專利名稱：石墨烯結(jié)構(gòu)及其制造方法、石墨烯器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及石墨烯,更具體地，涉及石墨烯結(jié)構(gòu)和制造石墨烯結(jié)構(gòu)的方法以及石墨烯器件和制造石墨烯器件的方法。
背景技術(shù)：
碳納米管(CNT)自上世紀(jì)九十年代起 已經(jīng)流行，近來正在對石墨烯積極開展研究，石墨烯可用于各種領(lǐng)域，包括納米電子、光電子和化學(xué)傳感器。石墨烯是具有數(shù)nm的厚度且其中碳原子二維排列的薄膜材料并具有非常高的電導(dǎo)率。除了與硅相比更高電荷遷移率的電特性之外，石墨烯是化學(xué)穩(wěn)定的并具有大的表面積。同時(shí)，為了使用石墨烯來形成晶體管的溝道，石墨烯的帶隙需要具有半導(dǎo)體特性，因此石墨烯需要具有約數(shù)nm的非常小的寬度。然而，如果石墨烯通過使用圖案化或蝕刻方法形成為具有小的寬度，則石墨烯可能不易以期望形狀形成在大面積上。此外，當(dāng)諸如晶體管的石墨烯器件通過使用具有小寬度的石墨烯制造時(shí)，石墨烯可能不易接合到電極。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供石墨烯結(jié)構(gòu)和制造該石墨烯結(jié)構(gòu)的方法以及石墨烯器件和制造該石墨烯器件的方法。額外方面將在以下的描述中部分闡述，并將部分地從該描述變得顯然，或者可以通過實(shí)踐給出的實(shí)施例而習(xí)知。根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種石墨烯結(jié)構(gòu)包括基板；生長層，形成在基板上并具有暴露的側(cè)表面；以及石墨烯層，從生長層的側(cè)表面生長。生長層可以包括金屬或鍺(Ge)。石墨烯結(jié)構(gòu)還可以包括形成得覆蓋生長層的上表面的保護(hù)層。石墨烯層可具有數(shù)nm的寬度。石墨烯結(jié)構(gòu)還可以包括至少一個(gè)生長層和至少一個(gè)保護(hù)層，交替堆疊在保護(hù)層上且具有暴露的側(cè)表面的；以及至少一個(gè)石墨烯層，從至少一個(gè)生長層的側(cè)表面生長。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種制造石墨烯結(jié)構(gòu)的方法包括在基板上交替形成至少一個(gè)生長層和至少一個(gè)保護(hù)層；形成具有預(yù)定形狀的凹槽以暴露至少一個(gè)保護(hù)層和至少一個(gè)生長層的側(cè)表面以及基板的上表面；以及從至少一個(gè)生長層的被凹槽暴露的側(cè)表面生長至少一個(gè)石墨烯層。該至少一個(gè)石墨烯層可以通過使用化學(xué)氣相沉積(CVD)法從至少一個(gè)生長層的暴露側(cè)表面生長。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種石墨烯器件包括至少一個(gè)溝道，包括第一石墨烯層；以及第一和第二電極，連接到該至少一個(gè)溝道的兩端并包括第二石墨烯層。第一和第二電極可以與至少一個(gè)溝道一體地形成。這里，第一石墨烯層可以垂直于第二石墨烯層形成并可以電連接到第二石墨烯層。
多個(gè)溝道可以形成在第一和第二電極之間，并可以沿水平方向和垂直方向中的至少一個(gè)對準(zhǔn)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種制造石墨烯器件的方法包括在基板上依次形成生長層和保護(hù)層；形成至少一個(gè)第一凹槽以及第二和第三凹槽，該至少一個(gè)第一凹槽用于暴露生長層和保護(hù)層兩者的側(cè)表面以及基板的上表面，該第二和第三凹槽用于暴露保護(hù)層的側(cè)表面和生長層的上表面；通過從生長層的被至少一個(gè)第一凹槽暴露的側(cè)表面生長至少一個(gè)第一石墨烯層，形成至少一個(gè)溝道；以及通過從生長層的被第二和第三凹槽暴露的上表面生長第二石墨烯層，形成第一和第二電極。第二和第三凹槽可以連接到至少一個(gè)第一凹槽的兩端。第一和第二電極可以與至少一個(gè)溝道一體形成。第一和第二石墨烯層可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)法從生長層的暴露側(cè)表面和上表面生長。


這些和/或其他方面將從以下結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述而變得明顯且更易于理解，附圖中圖I、圖2A和2B以及圖3A至3C是用于描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的制造石墨烯結(jié)構(gòu)的方法的圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的石墨烯結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖5、圖6A至6D以及圖7A至7D是用于描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的制造石墨烯器件的方法的圖；以及圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的石墨烯器件的平面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)參照實(shí)施例，實(shí)施例的示例示于附圖中，附圖中相似的附圖標(biāo)記始終指示相似的元件。在這點(diǎn)上，當(dāng)前的實(shí)施例可以具有不同的形式而不應(yīng)解釋為局限于這里給出的描述。因而，下面參照附圖描述實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明的各方面。圖I、圖2A和2B以及圖3A至3C是用于描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的制造石墨烯結(jié)構(gòu)的方法的圖。圖I是剖視圖，示出生長層120和保護(hù)層130依次形成在基板110上。參照圖1，一開始，生長層120形成在基板110上?；?10可以是例如硅基板，也可以由各種材料形成。生長層120可以通過以薄膜形式在基板110上沉積預(yù)定材料而形成。生長層120是石墨烯層140(見圖3A)從其生長的層，并可以由例如金屬或鍺(Ge)形成。這里，金屬可以包括但不限于過渡金屬諸如鎳(Ni)、鉬(Pt)、釕(Ru)、鈷(Co)、銥(Ir)和銅(Cu)。并且，如果生長層120由Ge形成，則石墨烯層140可以以未污染狀態(tài)生長均勻的厚度。生長層120可以具有例如約數(shù)nm的厚度。如后面將描述的那樣，生長層120的厚度決定石墨烯層140的寬度W。然后，保護(hù)層130形成在生長層120的上表面上。保護(hù)層130可以通過在生長層120的上表面上沉積例如硅氧化物而形成。同時(shí)，保護(hù)層130也可以由硅氧化物之外的材料形成。
圖2A是透視圖，示出凹槽150形成在保護(hù)層130和生長層120中。圖2B是沿圖2A的線IIB-IIB’截取的剖視圖。參照圖2A和2B，通過依次蝕刻保護(hù)層130和生長層120以預(yù)定形狀形成凹槽150。凹槽150暴露保護(hù)層130和生長層120兩者的側(cè)表面以及基板110的上表面。凹槽150可以通過使用蝕刻掩模(未示出)蝕刻保護(hù)層130和生長層120直到基板110的上表面被暴露而形成。圖3A是透視圖，示出石墨烯層140從生長層120的側(cè)表面生長。圖3B是沿圖3A的線IIIB-IIIB’截取的剖視圖。圖3C是圖3A的平面圖。參照圖3A至3C，石墨烯層140從生長層120的暴露側(cè)表面生長。也就是說，由于生長層120的側(cè)表面被凹槽150暴露，所以石墨烯層140僅從生長層120的暴露側(cè)表面生長。石墨烯層140可以通過使用例如化學(xué)氣相沉積(CVD)法生長。由于石墨烯層140從生長層120的側(cè)表面生長，所以石墨烯層140的寬度W與生長層120的厚度相同。這樣，石墨 烯層140可以具有例如約數(shù)nm的寬度。如果生長層120的厚度被調(diào)節(jié)，則可以獲得具有期望寬度的石墨烯層140。如上所述，如果生長層120的側(cè)表面被凹槽150暴露并且石墨烯層140從生長層120的暴露側(cè)表面生長，則具有非常小的寬度的石墨烯層140可以形成在大面積上。同時(shí)，盡管在以上描述中生長層120的兩個(gè)側(cè)表面被暴露且石墨烯層140從兩個(gè)暴露的側(cè)表面生長，但是當(dāng)前實(shí)施例不限于此，生長層120的一個(gè)側(cè)表面或者三個(gè)或更多側(cè)表面可以通過改變凹槽150的形狀而被暴露。石墨烯器件可以通過將電極(未示出)接合到圖3A至3C所示的石墨烯結(jié)構(gòu)來制造。備選地，石墨烯器件可以通過將電極僅接合到從圖3A至3C所示的石墨烯結(jié)構(gòu)分離的石墨烯層140來制造。圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的石墨烯結(jié)構(gòu)的剖視圖。參照圖4，第一生長層221、第一保護(hù)層231、第二生長層222和第二保護(hù)層232依次形成在基板210上。凹槽250形成在第一生長層221、第一保護(hù)層231、第二生長層222和第二保護(hù)層232中以暴露基板210的上表面。這樣,第一生長層221、第一保護(hù)層231、第二生長層222和第二保護(hù)層232的側(cè)表面也被凹槽250暴露。第一和第二石墨烯層241和242分別從第一和第二生長層221和222的暴露側(cè)表面生長。同時(shí)，盡管在圖4中第一和第二生長層221和222以及第一和第二保護(hù)層231和232作為示例交替堆疊在基板210上，但是當(dāng)前的實(shí)施例不限于此，三個(gè)或更多的生長層以及三個(gè)或更多的保護(hù)層可以交替堆疊在基板210上。圖4所示的制造石墨烯結(jié)構(gòu)的方法與圖1、2A和2B以及3A至3C所示的制造石墨烯結(jié)構(gòu)的方法相同，除了第一和第二生長層221和222以及第一和第二保護(hù)層231和232交替堆疊在基板210上之外，因此這里將不提供其詳細(xì)描述。如上所述，在當(dāng)前實(shí)施例中，具有非常小的寬度的第一和第二石墨烯層241和242可以沿垂直方向以及水平方向?qū)?zhǔn)。此外，石墨烯器件可以通過將電極(未示出)接合到具有三維對準(zhǔn)的第一和第二石墨烯層241和242的石墨烯結(jié)構(gòu)來制造。根據(jù)以上實(shí)施例，具有非常小的寬度的石墨烯可以容易地形成，并可以使用在各種器件中，諸如電子器件、光學(xué)器件、傳感器、電容器和能量器件。
圖5、圖6A至6D和圖7A至7D是用于描述根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的制造石墨烯器件的方法的圖。圖5是剖視圖，示出生長層320和保護(hù)層330依次形成在基板310上。參照圖5，一開始，生長層320形成在基板310上?；?10可以是例如硅基板，但不限于此。生長層320可以通過在基板310上以薄膜形式沉積例如金屬或Ge而形成。這里，金屬可以包括但不限于過渡金屬諸如Ni、Pt、Ru、Co、Ir和Cu。并且，如果生長層320由Ge形成，則石墨烯可以以無污染狀態(tài)生長均勻的厚度。生長層320可以具有例如約數(shù)nm的厚度。如將隨后描述的那樣，生長層320的厚度確定由第一石墨烯層形成的溝道343 (見圖7A和7B)的寬度。然后，保護(hù)層330形成在生長層320的上表面上。保護(hù)層330可以通過沉積例如硅氧化物在生長層320的上表面上而形成。圖6A是透視圖，示出形成第一、第二和第三凹槽351、352和353。圖6B是沿圖6A的線VIB-VIB’截取的剖視圖。圖6C是沿圖6A的線VIC-VIC’截取的剖視圖。圖6D是圖6A的平面圖。 參照圖6A至6D，第一凹槽351形成在保護(hù)層330和生長層320中以暴露基板310的上表面，第二和第三凹槽352和353形成在保護(hù)層330中以暴露生長層320的上表面。這里，第二和第三凹槽352和353連接到第一凹槽351的兩端。保護(hù)層330的側(cè)表面和生長層320的側(cè)表面也被第一凹槽351暴露，保護(hù)層330的其它側(cè)表面也被第二和第三凹槽352和353暴露。第一、第二和第三凹槽351、352和353可以通過蝕刻保護(hù)層330以暴露生長層320的上表面以及部分蝕刻生長層320的暴露上表面以暴露基板310的上表面而形成。這里，第一、第二和第三凹槽351、352和353不限于此，可以基于各種蝕刻次序形成。圖7A是透視圖，示出溝道343以及第一和第二電極341和342的形成。圖7B是沿圖7A的線VIIB-VIIB’截取的剖視圖。圖7C是沿圖7A的線VIIC-VIIC’截取的剖視圖。圖7D是圖7A的平面圖。參照圖7A至7D，石墨烯從生長層320的被第一、第二和第三凹槽351、352和353暴露的側(cè)表面和上表面生長。更具體地，生長層320的側(cè)表面被第一凹槽351暴露,第一石墨烯層從生長層320的暴露側(cè)表面生長。這樣，獲得由第一石墨烯層形成的溝道343。溝道343可以具有與生長層320的厚度對應(yīng)的約數(shù)nm的寬度。同時(shí)，如果調(diào)節(jié)生長層320的厚度，則可以形成具有期望寬度的溝道343。第二石墨烯層從生長層320的被第二和第三凹槽352和353暴露的上表面生長。這樣，獲得由第二石墨烯層形成的第一和第二電極341和342。由于第一和第二石墨烯層分別從生長層320的側(cè)表面和上表面生長，所以第一石墨烯層形成得垂直于第二石墨烯層。此外，第一和第二石墨烯層生長成彼此電連接。這樣，第一和第二電極341和342可以與溝道343 —體地形成。第一和第二石墨烯層可以通過使用例如CVD法生長。如上所述，如果第一和第二石墨烯層從生長層320的被第一、第二和第三凹槽351、352和353暴露的側(cè)表面和上表面生長，則可以獲得由石墨烯形成的溝道343以及第一和第二電極341和342。這樣,可以制造其中第一和第二電極341和342與溝道343 —體形成的石墨烯器件。因而，可以解決當(dāng)由金屬形成的電極接合到由石墨烯形成的溝道時(shí)可能引起的接合誤差。石墨烯器件可以用作例如晶體管。如果基板310、生長層320和保護(hù)層330從圖7A至7D所示的石墨烯器件去除，則可以制造僅包括由第一石墨烯層形成的溝道343和由第二石墨烯層形成的第一和第二電極341和342的電極集成石墨烯器件。然而，根據(jù)用途，圖7A至7D所示的石墨烯器件可以原樣使用。此外，盡管在以上描述中作為示例兩個(gè)溝道343形成在第一和第二電極341和342之間，但是如果第一凹槽351的形狀改變，則一個(gè)或者三個(gè)或更多溝道可以形成在第一和第二電極341和342之間。圖8示出具有四個(gè)溝道443的石墨烯器件。參照圖8，四個(gè)溝道343平行形成在第一和第二電極341和342之間。制造圖8所示的石墨烯器件的方法類似于圖5、圖6A至6D和圖7A至7D所示的制造石墨烯器件的方法。更具體地，生長層320和保護(hù)層330依次形成在基板310上，然后形成暴露基板 310的兩個(gè)第一凹槽(未示出)以及暴露生長層320的第二和第三凹槽(未示出)。然后，四個(gè)溝道443通過從生長層320的被兩個(gè)第一凹槽暴露的側(cè)表面生長第一石墨烯層而形成。第一和第二電極341和342通過從生長層320的被第二和第三凹槽暴露的上表面生長第二石墨烯層而形成。這里，第一和第二電極341和342可以與四個(gè)溝道443—體形成。如上所述，如果調(diào)節(jié)第一凹槽351的形狀或數(shù)目，則期望數(shù)目的溝道443可以形成在第一和第二電極341和342之間。如上所述，可以制造其中各種數(shù)目的溝道443形成在第一和第二電極341和342之間且與第一和第二電極341和342—體形成的石墨烯器件。這樣，可以增加流經(jīng)溝道443的電流的量。此外，由于所有的溝道443與第一和第二電極341和342 —體形成,所以可以實(shí)現(xiàn)具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的石墨烯器件。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或更多以上實(shí)施例，由于石墨烯從生長層的暴露側(cè)表面生長，所以具有非常小的寬度的石墨烯可以容易地形成在大面積上。此外，由于溝道和電極僅用石墨烯形成，所以電極可以與溝道一體地形成。這樣，可以防止電極與溝道之間的
接合誤差。應(yīng)當(dāng)理解，這里描述的示范性實(shí)施例應(yīng)當(dāng)僅在描述性意義上來理解而不用于限制。對每個(gè)實(shí)施例內(nèi)的特征或方面的描述應(yīng)當(dāng)通常被認(rèn)為可用于其他實(shí)施例中的其它類似特征或方面。本申請要求于2011年6月27日向韓國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請No. 10-2011-0062482的權(quán)益，其公開內(nèi)容通過引用整體合并于此。
權(quán)利要求
1.ー種石墨烯結(jié)構(gòu)，包括 基板； 生長層，形成在所述基板上并具有暴露的側(cè)表面；以及 石墨烯層，從所述生長層的側(cè)表面生長。
2.如權(quán)利要求I所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，其中所述生長層包括金屬或鍺(Ge)。
3.如權(quán)利要求I所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，其中所述石墨烯層具數(shù)nm的寬度。
4.如權(quán)利要求I所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，還包括形成為覆蓋所述生長層的上表面的保護(hù)層。
5.如權(quán)利要求4所述的石墨烯結(jié)構(gòu)，還包括 至少ー個(gè)生長層和至少ー個(gè)保護(hù)層，交替堆疊在所述保護(hù)層上且具有暴露的側(cè)表面；以及 至少ー個(gè)石墨烯層，從所述至少一個(gè)生長層的側(cè)表面生長。
6.一種制造石墨烯結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括 在基板上交替形成至少ー個(gè)生長層和至少ー個(gè)保護(hù)層； 形成具有預(yù)定形狀的凹槽以暴露所述至少一個(gè)保護(hù)層和所述至少一個(gè)生長層的側(cè)表面以及所述基板的上表面；以及 從所述至少ー個(gè)生長層的被所述凹槽暴露的側(cè)表面生長至少ー個(gè)石墨烯層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述至少一個(gè)生長層通過在所述基板上沉積金屬或鍺(Ge)來形成。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述至少ー個(gè)生長層具有數(shù)nm的厚度。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述至少一個(gè)保護(hù)層通過在所述至少ー個(gè)生長層上沉積硅氧化物而形成。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述至少ー個(gè)石墨烯層通過使用化學(xué)氣相沉積(CVD)法從所述至少ー個(gè)生長層的暴露側(cè)表面生長。
11.ー種石墨烯器件，包括 至少ー個(gè)溝道，包括第一石墨烯層；以及 第一和第二電極，連接到所述至少一個(gè)溝道的兩端并包括第二石墨烯層。
12.如權(quán)利要求11所述的石墨烯器件，其中所述第一和第二電極與所述至少一個(gè)溝道一體地形成。
13.如權(quán)利要求11所述的石墨烯器件，其中所述第一石墨烯層垂直于所述第二石墨烯層形成并電連接到所述第二石墨烯層。
14.如權(quán)利要求11所述的石墨烯器件，其中多個(gè)溝道形成在所述第一和第二電極之間，并沿水平方向和垂直方向中的至少ー個(gè)對準(zhǔn)。
15.如權(quán)利要求11所述的石墨烯器件，其中所述至少ー個(gè)溝道中的每個(gè)具有數(shù)nm的寬度。
16.一種制造石墨烯器件的方法，該方法包括 在基板上依次形成生長層和保護(hù)層； 形成至少ー個(gè)第一凹槽以及第ニ和第三凹槽，所述至少ー個(gè)第一凹槽用于暴露所述生長層和所述保護(hù)層兩者的側(cè)表面以及所述基板的上表面，所述第二和第三凹槽用于暴露所述保護(hù)層的側(cè)表面和所述生長層的上表面； 通過從所述生長層的被所述至少ー個(gè)第一凹槽暴露的側(cè)表面生長至少ー個(gè)第一石墨烯層來形成至少ー個(gè)溝道；以及 通過從所述生長層的被所述第二和第三凹槽暴露的上表面生長第二石墨烯層來形成第一和第二電極。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第二和第三凹槽連接到所述至少ー個(gè)第一凹槽的兩端。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一和第二電極與所述至少一個(gè)溝道一體地形成。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述至少ー個(gè)第一石墨烯層垂直于所述第二石墨烯層形成并電連接到所述第二石墨烯層。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述生長層通過在所述基板上沉積金屬或鍺(Ge)而形成。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述生長層具有數(shù)nm的厚度。
22.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述保護(hù)層通過在所述生長層上沉積硅氧化物而形成。
23.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一和第二石墨烯層通過使用化學(xué)氣相沉積(CVD)法從所述生長層的暴露側(cè)表面和上表面生長。
全文摘要
本發(fā)明提供石墨烯結(jié)構(gòu)及其制造方法、石墨烯器件及其制造方法。該石墨烯結(jié)構(gòu)包括基板；生長層，形成在基板上并具有暴露的側(cè)表面；以及石墨烯層，從生長層的側(cè)表面生長。
文檔編號H01L21/04GK102856354SQ20121001194
公開日2013年1月2日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者崔秉龍, 李銀京, 黃同穆 申請人:三星電子株式會(huì)社