[发明专利]一种在半绝缘硅面碳化硅上原位外延生长石墨烯PN结的方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯功能材料生长技术领域。具体而言，本发明涉及一种在半绝缘硅面碳化硅(SiC(0001))上生长石墨烯PN结的方法，更具体地，涉及一种在半绝缘硅面碳化硅上选区硼离子掺杂并进行高温外延生长石墨烯，实现在碳化硅上原位外延生长出石墨烯双极和多极器件的方法。

背景技术

石墨烯是一种新型的二维结构材料，其独特的能带结构、优异的电学性能、机械强度、良好的化学稳定性等使得其在基础科学研究中有着极其重要的研究意义，并且蕴藏着巨大的军事和商业应用价值。构建PN结是实现半导体光电器件广泛应用的核心，然而本征石墨烯带隙为零，限制了其在某些光电器件上的应用。尽管如此，理论预言石墨烯的PN结能够形成一种全新的、现代电子学中所没有的新器件。不同于现代半导体器件中PN结调控载流子的导通和关断，石墨烯的PN结可以操控载流子使其类似于光子在光组件中的行为，这就使得石墨烯PN结具有巨大的研究价值和应用潜力。

通过掺杂或静电栅调控石墨烯的载流子类型和载流子浓度，是目前普遍认可获得石墨烯PN结的有效方法。然而，现有的各种制备石墨烯双极或多极器件的方法或多或少存在一定的局限性。多极静电栅方法对载流子类型和载流子浓度的调控采用了许多复杂的器件工艺步骤，工艺成本昂贵，难以满足规模化制备的要求。而在石墨烯表面的化学掺杂会引入外来的官能团及外来原子掺杂缺陷，导致降低石墨烯的载流子迁移率。而通过物理吸附分子产生的掺杂稳定性差、易脱附，使石墨烯载流子极性和载流子浓度发生变化。而目前报道的所有方法都不可避免的要面对如何实现稳定、重复、可控、规模化的将石墨烯由化学气相沉积(CVD)方法生长在铜衬底上无损、有效的转移到事先准备好的载流子调控模板上的问题及实现不同掺杂浓度PN结的问题。这些实际问题的解决是实现可控、稳定、规模化制备石墨烯双极器件或多极器件的基础，是实现石墨烯PN结或多周期结构器件应用的前提。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种在半绝缘硅面碳化硅(SiC(0001))上原位外延生长石墨烯PN结的方法，该方法工艺简单、有潜在的应用价值。

本发明的方法是在半绝缘硅面碳化硅(SiC(0001))晶片上，通过离子注入硼离子的方法预先对碳化硅(SiC)衬底进行图形化的P区掺杂调控。对此图形化掺杂的碳化硅衬底，在真空系统中采用高温热解方法原位外延生长石墨烯。由于离子注入到碳化硅晶片中的硼离子扩散耦合进入石墨烯的晶格，导致碳化硅晶片上相应区域石墨烯的载流子呈空穴型导电，而半绝缘硅面碳化硅晶片原位外延生长的石墨烯为电子型导电，从而实现对碳化硅上石墨烯载流子极性和浓度在空间上的调控，制备出石墨烯PN结的结构材料。

本发明的在半绝缘硅面碳化硅(SiC(0001))晶片上原位生长石墨烯PN结的方法的实施步骤具体如下：

1)提供半绝缘硅面碳化硅晶片，清洗干净并干燥；

2)对步骤1)得到的半绝缘硅面碳化硅晶片进行选区硼离子注入；

3)将步骤2)得到的半绝缘硅面碳化硅晶片置于保护性气氛的生长炉中进行热退火处理；

4)在所述保护性气氛的生长炉中以高温热分解法处理步骤3)得到的半绝缘硅面碳化硅晶片，得到在碳化硅衬底上原位外延生长的石墨烯PN结；

其中，可以采用常规的半导体晶片的清洗方法清洗待用的半绝缘硅面碳化硅晶片，然后用氮气吹干。

所述半绝缘硅面碳化硅晶片的晶型是4H晶型或6H晶型。优选地，所述半绝缘硅面碳化硅晶片的电阻率大于10⁵Ω·cm。

在本发明的方法的一个实施方案中，在步骤1)中还可以将干燥后的半绝缘硅面碳化硅晶片进行表面刻蚀处理。

所述表面刻蚀处理可以通过下述步骤实现：

在石墨坩锅中放置一层碳化硅微粉，然后将清洗干净并干燥的所述半绝缘硅面碳化硅晶片置于所述微粉上，再将所述石墨坩埚置入真空炉中以1000～2000℃的温度热处理10～360分钟；

优选地，所述碳化硅微粉的半径小于1mm，所述碳化硅微粉的填装厚度大于1mm，所述真空炉的真空度小于10⁴Pa。

经过表面刻蚀处理的半绝缘硅面碳化硅晶片去除了晶片表面损伤层，形成有序的台阶形貌，有利于生长高质量的石墨烯。

除了上述对半绝缘硅面碳化硅晶片进行表面刻蚀处理的方法外，还可采用其它的常规方法实现，如用含活性氢原子的气体或硅烷等气体对碳化硅表面进行表面刻蚀处理的方法，在此不再赘述。