石墨烯双异质结及其制备方法与流程

本发明属半导体技术领域，特别涉及一种石墨烯双异质结以及一种石墨烯双异质结的制备方法。

背景技术：

一种半导体材料生长在另一种半导体材料上所形成的接触过渡区称谓异质结，依照二种材料的导电类型分为同型异质结(pp或nn)或异型(pn或np)异质结。由于二种异质材料具有不同的物理化学参数(例如电子亲和势、带结构、介电常数和点阵常数等)，使异质结具有一系列同质结所没有的特性，在器件设计上将得到具有某些同质结不能实现的功能。譬如说，在异质结晶体管中用宽带一侧做发射极会得到很高的注入比，因此可以获得较高的放大倍数。

石墨烯独特的物理化学性质，有望在半导体、光伏、锂电池、生物、医疗、显示器等传统和新兴产业带来革命性进步。目前圆晶级石墨烯的制备方法有cvd外延生长法和sic高温热解法。cvd外延生长法缺点是能源消耗大，获得的石墨烯片层与衬底相互作用强，大多时候金属衬底上的石墨烯需要进行转移到绝缘介质上(如sio2等衬底)，再利用其电学特性进行器件制备。因此整个工艺复杂度较高，材料性能损失严重，材料易被污染，也由此带来工艺重复性等一系列问题。sic高温热解法是在超高真空条件下，通过电子轰击、酸清洗等手段去除单晶4h/6h-sic衬底上氧化物，再将衬底在真空或保护气体环境下(1250-1450℃)加热，使sic表面si原子升华，留下的c原子重构形成石墨烯。

随着石墨烯的广泛应用，如何提高其制作工艺并降低其制作成本变的越来越重要。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种石墨烯双异质结及其制备方法。

具体地，本发明的一个实施例提供了一种石墨烯双异质结的制备方法，包括：

(a)选取衬底材料；

(b)在所述衬底材料表面生长3c-sic外延层；

(c)利用热解法对所述3c-sic外延层进行处理形成石墨烯层。

其中，所述衬底材料为4h-sic或6h-sic。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

(b1)利用标准清洗工艺清洗所述衬底材料；

(b2)将所述衬底材料放入外延炉中，引入si源，加热至1350℃～1400℃；

(b3)保持温度不变并关闭si源，去除外延炉中的si源，引入硅烷和丙烷作为生长源气体，外延生长以形成所述3c-sic外延层。

在本发明的一个实施例中，所述3c-sic外延层厚度为0.1-1μm。

在本发明的一个实施例中，步骤(b3)中所述硅烷中的si元素和所述丙烷中的c元素比例为1:1。

在本发明的一个实施例中，所述硅烷的流量为21sccm，所述丙烷的流量为7sccm；外延生长时间为30min；所述3c-sic外延层厚度为0.5μm。

在本发明的一个实施例中，利用热解法对所述3c-sic外延层进行处理形成石墨烯层，包括：在1300～1500℃温度下，在氩气氛围中，以氯气作为辅助气体，对所述3c-sic层进行热解处理以在所述3c-sic外延层中形成所述石墨烯层。

本发明另一个实施例提供了一种石墨烯双异质结，包括：sic衬底、3c-sic层、石墨烯层；其中，所述石墨烯双异质结由上述任一实施例所述的方法制备形成

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提供的石墨烯/3c-sic/4h-sic双异质结结构，其中，以上三者能带差异很大，但三者之间的晶格匹配非常好，因此三者之间不需要过渡层即可实现低缺陷的双异质结制备；

2)本发明所有生长过程均可以用一台设备完成，有利于成本的降。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种石墨烯双异质结的制备方法流程图；

图2a-图2c为本发明另一实施例提供的一种石墨烯双异质结的制备工艺示意图；

图3a-图3d为本发明再一实施例提供的一种基于预刻蚀衬底的石墨烯双异质结的制备工艺示意图；

图4为本发明又一实施例提供的一种石墨烯双异质结的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种石墨烯双异质结的制备方法流程图，包括：

(a)选取衬底材料；

(b)在所述衬底材料表面生长3c-sic外延层；

(c)利用热解法对所述3c-sic外延层进行处理形成石墨烯层。

其中，所述衬底材料为4h-sic或6h-sic。

优选地，步骤(b)可以包括：

(b1)利用标准清洗工艺清洗所述衬底材料；

(b2)将所述衬底材料放入外延炉中，引入si源，加热至1350℃～1400℃；

(b3)保持温度不变并关闭si源，去除外延炉中的si源，引入硅烷和丙烷作为生长源气体，外延生长以形成所述3c-sic外延层。

其中，所述3c-sic外延层厚度为0.1-1μm。

其中，步骤(b3)中所述硅烷中的si元素和所述丙烷中的c元素比例为1:1。

优选地，所述硅烷的流量为21sccm，所述丙烷的流量为7sccm；外延生长时间为30min；所述3c-sic外延层厚度为0.5μm。

进一步地，利用热解法对所述3c-sic外延层进行处理形成石墨烯层，包括：在1300～1500℃温度下，在氩气氛围中，以氯气作为辅助气体，对所述3c-sic层进行热解处理以在所述3c-sic外延层中形成所述石墨烯层。

本发明提供的石墨烯/3c-sic/4h-sic双异质结结构，其中，以上三者能带差异很大，但三者之间的晶格匹配非常好，因此三者之间不需要过渡层即可实现低缺陷的双异质结制备。

实施例二

具体地，本实施例以在4h-sic衬底的si面生长石墨烯为例；详细介绍石墨烯/3c-sic/4h-sic双异质结的制备方法；

进一步地，该制备方法同样适用于4h-sic衬底的c面生长石墨烯或6h-sic衬底的si面生长石墨烯或者6h-sic衬底的c面生长石墨烯。

请参照图2a-图2c，图2a-图2c为本发明实施例提供的一种石墨烯双异质结的制备工艺示意图，该制备方法包括如下步骤：

s201、选取4h-sic衬底201，如图2a所示。

s202、利用rca标准清洗工艺，对所述衬底201材料进行清洗处理；

s203、在外延炉中引入si源，在外延炉中的si元素氛围下，将包括所述衬底201的整个材料加热至1350～1400℃；保持温度不变并关闭si源3min，然后去除外延炉中的si元素。

s204、如图2b所示，在外延炉中依次引入21sccm的硅烷和7sccm的丙烷，外延生长30min；以得到厚度为500nm的3c-sic外延层202。其中，生长3c-sic外延层202的过程中，可根据需要在生长过程中对外延层掺杂浓度和类型进行调整。

s206、如图2c所示，关闭氢气、各类源气体以及掺杂气体；在氩气氛围中，温度为1300～1500℃下；以氯气作为辅助气体，对所述3c-sic外延层进行热解处理，使所述3c-sic层表面的si原子升华，留下的c原子重构以形成所述石墨烯层203。其中，当石墨烯目标掺杂类型及浓度与3c-sic层不一致时，可通过离子注入及特定气氛下退火等方式对石墨烯层进行掺杂调整。

本发明中石墨烯、3c-sic和4h-sic之间禁带差异很大；其中，石墨烯为圆锥型能带，在sic衬底上可以打开一禁带宽度；3c-sic为无极化宽禁带半导体材料，其禁带宽度为2.3ev；4h-sic为极化宽禁带半导体，其禁带宽度为3.2ev。根据4h-sic极化特性的不同，在si面或c面上生长3c-sic外延层分别会在价带或导带产生量子阱，从而形成二维电子气或空穴气。进而形成一个极大的优势是三者能带差异很大，但三者之间的晶格匹配非常好，因此三者之间不需要过渡层即可实现低缺陷的双异质结制备。例如，3c-sic与4h-sic之间的晶格失配可以忽略不计。石墨烯与3c-sic之间由于异向匹配度非常好，晶格间的缺陷很少。

可采用原位掺杂方式调节sic表层的掺杂浓度。同时由于石墨烯的掺杂浓度与sic层的掺杂浓度有关，故最终石墨烯层的掺杂浓度亦可通过3c-sic层掺杂浓度调节。以vp508外延炉为例，当3c-sic外延层与石墨烯层掺杂类型相同时，所有流程可以在同一生长腔内完成；当外延3c-sic层与石墨烯层掺杂类型不同时，需要转换生长腔完成外延。所有生长过程均可以用一台设备完成。有利于成本的降低。

实施例三

进一步地，本实施例在上述实施例的基础上对衬底材料进行预刻蚀形成预刻蚀衬底。

具体地，请参照图3a-图3d，图3a-图3d为本发明实施例提供的一种石墨烯双异质结的制备工艺示意图，该制备方法包括如下步骤：

s301、选取4h-sic衬底301，如图3a所示。

s302、刻蚀所述4h-sic衬底301形成预刻蚀衬底302，如图3b所示。

s3021、在所述4h-sic衬底301连续淀积金属及光刻胶；

s3022、利用标准显影工艺，采用掩膜版，刻蚀所述光刻胶，形成所述预刻蚀图形；

s3023、利用icp或者rie刻蚀工艺，在所述4h-sic衬底刻蚀台面形成所述预刻蚀衬底302，其中，所述台面尺寸为500μm×500μm至5mm×5mm；深度为3μm。

s303、利用rca标准清洗工艺，对包括所述预刻蚀衬底302的整个材料进行清洗处理；其中，引入rca标准清洗工艺可去除干法刻蚀带来的污染。

s304、在外延炉中引入si源，在外延炉中的si元素氛围下，将包括所述预刻蚀衬底302的整个材料加热至1350～1400℃；保持温度不变并关闭si源3min，然后去除外延炉中的si元素。

s305、如图3c所示，在外延炉中依次引入21sccm的硅烷和7sccm的丙烷，外延生长30min；以得到厚度为500nm的3c-sic外延层303。其中，生长3c-sic外延层303的过程中，可根据需要在生长过程中对外延层掺杂浓度和类型进行调整。

s306、如图3d所示，关闭氢气、各类源气体以及掺杂气体；在氩气氛围中，温度为1300～1500℃下；以氯气作为辅助气体，对所述3c-sic外延层进行热解处理，使所述3c-sic层表面的si原子升华，留下的c原子重构以形成所述石墨烯层304。其中，当石墨烯目标掺杂类型及浓度与3c-sic层不一致时，可通过离子注入及特定气氛下退火等方式对石墨烯层进行掺杂调整。

本实施例通过预刻蚀sic衬底实现大面积、均匀连续、高结晶质量石墨烯的制备；可以有效隔离缺陷间的相互影响，从而在台面上可以制作质量更好的石墨烯材料以减小异质结结构的缺陷。

实施例四

请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种石墨烯双异质结的结构示意图。该石墨烯双异质结采用上述如图2a-图2c所示的制备方法制成。具体地，所述石墨烯双异质结包括：4h-sic衬底401、3c-sic层402及石墨烯层403。

综上，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。