專利名稱：一種石墨烯霍爾元件的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石墨烯霍爾元件的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法，特別的，涉及一種采用和石墨烯直接接觸的SU-8有機(jī)薄膜結(jié)合無機(jī)薄膜的封裝結(jié)構(gòu)和封裝方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是由單層或少數(shù)幾層呈正六邊形排布的Sp2雜化C原子構(gòu)成的二維材料。該結(jié)構(gòu)中，碳原子間通過很強(qiáng)的σ鍵相連，保證了材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及優(yōu)異的力學(xué)性能；垂直于碳原子層平面的η鍵提供參與導(dǎo)電的自由電子，通常其中的自由電子遷移率和費米速度很高，使材料具有很好的電學(xué)性能。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性能，被廣泛用于電學(xué)、光學(xué)器件的制備和研究?；谑┑膱鲂?yīng)晶體管被用來構(gòu)建高速、低功耗的模擬
電路和數(shù)字電路，基于石墨烯的非對稱結(jié)構(gòu)被用來構(gòu)建高速光電子器件。此外，石墨烯還被用來作為氣體、液體、光學(xué)、磁學(xué)的傳感器件。通常，電子器件和電路必須要采取良好的封裝，以隔絕環(huán)境對器件的影響，從而保證電子器件和電路的穩(wěn)定性和可靠性。對于石墨烯電子器件和電路而言，由于其中的石墨烯只有幾個原子層厚，因而更加容易受環(huán)境的干擾，其性能的保持更加強(qiáng)烈地依賴于有效的封裝。和傳統(tǒng)的硅器件相比，石墨烯上并不容易生長上致密的氧化物形成較好的封裝，即使在石墨烯上生長上氧化物或者氮化物，器件的性能通常也會嚴(yán)重下降。因而需要尋找一種在不降低石墨烯電子器件前提下形成有效封裝的封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯霍爾元件的有效封裝結(jié)構(gòu)和封裝方法，所使用的封裝結(jié)構(gòu)和封裝方法能保證有效隔絕環(huán)境的影響又不降低器件性能。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種石墨烯霍爾元件，器件溝道由石墨烯2構(gòu)成，溝道通過接觸電極4下方的石墨烯2和外部電路連接。溝道上方為SU-8光刻膠有機(jī)薄膜3，膠上為氧化物或者氮化物構(gòu)成的無機(jī)薄膜6。需要指出的是，雖然有機(jī)薄膜下方和接觸電極下方都有石墨烯，并且這兩部分石墨烯是相連在一起的，但這兩部分石墨烯功能并不同，接觸電極之間的石墨烯(在此即有機(jī)薄膜3下方的石墨烯)是霍爾元件對磁場產(chǎn)生感應(yīng)信號的發(fā)生區(qū)域，通常稱為石墨烯溝道，而接觸電極下方的石墨烯通常只是將溝道中的信號輸出到接觸電極或者將接觸電極中的信號輸入到溝道。由于這兩部分石墨烯是從同一石墨烯樣品制備得到的，因而本發(fā)明附圖并未刻意區(qū)分溝道部分的石墨烯和接觸電極下方的石墨烯。上述石墨烯可以是單層的或者多層的。上述SU-8光刻膠有機(jī)薄膜的厚度在50nm以上，主要用于保護(hù)溝道不受無機(jī)薄膜層的影響(例如遠(yuǎn)程散射造成溝道中載流子遷移率降低的影響)。上述薄膜通過液態(tài)的SU-8膠以旋涂方式形成，通過光學(xué)光刻及顯影形成需要的圖形，并通過烘烤進(jìn)一步固化。上述氧化物和氮化物通過原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、濺射或者蒸鍍等方法得到。上述有機(jī)薄膜層可以是單一的SU-8光刻膠薄膜，也可以在SU-8光刻膠上覆蓋有其他的有機(jī)薄膜。上述氧化物或氮化物也可以是雙層或者多層的。本發(fā)明所述封裝結(jié)構(gòu)為有機(jī)薄膜層和無機(jī)氧化物/氮化物膜形成的多層結(jié)構(gòu)，其中有機(jī)物層的作用在于1、在形成石墨烯溝道的過程保護(hù)其下方石墨烯不被刻蝕掉，并由此決定了石墨烯溝道形狀和尺寸；2、保護(hù)石墨烯不受上方無機(jī)薄膜的遠(yuǎn)程摻雜和遠(yuǎn)程散射的作用。具體可以包括下述步驟 I)在絕緣基底上制備石墨稀，或者在其它基底上生長石墨稀后再將石墨稀轉(zhuǎn)移到表面帶有絕緣層的襯底上，并在石墨烯上旋涂SU-8光刻膠薄膜，如圖2 (a)所示；2)在石墨烯上通過光學(xué)光刻和顯影得到所設(shè)計的SU-8的圖形，如圖2(b)所示，對于溝道為十字形的霍爾元件，其對應(yīng)的俯視圖如圖2(c)所示；3)在石墨烯上利用光學(xué)光刻制備器件接觸電極的圖形，然后沉積一層金屬，并通過剝離的方法形成接觸電極的形狀，如圖3 (a)，對于溝道為十字形的霍爾元件，其對應(yīng)的俯視圖如圖3(b)所示；接觸電極和SU-8圖形有部分重疊，該部分的電極金屬并不和石墨烯發(fā)生直接接觸，其他非重疊部分則和石墨烯直接接觸，并由此將電信號引入SU-8下方的石墨烯溝道；所沉積金屬厚度可以大于SU-8有機(jī)薄膜的厚度(如圖3 (a))，也可以小于SU-8有機(jī)薄膜的厚度(如圖3(c))。4)通過等離子刻蝕去除被電極和SU-8光刻膠薄膜保護(hù)之外的石墨烯。5)通過光學(xué)光刻形成測試電極圖形，然后沉積一層金屬，并通過剝離的方法形成測試電極的形狀，如圖4(a)。6)通過化學(xué)氣相沉積、濺射或者原子層沉積等方法在所得器件上制備一層致密的、電絕緣的無機(jī)物,例如，Si02、Si3N4或者A1203。7)通過光學(xué)光刻和顯影將測試電極正上方的無機(jī)物暴露出來，然后通過等離子刻蝕或者濕法刻蝕將測試電極正上方的無機(jī)薄膜去除掉，最終形成圖I所示的器件。上述步驟I)中，石墨烯可以在SiC基底上通過外延法制備或者在SiO2基底上用化學(xué)氣相沉積制備，或者在Cu、Ni、Pt、Ru等金屬上用化學(xué)氣相沉積制備然后通過腐蝕法或者電解法將石墨烯轉(zhuǎn)到到絕緣襯底上。上述步驟3)和5)中，電極可以采用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)、磁控濺射或者其它鍍膜方式制備。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為I、器件經(jīng)過本發(fā)明封裝方法處理后可以在空氣中穩(wěn)定工作；2、器件溝道部分的石墨烯其載流子遷移率在封裝前后基本保持不變；3、SU_8光刻膠薄膜既起到了封裝作用，又在溝道圖形形成過程中充當(dāng)了刻蝕阻擋層的作用，因而減少了工藝步驟，降低器件制備成本。


圖I顯示了一個封裝后的器件結(jié)構(gòu)圖，
I-襯底、2-石墨烯層(包括石墨烯溝道以及石墨烯溝道與接觸電極連接的石墨烯部分)、3-SU-8光刻膠薄膜、4-接觸電極、5-測試電極、6-無機(jī)氧化物/氮化物薄膜；圖2在石墨烯表面制備SU-8光刻膠有機(jī)薄膜流程圖；(a)顯示了將石墨烯轉(zhuǎn)移到表明帶有絕緣層的襯底上并在石墨烯表面涂上SU-8光刻膠有機(jī)薄膜的示意圖；(b)顯示了通過光刻得到的一個十字型的SU-8結(jié)構(gòu)的截面圖；(c)為十字型的SU-8結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖3為在SU-8光刻膠有機(jī)薄膜上制備接觸電極流程圖；
(a)顯示了制備好接觸電極后的器件的截面圖；(b)顯示了制備好接觸電極后的器件的俯視圖；(c)顯示了接觸電極厚度小于SU-8有機(jī)薄膜的厚度截面圖。圖4為制備測試電極及無機(jī)薄膜流程圖；(a)顯示了制備好測試電極后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，(b)顯示了在圖4(a)所示器件基礎(chǔ)上制備上無機(jī)薄膜后所得器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為封裝前后器件的性能對比圖；(a)顯示了沒有做封裝處理的石墨烯器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，(b)顯示了做了上述封裝處理后的石墨烯器件的轉(zhuǎn)移特性曲線；其中，器件所用襯底為表面帶有300nm SiO2的硅襯底，測試時硅襯底作為柵電極，石墨烯霍爾元件的兩個接觸電極分別作為源、漏電極，源漏電極之間的電壓為50mV，溝道中測量得到的電流Ids如圖中縱坐標(biāo)所示，測試過程所加?xùn)艠O電壓Vgs如圖中橫坐標(biāo)所示。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。如圖I所示的器件，其具體制備步驟如下I、通過化學(xué)氣相沉淀將石墨烯生長在Cu或者Pt基底上，然后通過化學(xué)腐蝕或者電解法將石墨烯轉(zhuǎn)移到襯底I上，并通過勻膠方式在石墨烯表明旋涂上SU-8光刻膠，如圖2 (a)所示；2、通過光學(xué)光刻的方法形成SU-8光刻膠薄膜3的形狀，并在高溫條件下(如200度)烘烤固化光刻膠薄膜，所得器件結(jié)構(gòu)截面圖和俯視圖分別如圖2(b)和(c)所示；3、通過光學(xué)光刻制備和石墨烯相接觸的電極的圖形，通過鍍膜和剝離的方法形成金屬電極4的形狀，所得器件結(jié)構(gòu)截面圖和俯視圖分別如圖3(a)和(b)所示；4、通過等離子刻蝕去除被接觸電極4和SU-8光刻膠有機(jī)薄膜3保護(hù)之外的石墨烯；5、通過光學(xué)光刻制備測試電極的圖形，通過鍍膜和剝離的方法形成測試電極5的形狀，如圖4(a)所示。6、通過原子層沉積、濺射或者蒸鍍等方法得到無機(jī)物薄膜6。7、通過光學(xué)光刻和顯影將測試電極正上方的無機(jī)物暴露出來，而其他部分無機(jī)氧化物/氮化物則被光刻膠覆蓋，然后通過等離子刻蝕或者濕法刻蝕將測試電極正上方的無機(jī)薄膜去除掉，測試電極區(qū)域之外的光刻膠可以保留在無機(jī)物上方或者用丙酮等有機(jī)溶劑去除。圖5為封裝前后器件的性能對比圖；其中，圖5(a)的實線代表器件在真空中的測量結(jié)果，虛線代表同一器件在空氣中的測量結(jié)果；圖5(b)實線部分實際上包含兩條幾乎重合的曲線，一條代表真空中的測試結(jié)果，另一條代表同一 器件在空氣中的測試結(jié)果。從圖中可以看出未做封裝處理的器件其特性明顯受空氣影響，而做了上述封裝處理的器件其特性不受周圍氣氛的影響。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯霍爾元件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于包括一石墨烯霍爾元件，所述石墨烯霍爾元件包括石墨烯層(2)，所述石墨烯層(2)包括石墨烯溝道以及與石墨烯溝道端口一體的接觸電極接觸端，石墨烯層(2)的接觸電極接觸端上表面設(shè)有接觸電極(4)，位于所述接觸電極(4)之間的所述石墨烯溝道上表面設(shè)有有機(jī)薄膜層(3)，所述有機(jī)薄膜層(3)上設(shè)有無機(jī)薄膜層(6)。
2.如權(quán)利要求I所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于有機(jī)薄膜層(3)為SU-8光刻膠薄膜層。
3.如權(quán)利要求I或2所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括測試電極(5)，所述測試電極(5)與所述接觸電極(4)接觸連接，所述接觸電極(4)上表面設(shè)有所述無機(jī)薄膜層(6)。
4.如權(quán)利要求I或2所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述測試電極(5)的外側(cè)設(shè)有所述無機(jī)薄膜層(6)。
5.如權(quán)利要求2所述的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于所述SU-8光刻膠薄膜層的厚度大于50nmo
6.一種如權(quán)利要求I所述封裝結(jié)構(gòu)的封裝方法，其特征在于在石墨烯霍爾元件接觸電極(4)之間的石墨烯溝道上表面制備有機(jī)薄膜層(3)，然后在所述有機(jī)薄膜層(3)上制備無機(jī)薄膜層(6)。
7.如權(quán)利要求6所述的封裝方法，其步驟為 1)在絕緣基底上制備石墨烯，或者將生長好的石墨烯轉(zhuǎn)移到絕緣基底上； 2)在該石墨烯上制備有機(jī)薄膜層，然后在該有機(jī)薄膜層上制備所設(shè)計的有機(jī)薄膜層圖形； 3)制備石墨烯溝道接觸電極圖形；然后沉積一層金屬，通過剝離的方法形成石墨烯溝道的接觸電極形狀； 4)去除被所述接觸電極和所述有機(jī)薄膜層保護(hù)之外的石墨烯； 5)制備測試電極圖形，然后沉積一層金屬，并通過剝離的方法形成測試電極的形狀；其中，所述測試電極與所述接觸電極接觸連接； 6)制備一無機(jī)薄膜層覆蓋上述所得器件結(jié)構(gòu)；然后去除覆蓋在所述測試電極上的部分無機(jī)薄膜層，暴露出部分所述測試電極。
8.如權(quán)利要求7所述的封裝方法，其特征在于通過在所述石墨烯上旋涂SU-8光刻膠制備所述有機(jī)薄膜層；通過對SU-8光刻膠光刻顯影制備所設(shè)計的有機(jī)薄膜層圖形。
9.如權(quán)利要求7或8所述的封裝方法，其特征在于所述接觸電極與所述有機(jī)薄膜層之間有部分重疊。
10.如權(quán)利要求8所述的封裝方法，其特征在于所述SU-8光刻膠薄膜層的厚度大于50nmo
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨烯霍爾元件的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法。本結(jié)構(gòu)包括一石墨烯霍爾元件，所述石墨烯霍爾元件包括石墨烯層，石墨烯層包括石墨烯溝道以及與石墨烯溝道端口一體的接觸電極接觸端，接觸電極接觸端上表面設(shè)有接觸電極，位于所述接觸電極之間的所述石墨烯溝道上表面設(shè)有有機(jī)薄膜層，所述有機(jī)薄膜層上設(shè)有無機(jī)薄膜層。本發(fā)明封裝方法為在石墨烯霍爾元件接觸電極之間的石墨烯溝道上表面制備有機(jī)薄膜層，然后在所述有機(jī)薄膜層上制備無機(jī)薄膜層。本發(fā)明的有機(jī)薄膜層既起到了封裝作用，又在溝道圖形形成過程中充當(dāng)了刻蝕阻擋層的作用，因而減少了工藝步驟，降低器件制備成本。
文檔編號H01L43/14GK102891251SQ201210340008
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者徐慧龍, 石潤伯, 張志勇, 彭練矛, 王勝 申請人:北京大學(xué)