石墨烯層及其形成方法以及器件及制造該器件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及石墨烯層、形成該石墨烯層的方法、包括該石墨烯層的器件以及制造該器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯在化學(xué)上和結(jié)構(gòu)上是穩(wěn)定的,并且表現(xiàn)出優(yōu)良的電和物理特性。例如,石墨烯具有高達(dá)大約2X105cm2/Vs的電荷迀移率,其比硅(Si)的電荷迀移率快一百倍以上,并且石墨烯具有大約10sA/cm2的電流密度,其比銅(Cu)的電流密度大一百倍以上。此外,石墨烯可具有非常高的費(fèi)米速度Vf。因而,石墨烯作為克服一般器件的當(dāng)前限制的下一代材料而受到關(guān)注。
[0003]因?yàn)槭┑母鞣N優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)進(jìn)行了關(guān)于石墨烯應(yīng)用于各種電子器件的許多研究。在這方面,必須向石墨烯提供半導(dǎo)體性質(zhì)。然而,在使用現(xiàn)有的方法時(shí),可能難以在石墨烯中形成具有優(yōu)良性能的P-N結(jié)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]—個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式提供具有優(yōu)良的物理性質(zhì)和特性的石墨烯層,以及形成該石墨烯層的方法。
[0005]—個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式還提供了具有優(yōu)良的P-N結(jié)特性的石墨烯層,以及形成該石墨烯層的方法。
[0006]—個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式還提供了其中在P-N結(jié)界面中存在的耗盡區(qū)的寬度相對(duì)小的石墨烯層,以及形成該石墨烯層的方法。
[0007]—個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式還提供了圖案化的石墨烯層以及形成這樣的石墨烯層的方法。
[0008]—個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式還提供了具有無(wú)缺陷的邊緣部分的石墨烯層,以及形成該石墨烯層的方法。
[0009]—個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式還提供了包括該石墨烯層的器件(例如,含石墨烯的器件)。
[0010]一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施方式還提供了制造包括這樣的石墨烯層的器件的方法。
[0011]根據(jù)示例性實(shí)施方式的一方面,提供一種形成石墨烯層的方法,該方法包括:在第一溫度使用第一源氣體在底層的第一區(qū)域上形成第一石墨烯;以及在第二溫度使用第二源氣體在底層的鄰近第一區(qū)域的第二區(qū)域上形成第二石墨烯,其中第一石墨烯和第二石墨烯的其中之一是P型石墨烯,第一石墨烯和第二石墨烯的另一個(gè)是N型石墨烯,并且第一石墨烯和第二石墨烯形成P-N結(jié)。
[0012]第一源氣體和第二源氣體可以彼此相同,并且第一溫度和第二溫度可以彼此不同。
[0013]第一源氣體和第二源氣體可以每個(gè)均包括含氮(N)的碳?xì)浠衔铩?br>[0014]含氮(N)的碳?xì)浠衔锟梢园ㄟ拎?C5H5N)。
[0015]第一溫度可以高于或等于700°C并且第二溫度可以低于或等于550°C。
[0016]第一石墨烯可以是P型石墨烯并且第二石墨烯可以是N型石墨烯。
[0017]第一石墨烯可以是通過(guò)被底層摻雜而產(chǎn)生的P型石墨烯,第二石墨烯可以是由來(lái)自第二源氣體的N型摻雜劑產(chǎn)生的N型石墨烯。
[0018]底層可以包括催化金屬。
[0019]催化金屬可以包括鉑(Pt)。
[0020]催化金屬還可以包括鎳(Ni)、銅(Cu)或銥(Ir)。
[0021 ] 第一源氣體和第二源氣體可以彼此不同。
[0022]第一源氣體和第二源氣體中的其中之一可以包括第一碳?xì)浠衔?,并且第一源氣體和第二源氣體中的另一個(gè)可以包括第二碳?xì)浠衔?,第一碳?xì)浠衔锟梢圆话?N),第二碳?xì)浠衔锟梢园?N)。
[0023]P型石墨烯可以使用第一碳?xì)浠衔镄纬?,N型石墨烯可以使用第二碳?xì)浠衔镄纬伞?br>[0024]第一碳?xì)浠衔锟梢园◤谋?C6H6)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)和三乙基硼烷(C6H15B)中選出的至少一種。
[0025]第一碳?xì)浠衔锟梢园ㄅ?B)。
[0026]第二碳?xì)浠衔锟梢园ㄟ拎?C5H5N)。
[0027]該方法還可以包括形成結(jié)合到第一石墨烯或第二石墨烯的第三石墨烯,其中第三石墨烯是P型石墨烯或N型石墨烯。
[0028]石墨烯層可以具有PNP結(jié)構(gòu)或NPN結(jié)構(gòu)。
[0029]第三石墨烯可以在低于大約550 °C的溫度或者低于大約500 °C的溫度形成。
[0030]形成底層可以包括:在基板上形成底材料層;以及通過(guò)圖案化底材料層形成彼此分離的多個(gè)底層。
[0031]根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的一方面,提供一種制造含石墨烯的器件的方法,該方法包括:通過(guò)使用以上描述的方法形成包括P-N結(jié)的石墨烯層;以及形成含石墨烯的器件的至少一部分,其中所述部分包括石墨烯層。
[0032]石墨烯層可以形成在第一基板上,并且在石墨烯層從第一基板轉(zhuǎn)移到第二基板之后,可以在第二基板上形成含石墨烯的器件的所述部分。
[0033]石墨烯層可以形成在第一基板上,并且含石墨烯的器件的所述部分可以形成在第一基板上。
[0034]根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的一方面,一種石墨烯層包括:P型石墨烯;以及結(jié)合到P型石墨烯的側(cè)部的N型石墨烯,其中形成在P型石墨烯和N型石墨烯之間的界面處的耗盡區(qū)具有小于或等于5nm的寬度。
[0035]耗盡區(qū)的寬度可以小于或等于2nm。
[0036]石墨烯層的整個(gè)邊緣部分可以具有沒(méi)有缺陷的Z字形結(jié)構(gòu)。
[0037]在P型石墨烯或N型石墨烯中,按區(qū)域計(jì)的摻雜濃度的偏差可以小于大約2.5X1012/cm2o
[0038]根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的一方面,一種含石墨烯的器件包括以上描述的石墨烯層。
[0039]含石墨烯的器件可以是二極管,并且還可以包括連接到P型石墨烯的第一電極以及連接到N型石墨稀的第二電極。
[0040]含石墨烯的器件可以是晶體管,并且石墨烯層可以被用作溝道層。
[0041]石墨烯層可以具有PNP結(jié)結(jié)構(gòu)或NPN結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0042]含石墨烯的器件可以包括從由隧穿器件、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、勢(shì)皇晶體管(barristor)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、存儲(chǔ)器件、太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器、傳感器和發(fā)光器件組成的組選出的任意一種。
[0043]根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的一方面,一種石墨烯器件包括:設(shè)置在第一區(qū)域中的N型石墨烯;以及設(shè)置在鄰近第一區(qū)域的第二區(qū)域中的P型石墨烯,其中N型石墨烯具有由碳(C)原子形成的晶體結(jié)構(gòu),其中一些碳(C)原子被第一原子取代,P型石墨烯具有僅由碳(C)原子形成的晶體結(jié)構(gòu)或其中晶體結(jié)構(gòu)中的一些碳(C)原子被不同于第一原子的第二原子取代的結(jié)構(gòu)。
[0044]第一原子可以包括例如氮(N)原子。
[0045]第二原子可以包括例如硼⑶原子。
[0046]形成在P型石墨烯和N型石墨烯之間的界面處的耗盡區(qū)可以具有小于或等于5nm的寬度。
[0047]耗盡區(qū)的寬度小于或等于2nm。
[0048]石墨烯層的整個(gè)邊緣部分可以具有無(wú)缺陷的Z字形結(jié)構(gòu)。
[0049]在P型石墨烯或N型石墨烯中,按區(qū)域計(jì)的摻雜濃度的偏差可以小于大約
2.5X1012/cm2o
[0050]石墨烯層的寬度可以是例如大約500nm或更小。
【附圖說(shuō)明】
[0051]從結(jié)合附圖對(duì)示例性實(shí)施方式的以下描述,以上和/或其它方面將變得明顯且更易于理解,在附圖中:
[0052]圖1A至IE是示出根據(jù)示例性實(shí)施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖;
[0053]圖2A至2D是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖;
[0054]圖3A至3D是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖;
[0055]圖4A至4F是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖;
[0056]圖5A至5F是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖;
[0057]圖6A至6D是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖;
[0058]圖7A至7D是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖;
[0059]圖8A至SC是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的形成石墨烯層的方法的透視圖;
[0060]圖9是示出根據(jù)示例性實(shí)施方式的石墨烯層的結(jié)構(gòu)的視圖;
[0061]圖10是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的石墨烯層的結(jié)構(gòu)的視圖;
[0062]圖11示出了通過(guò)根據(jù)比較示例的方法形成的具有P-N結(jié)的石墨烯層的X射線光電子能譜(XPS)圖像;
[0063]圖12是示出根據(jù)示例性實(shí)施方式的石墨烯層以及其邊緣部分的結(jié)構(gòu)的圖示;
[0064]圖13是示出根據(jù)比較示例的石墨烯層的邊緣部分的結(jié)構(gòu)的圖示;
[0065]圖14A至14C是示出根據(jù)示例性實(shí)施方式的制造含石墨烯的器件的方法的透視圖。
[0066]圖15A至15C是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖視圖;
[0067]圖16A至16C是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖視圖;
[0068]圖17A至17C是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖視圖;
[0069]圖18A和18B是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的制造含石墨烯的器件的方法的剖視圖;
[0070]圖19是示出根據(jù)另一示例性實(shí)施方式的石墨烯層的透視圖;
[0071]圖20是示出根據(jù)示例性實(shí)施方式形成的石墨烯層的掃描隧道顯微鏡(STM)圖像的圖示;
[0072]圖21A和21B示出了根據(jù)示例性實(shí)施方式形成的N型石墨烯的STM圖像;
[0073]圖22至26是示出根據(jù)示例性實(shí)施方式的可以用于形成石墨烯的各種源氣體的化學(xué)結(jié)構(gòu)的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0074]現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述各種示例性實(shí)施方式,在附圖中顯示出示例性實(shí)施方式。
[0075]將理解,當(dāng)元件被稱(chēng)為“連接”或“聯(lián)接”到另一元件時(shí),它能直接連接或聯(lián)接到另一元件,或者可以存在居間元件。相反,當(dāng)元件被稱(chēng)為“直接連接”或“直接聯(lián)接”到另一元件時(shí),則不存在居間元件。在此使用時(shí),術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)列舉項(xiàng)目的任意和所有組合。
[0076]將理解,雖然術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等等可以在此使用以描述不同的元件、部件、區(qū)域、層和/或部分,但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受這些術(shù)語(yǔ)限制。這些術(shù)語(yǔ)僅用于區(qū)分一個(gè)元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一元件、部件、區(qū)域、層或部分。因而,以下討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱(chēng)為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分,而不脫離示例性實(shí)施方式的教導(dǎo)。
[0077]空間關(guān)系術(shù)語(yǔ),諸如“在……下面”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等可以在此使用以便于描述,從而描述一個(gè)元件或特征與其它元件或特征如圖中所示的關(guān)系。將理解,除了圖中所描繪的取向之外,空間關(guān)系術(shù)語(yǔ)還旨在包含裝置在使用或操作中的其它不同取向。例如,如果在圖中的裝置被翻轉(zhuǎn),則被描述為在其它元件或特征“以下”或“下面”的元件可以被取向?yàn)樵谄渌蛱卣鳌吧戏健?。因而,示例性術(shù)語(yǔ)“在……下面”可以涵蓋上和下兩種取向。裝置可以被另外地取向(旋轉(zhuǎn)90度或其它取向),并且在此使用的空間關(guān)系描述語(yǔ)可以被相應(yīng)地解釋。
[0078]在此使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定實(shí)施方式,不旨在限制示例性實(shí)施方式。在此使用時(shí),單數(shù)形式“一”和“該”也旨在包括復(fù)數(shù)形式,除非上下文以別的方式清楚地表示。還將理解,當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用時(shí),術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包含”說(shuō)明所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件