)另一示例性實施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖視圖；
[0068]圖17A至17C是示出根據(jù)另一示例性實施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖視圖；
[0069]圖18A和18B是示出根據(jù)另一示例性實施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖視圖；
[0070]圖19是示出根據(jù)另一示例性實施方式的石墨烯層的透視圖；
[0071]圖20是示出根據(jù)示例性實施方式形成的石墨烯層的掃描隧道顯微鏡(STM)圖像的圖示；
[0072]圖21A和21B示出了根據(jù)示例性實施方式形成的N型石墨烯的STM圖像；
[0073]圖22至26是示出根據(jù)示例性實施方式的可以用于形成石墨烯的各種源氣體的化學結構的圖示。
【具體實施方式】
[0074]現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述各種示例性實施方式，在附圖中顯示出示例性實施方式。
[0075]將理解，當元件被稱為“連接”或“聯(lián)接”到另一元件時，它能直接連接或聯(lián)接到另一元件，或者可以存在居間元件。相反，當元件被稱為“直接連接”或“直接聯(lián)接”到另一元件時，則不存在居間元件。在此使用時，術語“和/或”包括一個或多個相關列舉項目的任意和所有組合。
[0076]將理解，雖然術語“第一”、“第二”等等可以在此使用以描述不同的元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應受這些術語限制。這些術語僅用于區(qū)分一個元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一元件、部件、區(qū)域、層或部分。因而，以下討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不脫離示例性實施方式的教導。
[0077]空間關系術語，諸如“在……下面”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等可以在此使用以便于描述，從而描述一個元件或特征與其它元件或特征如圖中所示的關系。將理解，除了圖中所描繪的取向之外，空間關系術語還旨在包含裝置在使用或操作中的其它不同取向。例如，如果在圖中的裝置被翻轉，則被描述為在其它元件或特征“以下”或“下面”的元件可以被取向為在其它元件或特征“上方”。因而，示例性術語“在……下面”可以涵蓋上和下兩種取向。裝置可以被另外地取向(旋轉90度或其它取向)，并且在此使用的空間關系描述語可以被相應地解釋。
[0078]在此使用的術語僅用于描述特定實施方式，不旨在限制示例性實施方式。在此使用時，單數(shù)形式“一”和“該”也旨在包括復數(shù)形式，除非上下文以別的方式清楚地表示。還將理解，當在本說明書中使用時，術語“包括”和/或“包含”說明所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件