層GL1。石墨烯層GLl可以包括第一石墨烯GLl和第二石墨烯GP2。第一石墨烯GPl和第二石墨烯GP2可以彼此結(jié)合。第一石墨烯GPl和第二石墨烯GP2中的其中之一可以是P型石墨烯，第一石墨烯GPl和第二石墨烯GP2中的另一個(gè)可以是N型石墨烯。因此，石墨烯層GLl可具有P-N結(jié)結(jié)構(gòu)。形成石墨烯層GLl的方法可以與形成圖1E的石墨烯層GLlO的方法、形成圖2D的石墨烯層GLll的方法或形成圖3D的石墨烯層GL12的方法相同或類似。雖然石墨烯層GLl具有P-N結(jié)構(gòu)，但是石墨烯層GLl可具有PNP結(jié)構(gòu)或NPN結(jié)構(gòu)。為了使石墨烯層GLl具有PNP結(jié)構(gòu)或NPN結(jié)構(gòu)，形成石墨烯層GLl的方法可以與參考圖4A至7D描述的那些相同或類似。
[0136]當(dāng)石墨稀層GLl在通過圖案化底材料層UL100而形成多個(gè)底層ULl之后形成在所述多個(gè)底層ULl的每個(gè)上時(shí)，如圖8A至SC所示，可以容易地形成以期望形狀被圖案化的多個(gè)石墨稀層GLl。
[0137]如果在基板上形成一個(gè)石墨烯片然后通過圖案化(蝕刻)該石墨烯片而形成彼此分離的多個(gè)石墨烯層，則每個(gè)石墨烯層的邊緣部分可以由于所述蝕刻而被損傷。此外，在所述圖案化(蝕刻)中使用的光致抗蝕劑(PR)的一部分會(huì)保留在多個(gè)石墨烯層上，因而，多個(gè)石墨烯層的物理性質(zhì)和包括所述多個(gè)石墨烯層的器件的特性可能退化。此外，可能難以通過使用直接圖案化石墨烯片的方法而控制所述多個(gè)石墨烯層的形狀和尺寸。然而，根據(jù)當(dāng)前示例性實(shí)施方式，石墨烯層GLl形成在被預(yù)先圖案化的多個(gè)底層ULl的每個(gè)上，因而，可以防止石墨烯層GLl的邊緣部分被損傷并且可以防止保留PR。此外，因?yàn)閷?duì)于底材料層UL100的蝕刻(圖案化)可以比直接蝕刻(圖案化)石墨烯片容易，所以石墨烯層GLl的尺寸和形狀可以在圖案化(蝕刻)底材料層UL100之后通過在圖案化的底材料層UL100上形成圖案化的石墨烯層GLl而被容易地控制。
[0138]圖9是示出根據(jù)示例性實(shí)施方式的石墨烯層的結(jié)構(gòu)的平面圖。
[0139]參考圖9，石墨烯層100A可以設(shè)置在底層50上。石墨烯層100A可以包括P型石墨稀p-GPl和N型石墨稀n-GPl。N型石墨稀n_GPl可以結(jié)合到P型石墨稀ρ-GPl的側(cè)部。N型石墨烯n-GPl可具有由碳(C)原子形成的六邊形晶體結(jié)構(gòu)，其中一些碳(C)原子被第一原子取代。第一原子可以是例如氮(N)原子。氮(N)原子可以作為N型摻雜劑。雖然，在當(dāng)前實(shí)施方式中，氮(N)原子與碳(C)原子一起形成六邊形晶體結(jié)構(gòu)，但是可以使用其它原子代替氮(N)原子。P型石墨烯P-GPl可具有僅由碳(C)原子形成的六邊形晶體結(jié)構(gòu)。P型石墨烯P-GPl可由于設(shè)置在P型石墨烯P-GPl下面的底層50的摻雜效應(yīng)而具有P型半導(dǎo)體特性。底層50可以包括催化金屬，諸如Pt。然而，底層50的材料不限于Pt，而是可以以各種方式變化。
[0140]在當(dāng)前示例性實(shí)施方式中，形成在P型石墨烯P-GPl和N型n-GPl之間的界面處的耗盡區(qū)DR可具有例如大約5nm或更小的寬度。耗盡區(qū)DR的寬度可以是大約2nm或更小。耗盡區(qū)DR的寬度可以是Inm左右。根據(jù)當(dāng)前實(shí)施方式，因?yàn)樘?C)原子被第一原子(例如氮(N)原子)取代，所以N型石墨烯n-GPl可具有N型半導(dǎo)體特性。在該情形下，第一原子(例如氮(N)原子)可以均勻地或相對(duì)均勻地在整個(gè)N型石墨烯n-GPl中分布。P型石墨烯p-GPl可由于底層50的狄拉克點(diǎn)變化(上升)而具有P型半導(dǎo)體特性。在這種情況下，P型石墨烯P-GPl和N型石墨烯n-GPl之間的結(jié)可具有原子比例尺寸(寬度)，具有非常小的寬度的耗盡區(qū)DR可以形成在P型石墨烯p-GPl和N型石墨烯n-GPl之間。如上所述，耗盡區(qū)DR可具有在從大約5nm或更小或者大約2nm或更小的范圍內(nèi)的寬度。由氮(N)原子引起的N摻雜效應(yīng)可以在與氮(N)原子存在的位置相距大于大約2nm的距離的區(qū)域中消失。在這方面，耗盡區(qū)DR的寬度可以是大約2nm或更小。此外，通過以上描述的方法形成的P型石墨烯P-GPl與N型石墨烯n-GPl之間的邊界可以不具有缺陷或可具有少數(shù)缺陷。以此方式，因?yàn)樾纬稍赑型石墨烯P-GPl與N型石墨烯n-GPl之間的耗盡區(qū)DR的寬度相對(duì)小并且其間的邊界不具有缺陷或具有少數(shù)缺陷，所以石墨烯層100A可具有優(yōu)良的物理性能和特性。
[0141]可能難以通過使用現(xiàn)有的方法或根據(jù)比較示例的方法而形成其中P-N結(jié)的耗盡區(qū)的寬度相對(duì)小的石墨烯層。例如，當(dāng)通過使不同有機(jī)層(分子層)接觸石墨烯片而在石墨烯片中形成P型摻雜區(qū)域和N型摻雜區(qū)域時(shí)，難以小尺度地控制P型摻雜區(qū)域與N型摻雜區(qū)域之間的邊界，因而，所述邊界可能不是明顯的，并且P-N結(jié)特性可能退化。P型摻雜區(qū)域與N型摻雜區(qū)域之間的邊界可具有數(shù)十微米(μπι)或更大的寬度，例如大約100 μπι的寬度。因此，難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的P-N結(jié)特性并且難以制造具有100 μπι或更小的小尺寸(寬度)的石墨烯器件。對(duì)于在一部分石墨烯片上沉積金屬氧化物以形成P-N結(jié)的情形下，這樣的問題可能也同樣地(或類似地)發(fā)生。然而，根據(jù)當(dāng)前示例性實(shí)施方式，P型石墨烯P-GPl與N型石墨烯n-GPl之間的邊界(耗盡區(qū))可以以幾納米(nm)內(nèi)的非常小的尺度形成，因而，可以獲得優(yōu)良的P-N結(jié)特性并且可以容易地制造具有小尺寸的石墨烯器件。
[0142]此外，根據(jù)當(dāng)前示例性實(shí)施方式，可以在N型石墨烯n-GPl和P型石墨烯p-GPl的每個(gè)中改善摻雜濃度的均勻性。例如，在N型石墨烯n-GPl和P型石墨烯p-GPl的每個(gè)中，按區(qū)域計(jì)的摻雜濃度的偏差可以小于大約2.5X 1012/cm2。換言之，在η型石墨稀n-GPl中，具有最大摻雜濃度的第一區(qū)域的摻雜濃度與具有最小摻雜濃度的第二區(qū)域的摻雜濃度之間的差可以小于大約2.5X1012/cm2。另一方面，可能難以通過使用常規(guī)方法例如接觸有機(jī)層的方法、沉積金屬氧化物層的方法或使用離子注入的方法來控制摻雜濃度并且確保摻雜濃度的均勻性。然而，根據(jù)當(dāng)前示例性實(shí)施方式，氮(N)原子可以均勻地或幾乎均勻地分布在整個(gè)石墨烯(N型石墨烯)中，因?yàn)樵诔练e石墨烯(N型石墨烯)的工藝中使用了氮(N)原子。因此，可以容易地確保摻雜濃度的均勻性。此外，在根據(jù)當(dāng)前示例性實(shí)施方式的方法中，可以通過調(diào)整形成石墨烯(N型石墨烯)時(shí)的加熱溫度或源氣體的濃度而容易地控制石墨烯的摻雜濃度。這里，注意到，在以上描述的常規(guī)方法中不可能形成其中一些碳(C)原子被其它原子取代的晶體結(jié)構(gòu)，而根據(jù)當(dāng)前示例性實(shí)施方式，可以容易地形成其中一些碳(C)原子被其它原子取代的石墨烯。
[0143]根據(jù)當(dāng)前示例性實(shí)施方式，石墨烯層100A的整個(gè)邊緣部分可具有沒有缺陷的晶體結(jié)構(gòu)。例如，石墨烯層100A的整個(gè)邊緣部分可具有沒有缺陷的Z字形結(jié)構(gòu)。因?yàn)槭?00A形成在底層50上而沒有直接圖案化(蝕刻)石墨烯片，所以石墨烯層100A的邊緣部分可以未受損傷并且可具有沒有缺陷的晶體結(jié)構(gòu)。因此，石墨烯層100A可具有優(yōu)良的特性并且使用石墨烯層100A的石墨烯器件可以表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。
[0144]石墨稀層100A的寬度wl可以是幾nm至幾百nm。寬度wl是在石墨稀層100A的較短長度方向上的寬度。石墨烯層100A的寬度wl可以是例如大約500nm或更小，或者大約10nm或更小。當(dāng)石墨稀層100A在形成圖案化的底層50之后形成在圖案化的底層50上時(shí)，石墨烯層100A可以形成為具有無缺陷的邊緣部分同時(shí)具有大約500nm或更小或者大約10nm或更小的小寬度wl?？赡茈y以通過使用現(xiàn)有的方法，例如直接蝕刻(圖案化)石墨烯片的方法而形成具有大約I μπι或更小的小寬度的石墨烯層。此外，當(dāng)通過使用現(xiàn)有的方法形成石墨烯層時(shí)，石墨烯層的特性可以由于邊緣部分中的缺陷而退化。此外，在蝕刻(圖案化)期間使用的光致抗蝕劑PR可以保留在石墨烯層上，由此使石墨烯層的特性退化。另一方面，根據(jù)當(dāng)前示例性實(shí)施方式，可以防止并解決這樣的問題，并因此可以容易地形成具有優(yōu)良特性的石墨烯層。
[0145]此外，當(dāng)多個(gè)石墨烯層在形成多個(gè)圖案化的底層之后形成在多個(gè)圖案化的底層上(參照?qǐng)DSC)時(shí)，多個(gè)石墨烯層的每個(gè)的尺寸和形狀可以被容易地控制，此外，兩個(gè)相鄰石墨稀層之間的間距可以被容易地控制在幾十nm內(nèi)或者被控制到幾nm的范圍內(nèi)。因此，根據(jù)以上描述的示例性實(shí)施方式的方法和結(jié)構(gòu)可以有效地應(yīng)用于使用兩個(gè)相鄰石墨烯層的器件(例如，隨后將描述的圖17C的器件)。
[0146]圖10是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的石墨烯層的結(jié)構(gòu)的平面圖。
[0147]參考圖10，石墨烯層100B可以包括P型石墨烯p-GP2和N型石墨烯n-GP2。N型石墨稀n-GP2可具有與圖9的N型石墨稀n-GPl基本上相同的晶體結(jié)構(gòu)。N型石墨稀n_GP2可具有由碳(C)原子形成的六邊形晶體結(jié)構(gòu)，其中一些碳(C)原子被第一原子取代。第一原子可以是例如氮(N)原子。P型石墨烯P-GP2可具有由碳(C)原子形成的六邊形晶體結(jié)構(gòu)，其中一些碳(C)原子被不同于第一原子的第二原子取代。第二原子可以是例如硼(B)原子。硼(B)原子可以作為P型摻雜劑。雖然在圖10中未示出，但是底層可以進(jìn)一步設(shè)置在P型石墨烯P-GP2和N型石墨烯n-GP2的下面。底層可以包括催化金屬。催化金屬的示例可以包括Pt、Cu、N1、Ir等。
[0148]在當(dāng)前示例性實(shí)施方式中，具有非常小的寬度的耗盡區(qū)DR可以形成在P型石墨烯P-GP2與N型石墨烯n-GP2之間的界面部分中。耗盡區(qū)DR的寬度可以是大約5nm或更小或者大約2nm或更小。P型石墨烯P-GP2和N型石墨烯n_GP2的每個(gè)可具有優(yōu)良的摻雜均勻性。例如，在P型P-GP2和N型石墨烯n-GP2的每個(gè)中，按區(qū)域計(jì)的摻雜濃度的偏差可以小于大約2.5X 11Vcm20石墨烯層100B的整個(gè)邊緣部分可具有沒有缺陷的晶體結(jié)構(gòu)，例如，沒有缺陷的Z字形結(jié)構(gòu)。石墨烯層100B的寬度wl是在較短長度方向上的寬度，并且可以是幾nm至幾百nm，例如大約500nm或更小或者大約10nm或更小。
[0149]圖9中示出的石墨烯層100A的結(jié)構(gòu)或圖10中示出的石墨烯層100B的結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)于圖1至8中示出的石墨烯層GLlO至GL16和GLl中的任何一個(gè)的結(jié)構(gòu)。換言之，圖1至8中示出的石墨烯層GLlO至GL16和GLl中的任何一個(gè)的至少一部分可具有圖9中示出的石墨烯層100A的結(jié)構(gòu)或圖10中示出的石墨烯層100B的結(jié)構(gòu)。例如，圖1E的第一石墨烯GPlO和第二石墨烯GP20可以分別對(duì)應(yīng)于圖9的P型石墨烯ρ-GPl和N型石墨烯n_GPl。圖2D的第一石墨烯GPll和第二石墨烯GP21可以分別對(duì)應(yīng)于圖9的P型石墨烯ρ-GPl和N型石墨烯n-GPl，或可以分別對(duì)應(yīng)于圖10的P型石墨烯p_GP2和N型石墨烯n_GP2。
[0150]在圖9和10中，為了方便起見，形成石墨烯層100A和100B的六邊形晶體結(jié)構(gòu)的蜂窩單元結(jié)構(gòu)的尺寸被任意地確定。然而，耗盡區(qū)DR的實(shí)際長度與蜂窩單元結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸的比可以與圖9和10中示出的不同。換言之，在圖9和10中，雖然耗盡區(qū)DR的長度具有與兩個(gè)蜂窩單元結(jié)構(gòu)的組合長度相等的長度，但是耗盡區(qū)DR的實(shí)際長度可以與其不同。此外，蜂窩單元結(jié)構(gòu)的尺寸與圖9和10中的石墨烯層100A和100B的寬度wl之間的比可以與實(shí)際實(shí)施方式的不同。
[0151]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(jié)的石墨烯層的X射線光電子能譜(XPS)圖像。
[0152]圖11示出了對(duì)于相同的石墨烯層以不同的方法俘獲的圖像。圖11的視圖㈧示出了被俘獲為使得包括N型摻雜材料的區(qū)域被明亮地看到的圖像，圖11的視圖(B)示出了被俘獲為使得包括P型摻雜材料的區(qū)域被明亮地看到的圖像。通過經(jīng)由平版印刷術(shù)形成3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)的圖案層和全氟辛基三乙氧基硅烷(P