[发明专利]一种退化石墨烯氧化物的电诱导还原方法

说明书

技术领域

本发明属于碳基集成电路制造技术领域，具体涉及一种石墨烯氧化物的还原方法。特别涉及一种使用导电原子力显微镜（C-AFM）来制备和纳米刻蚀石墨烯的方法。

背景技术

在半导体制造领域，随着集成度的提高，线宽的缩小，当前集成电路的材料基础——硅，逐渐达到其材料加工极限——10纳米线宽，而硅基集成电路在11纳米后无法突破其物理局限包括电流传输损耗，量子效应，热效应等，因此很难生产出性能稳定、集成度更高的产品，半导体产业似乎遇到了无法逾越的瓶颈。

然而在2004年，一种新型半导体材料——石墨烯（Graphene）的发现让人们看到了希望。石墨烯（Graphene）是由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，是石墨中的一层。图1所示为石墨烯的基本结构示意图。石墨烯具有零禁带特性，能带结构就像一个大写字母的X, 同时，石墨烯还具有远比硅高的载流子迁移率,所以它是一种性能优异的半导体材料。基于其独特的二维结构和物理特性，石墨烯被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。

石墨烯高电子迁移率的特性使其最早被应用在高频器件中，但是，零带隙特性却成为石墨烯应用在逻辑器件的一大障碍。研究发现，还原后的石墨烯氧化物（rGO，reduced Graphene Oxide）相比于石墨烯会出现介于0 eV到0.5 eV之间大小的禁带宽度，其电子迁移率仍可媲美掺杂的导电聚合物，是掺杂的氢化非晶硅的33,000倍。作为还原方法中的一种，使用C-AFM的电诱导还原方法对石墨烯氧化物进行还原，可以做到对还原物的纳米尺度的控制和还原程度的控制，是一种有效和新颖的方法，将进一步推动碳基集成电路的发展。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于石墨烯氧化物的还原的方法，该石墨烯氧化物的还原方法可以在未来超越硅材料后的碳基大规模集成电路制造中获得全面应用 。

本发明提出的石墨烯氧化物的还原方法，亦称石墨烯氧化物的形成及电诱导还原加工方法，具体步骤包括：

利用化学气相沉积方法在提供的高掺杂的硅片衬底上形成石墨烯层；

将所述石墨烯层经过氧化处理，形成石墨烯氧化物；

利用电压可控的纳米尺寸导电接触探针使得绝缘性的石墨烯氧化物还原为导电性的石墨烯，或者石墨烯与石墨烯氧化物的混合物。

进一步地，所述的氧化处理是采用反应离子刻蚀及远程等离子氧化，且选择半导体常用的刻蚀去胶设备进行氧化。使用导电原子力显微镜来完成电诱导还原，所述纳米尺寸导电接触探针是涂有15--30纳米PtIr层的导电探针（典型的如20纳米PtIr层），加在石墨烯氧化物和探针之间的压差应该在3V以上。另外，石墨烯氧化物所处的衬底是高掺杂的硅片（如高浓度p型掺杂的硅片），总处于低电位，在室温环境中，要求保持空气相对湿度最好高于25% 。

石墨烯氧化物可以看作是由石墨烯吸附大量氧离子功能团形成，调节功能团可以调制石墨烯的电学、光学等属性，同时石墨烯氧化物在一定的加电场条件下可以由相对绝缘性转换为导电性的石墨烯，或者石墨烯与石墨烯氧化物的混合物。

本发明采用接触探针电诱导还原方法对导电衬底上的石墨烯氧化物进行还原，可以做到对还原图形和还原程度的有效控制，类似于热探针还原方法。在室温下空气环境中，石墨烯氧化物表面会存在一层水膜，导电探针和样品之间的电压差会使水分子电解，产生的氢离子会被低电位的石墨烯氧化物所吸引而参与到石墨烯氧化物的还原过程当中。控制石墨烯氧化物与导电探针之间的不同压差可以控制石墨烯氧化物的还原程度，控制导电探针在石墨烯氧化物表面的走向可以控制还原得到的图形。因此，该工艺可以被称为石墨烯氧化物的形成及电诱导还原方法。

采用接触探针电诱导还原法对导电衬底上的石墨烯氧化物进行可控还原，通过控制探针电压来控制还原石墨烯氧化物的成分从而控制还原产物的电阻率。利用单原子尺寸导电接触探针对石墨烯氧化物进行还原是一种新颖的还原石墨烯氧化物的方法，它可以直接应用在纳米尺度的平面器件制备当中，大大简化了此种器件制备的复杂性。该方法也可以作为石墨烯基电子器件的基本加工工艺。

附图说明

图1为石墨烯基本结构示意图。

图2至图3为本发明提供的石墨烯氧化物的形成过程示意图。

图4和图5分别为本发明提供的还原后的石墨烯氧化物的示意图。

图6为本发明还原方法的装置图示。

具体实施方式