一种基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法

摘要

本发明的基于石墨烯场效应管微区加热的原位材料生长的方法，包括步骤：首先，制备基于石墨烯的场效应管，所述石墨烯具有窄边微区结构，所述场效应管的背面设置有背栅；然后，在所述石墨烯两端的电极之间加电压源或电流源，通过调节背栅电压来调制所述窄边微区结构的电阻，使所述窄边微区结构产生高温；接着，通入反应源，调节背栅电压，使石墨烯加热到材料生长需要的温度，实现石墨烯微区加热的原位材料生长。本发明基于石墨烯场效应管的微区加热原位生长材料方法操作简单，可以实现基于不同尺寸的微区高温加热的前提下，原位生长半导体材料，材料生长区域形状可控。另外，微区加热原位生长材料的制备方法简单，与现有的MOS工艺兼容，便于大规模阵列及图形化制备，均匀性好。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长 材料的方法及器件结构。

背景技术

自石墨烯问世以来，被发现具有其他碳家族成员所不具备的独特的物理特性，如反常整 数量子霍尔效应，本征石墨烯的有限电导，以及普适光电导等。利用这些有趣的物理特性， 科研人员对石墨烯的电学性能的应用上做了大量的研究，如光电器件,射频晶体管，逻辑开关 及存储器件等，而对其电热效应及其应用研究较少。

用于微电子器件、光电子器件的新型半导体材料如ZnO、AlN、GaN等材料通常采用 MOCVD，脉冲激光沉积，磁控溅射等手段制备时都需要较高的温度，而常用的加热方法是 基于光学来加热部件，包括激光加热或者电子束加热。所谓激光加热利用连续激光器产生的 激光，经过聚焦产生高温射束照射待加热部件，使部件局部表面瞬间达到所需温度。而电子 束加热利用高温运动的电子轰击待加热部件的表面，使很高的动能迅速转变为热能，从而使 部件局部迅速提高到所需的温度。但是，这些加热方法所使用的仪器庞大、操作也复杂，而 且光斑的大小经常会使加热区域的尺寸不可控。

因此本申请提出一种基于石墨烯场效应管的微区加热结构原位制备薄膜材料的方法。该 方法制备的器件结构为薄膜材料-金属电极-石墨烯-衬底，利用调节背栅电压来实现石墨烯加 热达到不同材料生长所需的温度，从而实现石墨烯上材料的原位生长。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯场效应管微区加 热的原位生长材料的方法，用于解决现有技术中进行材料制备时加热步骤复杂、加热区域不 可控等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于石墨烯场效应管微区加热的原位 材料生长的方法，所述方法至少包括步骤：

1)制备基于石墨烯的场效应管，所述石墨烯具有窄边微区结构，所述场效应管的背面设 置有背栅；

2)在所述石墨烯两端的电极之间加电压源或电流源，通过调节背栅电压来调制所述窄边 微区结构的电阻，使所述窄边微区结构产生高温；

3)在所述窄边微区结构表面原位生长材料层。

可选地，所述步骤1)中制备基于石墨烯的场效应管的步骤至少包括：

1-1)提供一目标衬底；

1-2)将制备的石墨烯转移到所述目标衬底的表面；

1-3)在所述石墨烯上依次旋涂第一光刻胶和第二光刻胶，对所述第一光刻胶进行曝光 显影之后，对所述第二光刻胶进行显影以暴露石墨烯表面，所述第一光刻胶和第二光刻胶形 成T型结构，在暴露的石墨烯表面沉积金属层，形成电极；

1-4)采用电子束曝光工艺图形化所述石墨烯，并通过氧化刻蚀工艺刻蚀所述石墨烯， 从而形成具有窄边微区结构的石墨烯薄膜。

1-5)在所述目标衬底的背面沉积金属层形成背栅。

可选地，所述步骤1-2)中制备石墨烯的步骤为：

1-2-1)提供一生长衬底，对所述生长衬底进行抛光处理，并对所述生长衬底进行清洗；

1-2-2)将所述生长衬底置于反应腔中，对所述反应腔进行抽真空后通入H₂气并升温至一 定温度，然后对所述生长衬底进行等离子体预处理；

1-2-3)保持通入H₂气并通入CH₄，采用等离子体增强化学气相沉积法于所述生长衬底表 面生长石墨烯薄膜。

可选地，所述窄边微区结构所产生的高温温度范围为100～1200℃。

可选地，所述窄边微区结构的尺寸设置为50～200nm。

可选地所述石墨烯为规则且对称的图形。

可选地，所述石墨烯的图形形状为蛇型、哑铃型或镂空型。

可选地，在所述石墨烯两端施加的电流范围为I，0＜I≤0.2mA。

可选地，所述材料层为半导体材料层，所述的半导体材料层为ZnO、GaN、AlN、SnO₂、 AZO、MoS₂、WS、GaS、GaP、ZnS、InAs、GaSb、CdSe、TiO₂、PbS、CdS中的一种。

本发明还提供一种利用上述方法获得的器件结构，所述器件结构至少包括：

基于石墨烯的场效应管，所述石墨烯具有窄边微区结构；

背栅，设置在所述场效应管的背面；

材料层，原位生长在所述窄边微区结构表面。

可选地，所述基于石墨烯的场效应管的结构包括：目标衬底、制作于所述目标衬底上且 具有窄边微区结构的石墨烯、设置于所述石墨烯两端表面上的电极。

可选地，所述窄边微区结构的尺寸设置为50～200nm。

可选地，所述石墨烯为规则且对称的图形。

可选地，所述石墨烯的图形形状为蛇型、哑铃型或镂空型。

可选地，所述窄边微区结构为阵列化图形，在所述窄边微区结构上原位生长的材料层的 图案与所述窄边微区结构的图案一致，也为阵列化图形。

如上所述，本发明的基于石墨烯场效应管微区加热的原位材料生长的方法，包括以下步 骤：首先，制备基于石墨烯的场效应管，所述石墨烯具有窄边微区结构，所述场效应管的背 面设置有背栅；然后，在所述石墨烯两端的电极之间加电压源或电流源，通过调节背栅电压 来调制所述窄边微区结构的电阻，使所述窄边微区结构产生高温；接下来，通入反应源，调 节背栅电压，使石墨烯加热到材料生长需要的的温度，实现石墨烯微区加热的原位材料生长， 本发明的基于石墨烯场效应管的微区加热原位生长材料方法，操作简单，可以实现基于不同 尺寸的微区高温加热的前提下，原位生长半导体材料，材料生长区域形状可控。另外，微区 加热原位生长材料的制备方法简单，与现有的MOS工艺兼容，便于大规模阵列及图形化制 备，均匀性好。

附图说明

图1为本发明基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法的流程示意图。

图2为本发明基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法中刻蚀石墨烯前的结 构剖视图。

图3为本发明基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法中刻蚀石墨烯前的结 构立体图。

图4a为本发明器件结构中石墨烯为哑铃状结构的俯视图。

图4b为图4的结构进行通电加热后的结构俯视图。

图5a为本发明器件结构中石墨烯为圆环形结构的俯视图。

图5b为本发明器件结构中石墨烯为方环形结构的俯视图。

图6为本发明器件结构中石墨烯为蛇形结构的俯视图。

图7a为本发明器件结构中石墨烯为一种类“目”字型结构的俯视图。

图7b为本发明器件结构中石墨烯为另一种类“目”字型结构的俯视图。

图8为基于石墨烯场效应管微区加热的器件结构示意图。

元件标号说明

S1～S2     步骤

1     衬底

2     石墨烯

21    窄边微区结构

3     电极

4     背栅

5     材料层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本 构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸 绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也 可能更为复杂。

实施例一

本发明提供一种基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法，如图1所示，所 述方法至少包括步骤：

S1，制备基于石墨烯的场效应管，所述石墨烯具有窄边微区结构，所述场效应管的背面 设置有背栅；

S2，在所述石墨烯两端的电极之间加电压源或电流源，通过调节背栅电压来调制所述窄 边微区结构的电阻，使所述窄边微区结构产生高温；

S3，在所述窄边微区结构表面原位生长材料层。

下面结合附图详细描述本发明的基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法。

首先执行步骤S1，制备基于石墨烯的场效应管，所述石墨烯具有窄边微区结构，所述场 效应管的背面设置有背栅。

具体地，制备基于石墨烯的场效应管的过程为：

先制备石墨烯：第一步，提供生长石墨烯的生长衬底，对所述生长衬底进行抛光处理， 并对生长衬底分别采用清洗溶液稀盐酸、异丙醇、去离子水依次对所述生长衬底进行冲洗， 再吹干。所述生长衬底可以为Cu、Ni、Pt、SiO₂其中的一种，在本实施例中，以Cu衬底为 例。第二步，将所述生长衬底置于化学气相沉积反应腔中，对所述反应腔进行抽真空后通入 H₂气并升温至一定温度，然后对所述生长衬底进行H等离子体预处理。第三步，保持通入 H₂气并通入生长气体CH₄，采用等离子体增强化学气相沉积法于所述生长衬底表面生长石墨 烯薄膜。

制备石墨烯之后，请参阅附图2和图3，将石墨烯2转移到目标衬底1上，所述目标衬 底1可以是绝缘基片，也可以是柔性衬底。本实施例中，所述目标衬底1为绝缘基片，例如， 硅衬底上二氧化硅，所述石墨烯2则被转移到硅衬底上的二氧化硅上。

转移制备的石墨烯2至目标衬底1上之后，在所述石墨烯2两端形成电极，具体过程包 括：在所述金属层上形成第一光刻胶PMGI，再在光刻胶上形成第二光刻胶PMMA495，然后 对所述第二光刻胶PMMA进行电子束曝光并对其显影，再对PMGI显影形成T型(under-cut) 结构，再以该结构为掩膜，采用电子束蒸发工艺在光刻胶之间的石墨烯2表面沉积金属层， 从而在所述石墨烯两侧形成电极3，分别为源极和漏极，所述电极可以是Ti或Au。至此，场 效应管的结构如图2和图3所示。

形成电极3之后，采用电子束曝光技术对所述石墨烯2进行图形化，并通过氧化刻蚀工 艺所述石墨烯2，使在电极3之间形成具有窄边微区结构的石墨烯2。

在本发明的实施例中，所述氧化刻蚀工艺采用的气体为Ar和O₂的混合物。所述氧化刻 蚀工艺的参数范围为：Ar和O₂的气体流量比例在1:5～1：9范围内，刻蚀腔室的压力为4～7Pa 刻蚀腔室的功率为50～100W，处理时间为1～3min。氧化刻蚀工艺完成后，获得具有特定形状 的石墨烯。

所述石墨烯2的形状优先选择为规则且对称的图形，例如，可以是哑铃型、蛇型或镂空 型等，在此不限。其中，哑铃型石墨烯2的图案如图4a所示，该形状的石墨烯2靠近两端电 极3的尺寸较大，中心尺寸较小，因此该图中中心区域即为窄边微区结构21。蛇型石墨烯的 图案如图6所示，电极之间蛇型石墨烯2的整个图案为窄边微区结构21。镂空型石墨烯指的 是石墨烯中间具有镂空形状，比如，图5a所示形状的石墨烯，图中的黑色部分为窄边微区结 构21；又如图5b所示的石墨烯形状，图中的黑色部分为窄边微区结构21；再如图7a和7b， 其中，图7b中的石墨烯图案是图7a中石墨烯图案的变形，两图中窄边微区结构21均为中心 横向设置的石墨烯条纹。

当然，上述只是例举石墨烯2结构、以及石墨烯2结构中窄边微区结构21的形状，但并 不限于此。

需要说明的是，所述基于石墨烯的场效应管的制备还包括在所述目标衬底1的背面制造 背栅4电极以及在场效应管表面沉积绝缘介质的步骤。

然后执行步骤S2，在所述石墨烯2两端的电极之间加电压源或电流源，通过调节背栅4 电压来调制所述窄边微区结构21的电阻，使所述窄边微区结构21的产生高温。

本实施例中，考虑到石墨烯的电流密度，优选地，在所述石墨烯2两端的电极3之间加 电流源。在背栅4和石墨烯2其中一端的电极(接地)之间施加背栅电压。由于窄边微区结 构21较石墨烯2其他区域的结构尺寸小，背栅调制后，窄边微区结构的电阻变化大，加电压 后电流通过所述窄边微区结构21产生的热量与周围差异很大，即加热温度很高，提高可调节 性。以图4b中哑铃形状的石墨烯2为例，石墨烯中中心区域为窄边微区结构21，在施加电 压后，该窄边微区结构21发热。

为了防止所述窄边微区结构21产生的电阻变化太大，一般，设置的窄边微区结构21的 尺寸不宜太大；另一方面，为防止所述窄边微区结构21因热量高引起断裂，其尺寸也不应过 小。优选地，所述窄边微区结构21的尺寸设置在50～200nm范围内。本实施例中，所述窄边 微区结构21的尺寸设置为100nm。当然，在其他实施例中，所述窄边微区结构21的尺寸可 以设置为50nm、80nm、150或者180nm。请参阅图4b，在哑铃型石墨烯两端的电极上施加 电压后，石墨烯2中心区域的窄边微区结构21(图中黑色填充区域)发热。

窄边微区结构21加热温度的高低与背栅电压大小有关，通过调节背栅电压，可以实现窄 边微区结构21不同温度的加热。优选地，所述石墨烯2两端施加的电流范围为I,0＜I≤0.2mA， 所述窄边微区结构21加热的温度范围在100～1200℃范围内。需要说明的是，不同的石墨烯2 结构，施加同等大小的电压，其窄边微区结构21加热的温度会有所不同。

另外，在不同环境下，窄边微区结构21加热的温度也会有所不同，当测试环境为真空时， 通过熔化石墨烯表面的不同金属，可以测得真空中石墨烯的窄边微区结构可加热温度范围为 100～1200℃。当测试环境为大气时，通过石墨烯和氧气反应生成二氧化碳的温度，获得大气 中窄边微区结构可加热的温度为100～500℃。

最后执行步骤S3，请参阅附图8，在所述窄边微区结构表面原位生长材料层5。

根据工艺需要选择来所述材料层的材料类型。本实施例中，所述材料层选择为半导体材 料层。所述的半导体材料层为ZnO、GaN、AlN、SnO₂、AZO MoS₂、WS、GaS、GaP、ZnS、 InAs、GaSb、CdSe、TiO₂、PbS、CdS等的其中一种。下面以原位生长GaN半导体材料层为 例进行说明。

将步骤S2获得的结构置于真空腔体内，调节背栅电压，使石墨烯微区加热结构的温度达 到GaN材料生长的温度1100℃～1200℃之间，随后往腔室内通入反应源NH₃和Ga蒸汽，其 中，NH₃的流量为20～100sccm，保持气压在0.1Pa～10Pa之间，通入的Ga蒸汽的位置尽量靠 近石墨烯加热区，NH₃和Ga蒸汽将在石墨烯微区加热结构表面反应生成GaN和H₂，H₂为气 体从表面逸出，GaN则附着在窄边微区结构表的面形成所需的GaN半导体材料层，而石墨烯 表面没有被加热的地方则不会有GaN生成。

通过基于石墨烯的场效应管进行微区加热来制备材料层的原理为：通过调节背栅电压， 可以调节石墨烯的费米面，改变石墨烯电阻，由于电子在窄边微区结构的边缘容易发生散射 效应，电压对石墨烯窄边电阻调制明显，从而利用石墨烯窄边微区结构的高温加热来制备需 要高温生长的材料层。因此，可以通过调节电压以及采用不同的石墨烯微区加热结构，实现 不同材料生长对温度区间的需要。另外基于石墨烯场效应管的微区加热结构的原位生长材料 的方法通过控制石墨烯的图形化刻蚀，实现GaN材料原位生长及形状控制，同时可以在制备 阵列化的石墨烯场效应管的微区加热结构基础上，制备出大批量的，均匀的，图形化的半导 体材料。

实施例二

本发明还提供一种利用实施例一中的方法来获得的器件结构，如图8所示，所述器件结 构至少包括：

基于石墨烯2的场效应管，所述石墨烯2具有窄边微区结构；

背栅4，设置在所述场效应管的背面；

材料层5，原位生长在所述窄边微区结构表面。

具体地，如图4a～7b所示，所述基于石墨烯的场效应管的结构包括：目标衬底1、制作 于所述目标衬底1上且具有窄边微区结构21的石墨烯2、设置于所述石墨烯2两端表面上的 电极3。

进一步地，所述基于石墨烯的场效应管的结构还包括位于场效应管表面起隔绝作用的绝 缘介质(未予以图示)。

所述窄边微区结构21是指石墨烯中尺寸较小的结构，其尺寸设置在50～200nm范围内。 本实施例中，所述窄边微区结构21的尺寸可以暂选为100nm。当然，在其他实施例中，窄边 微区结构21的尺寸还可以为50nm、80nm、150nm或180nm。

所述石墨烯2的形状优先选择为规则且对称的图形，例如，可以是哑铃型、环型、蛇型 或类“目”字型等，在此不限。其中，哑铃型石墨烯2的图案如图4a所示，该形状的石墨烯 2靠近两端电极3的尺寸较大，中心尺寸较小，因此该图中中心区域即为窄边微区结构21。 蛇型石墨烯的图案如图6所示，电极之间蛇型石墨烯2的整个图案为窄边微区结构21。镂空 型石墨烯指的是石墨烯中间具有镂空形状，比如，图5a所示形状的石墨烯，图中的黑色部分 为窄边微区结构21；又如图5b所示的石墨烯形状，图中的黑色部分为窄边微区结构21；再 如图7a和7b，其中，图7b中的石墨烯图案是图7a中石墨烯图案的变形，两图中窄边微区结 构21均为中心横向设置的石墨烯条纹。

本实施例中，所述材料层选择为半导体材料层。所述的半导体材料层为ZnO、GaN、AlN、 SnO₂、AZO MoS₂、WS、GaS、GaP、ZnS、InAs、GaSb等的其中一种。本实施例中，生长的 半导体材料层优选为GaN材料。

作为示例，所述窄边微区结构为阵列化图形，在所述窄边微区结构上原位生长的材料层 的图案与所述窄边微区结构的图案一致，也为阵列化图形。

当然，上述只是例举石墨烯结构、以及石墨烯结构中窄边微区结构的形状，但并不限于 此。不同的石墨烯窄边微区结构可以生长不同图形的材料层，从而实现原位生长材料的图形 化。

本发明的基于石墨烯场效应管微区加热的原位材料生长的方法，包括步骤：首先，制备 基于石墨烯的场效应管，所述石墨烯具有窄边微区结构，所述场效应管的背面设置有背栅； 然后，在所述石墨烯两端的电极之间加电压源或电流源，通过调节背栅电压来调制所述窄边 微区结构的电阻，使所述窄边微区结构产生高温；接着，通入反应源，调节背栅电压，使石 墨烯加热到材料生长需要的的温度，实现石墨烯微区加热的原位材料生长，本发明的基于石 墨烯场效应管的微区加热原位生长材料方法，操作简单，可以实现基于不同尺寸的微区高温 加热的前提下，原位生长半导体材料，材料生长区域形状可控。另外，微区加热原位生长材 料的制备方法简单，与现有的MOS工艺兼容，便于大规模阵列及图形化制备，均匀性好。 所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。