基于石墨烯電極的半導體器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于石墨烯電極的半導體器件，依次由襯底層、第一半導體層、有源層、第二半導體層和石墨烯電極層結(jié)合形成，采用加強電極通過釘扎固定結(jié)合方式將石墨烯電極層固定結(jié)合在第二半導體層上，使加強電極的材料和石墨烯電極層的石墨烯材料相互結(jié)合形成復合電極。本發(fā)明還公開了一種半導體器件的制備方法，采用石墨烯薄膜與協(xié)同導電材料構(gòu)成復合電極，并置于依次由襯底、導體層、有源層和半導體層形成體系之上，組成完整的器件結(jié)構(gòu)。本發(fā)明使石墨烯電極形成釘扎固定連接的復合結(jié)構(gòu)，提高了石墨烯和襯底間的粘附性，并可通過對石墨烯電極層的圖案化的控制，改善器件中的電流分布。
【專利說明】基于石墨烯電極的半導體器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導體器件及其制備工藝，還涉及一種具有石墨烯電極及其制備方法，應用于半導體器件結(jié)構(gòu)和制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由碳原子緊密堆積成的單原子層的晶體，具有很多獨特的性質(zhì)，如高的比表面積、良好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的導熱特性等。這些優(yōu)異的性能使石墨烯在納米電子器件、氣體傳感器、超級電容器和能量存儲等領(lǐng)域有很好的應用前景。特別的，石墨烯在可見光波段極高的透過率及良好的電學與熱傳輸性能，550nm時單層石墨烯理論透過率可達97.7%，使得其有潛力成為一種理想的透明導電材料。
[0003]近年來，采用石墨烯及其復合材料作為電極材料的研究很多，也取得了一定的效果，然而，需要指出的是，目前在絕緣襯底上制備高質(zhì)量的石墨烯還存在一定的技術(shù)障礙。目前采用的方法大都是先制備出石墨烯或氧化石墨烯，再采用一定方法轉(zhuǎn)移至目標襯底，石墨烯與襯底之間依靠范德華力結(jié)合，容易在后續(xù)的工藝中出現(xiàn)分離或脫落的現(xiàn)象，從而影響器件的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種基于石墨烯電極的半導體器件及其制備方法，使石墨烯電極形成釘扎固定連接的復合結(jié)構(gòu)，提高了石墨烯和襯底間的粘附性，并可通過對石墨烯電極層的圖案化的控制，改善器件中的電流分布。
[0005]為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種基于石墨烯電極的半導體器件，依次由襯底層、第一半導體層、有源層、第二半導體層和石墨烯電極層結(jié)合形成，采用加強電極通過釘扎固定結(jié)合方式將石墨烯電極層固定結(jié)合在第二半導體層上，即利用加強電極穿透石墨烯電極層，并使加強電極的一個端部與第二半導體層直接接觸固定連接，使加強電極的另一個端部將石墨烯電極層壓緊固定在第二半導體層上，并且使加強電極表面和石墨烯電極層孔道表面之間通過范德華力進行固定結(jié)合，當?shù)谝话雽w層為P型半導體層時，第二半導體層為N型半導體層；或者當?shù)谝话雽w層為N型半導體層時，第二半導體層為P型半導體層，加強電極采用金屬、導電金屬氧化物或者導電復合材料制成，使加強電極的材料和石墨烯電極層的石墨烯材料相互復合形成結(jié)合電極。
[0006]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，穿過石墨烯電極層的加強電極部分的截面與石墨烯電極層孔道的截面皆為設定形狀的圖形。
[0007]上述石墨烯電極層優(yōu)選采用石墨烯薄膜，最好具有1-10層單原子石墨層。
[0008]上述加強電極的材料優(yōu)選采用Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材料；或者優(yōu)選采用氧化銦錫、氧化鋅、添加有鎵的氧化鋅和添加有鋁的氧化鋅中的任意一種金屬氧化物材料或者任意幾種金屬氧化物的復合材料；上述加強電極的材料尤其優(yōu)選Au。
[0009]本發(fā)明基于石墨烯電極的半導體器件的制備方法，包括以下步驟:
a.制備所需石墨烯薄膜；石墨烯薄膜最好具有1-10層單原子石墨層，優(yōu)選采用化學氣相沉積法、氧化還原法或機械剝離法制備石墨烯薄膜，將石墨烯薄膜設置在依次由襯底、N型半導體層、有源層、P型半導體層形成的一種半導體器件體系的P型半導體層之上，或者將石墨烯薄膜設置在依次由襯底、P型半導體層、有源層、N型半導體層形成的另一種半導體器件體系的N型半導體層之上，使石墨烯薄膜與P型半導體層直接接觸并固定結(jié)合，或者使石墨烯薄膜與N型半導體層直接接觸并固定結(jié)合；上述襯底為透明襯底或非透明襯底，透明襯底優(yōu)選采用玻璃、石英或PET，非透明襯底優(yōu)選采用藍寶石或硅片；
b.將在上述步驟a中設置于P型半導體層上或N型半導體層上的石墨烯薄膜進行圖形化，為石墨烯薄膜制作圖案化孔洞；石墨烯薄膜的圖形化孔洞優(yōu)選采用光刻、等離子體刻蝕、激光刻蝕中的任意一種制作方法或者任意幾種制作方法的組合制作方法；
c.將在上述步驟b中制作的石墨烯薄膜的圖案化孔洞中沉積協(xié)同導電材料，形成完整的器件結(jié)構(gòu)，使石墨烯薄膜與協(xié)同導電材料制備構(gòu)成復合電極層，協(xié)同導電材料為金屬、導電金屬氧化物或者導電復合材料，協(xié)同導電材料與P型半導體層緊密固定結(jié)合，或者協(xié)同導電材料與N型半導體層層緊密固定結(jié)合，協(xié)同導電材料和石墨烯薄膜的孔道的石墨烯材料之間通過范德華力進行固定結(jié)合，即協(xié)同導電材料通過釘扎固定結(jié)合方式將石墨烯薄膜固定結(jié)合在P型半導體層上或N型半導體層上；優(yōu)選采用真空熱蒸發(fā)、電子束沉積、磁控濺射中的任意一種制作方法或任意幾種制作方法的組合制作方法，將協(xié)同導電材料沉積到石墨烯薄膜的圖形化孔洞中，使協(xié)同導電材料與石墨烯薄膜結(jié)合固定；協(xié)同導電材料優(yōu)選采用Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材料；或者優(yōu)選采用氧化銦錫、氧化鋅、添加有鎵的氧化鋅和添加有鋁的氧化鋅中的任意一種金屬氧化物材料或者任意幾種金屬氧化物的復合材料；上述協(xié)同導電材料尤其優(yōu)選Au。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明利用電極材料與半導體間的良好接觸，在石墨烯圖形化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對石墨烯薄膜的釘扎，有效的改善了石墨烯與襯底粘附不良，易分離脫落的問題；
2.本發(fā)明通過對石墨烯薄膜圖形的優(yōu)化，可以實現(xiàn)對電流分布的改善，以此來提高整體器件的電器性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明實施例一基于石墨烯電極的半導體器件的層次結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是沿圖1中A-A線的剖視圖。
[0013]圖3是本發(fā)明實施例二基于石墨烯電極的半導體器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
實施例一:
在本實施例中，參見圖1和圖2，一種基于石墨烯電極的半導體器件，依次由襯底層6、第一半導體層5、有源層4、第二半導體層3和石墨烯電極層2結(jié)合形成，加強電極I采用金制成金電極，襯底層6為藍寶石,第一半導體層5為N型氮化鎵,第二半導體層3為P型氮化鎵，使金電極通過釘扎固定結(jié)合方式將石墨烯電極層2，固定結(jié)合在P型氮化鎵上，即利用金電極穿透石墨烯電極層2，并使金電極的一個端部與P型氮化鎵直接接觸固定連接，使金電極的另一個端部將石墨烯電極層2壓緊固定在P型氮化鎵上，并使金電極和石墨烯電極層2孔道表面之間通過范德華力進行固定結(jié)合，使金電極和石墨烯電極層2的石墨烯材料相互復合形成結(jié)合電極。在本實施例中，參見圖1和圖2，穿過石墨烯電極層2的金電極部分的截面與石墨烯電極層2孔道的截面皆為設定形狀的圖形，石墨烯電極層2設有一個孔道。
[0015]在本實施例中，參見圖1和圖2，基于石墨烯電極的半導體器件的制備方法，包括以下步驟:
a.石墨烯薄膜的制備:將厚度為25微米，純度99.8wt%的面積為Icm X Icm的銅箔，依次在丙酮、異丙醇、去離子水中超聲清洗20分鐘，氮氣吹干；然后置于CVD反應室中，抽真空至反應室中壓強降至IPa以下，采用氫氣體積含量為10%的氫氣和氬氣混合氣體，將混合氣體通入CVD反應室中，并維持CVD反應室內(nèi)氣體壓力至常壓，重復此步驟3次后，控制混合氣體流量為lOOsccm，升溫至1000度，通入碳源前驅(qū)體CH4/C2H4/C2H2，流量為20sccm，壓強650Pa下保溫30分鐘，切斷碳源前驅(qū)體，保持混合氣體流速不變，降溫至室溫；
b.石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移:將在上述步驟a中所得銅襯底上石墨烯薄膜旋涂一層光刻膠，180度Imin烘干，置于lmol/L硝酸鐵水溶液中刻蝕去除銅襯底，去離子水中漂洗3次，選用具有藍寶石/N型氮化鎵/P型氮化鎵結(jié)構(gòu)體系的襯底撈取，真空干燥箱中70°C 3小時烘干，使石墨烯薄膜與P型氮化鎵直接接觸并固定結(jié)合，形成藍寶石/N型氮化鎵/P型氮化鎵/石墨烯結(jié)構(gòu)；
c.光刻陰極圖形，采用感應耦合等離子體刻蝕至露出N型氮化鎵，其中，采用O2和N2H2氣源刻蝕石墨烯薄膜，Cl2和BCH3氣源刻蝕氮化鎵外延層，將石墨烯薄膜圖形化，根據(jù)所需陽極金屬圖形，采用特定的掩膜版進行光刻，等離子體刻蝕去除暴露的石墨烯薄膜部分，隨后采用氧氣等離子體刻蝕除去光刻膠，在石墨烯薄膜形成圖案化孔洞，如圖2中的圖形化金屬釘扎圖案；
d.金屬沉積:將在上述步驟c中制作的石墨烯薄膜的圖案化孔洞中采用電子束沉積法沉積IOOnm金作為電極，形成完整的器件結(jié)構(gòu)，使石墨烯薄膜與金電極構(gòu)成復合電極層，金電極與P型氮化鎵半導體層緊密固定結(jié)合，金電極和石墨烯薄膜的孔道的石墨烯材料之間通過范德華力進行固定結(jié)合，即金電極通過釘扎固定結(jié)合方式將石墨烯薄膜固定結(jié)合在P型氮化鎵半導體層上。
[0016]在本實施例中，參見圖1和圖2，金電極的圖形化由石墨烯薄膜圖形化和金沉積制備金電極兩步組成，金電極穿透石墨烯薄膜與半導體層直接接觸，本實施例利用金電極材料與半導體的良好接觸對石墨烯實現(xiàn)釘扎，解決了石墨烯與基底的粘附性差的問題，并通過對電極圖案的優(yōu)化，改善了電流分布，提高了器件的出光與散熱性能。
[0017]實施例二:
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于:
在本實施例中，參見圖3，一種基于石墨烯電極的半導體器件，依次由襯底層6、第一半導體層5、有源層4、第二半導體層3和石墨烯電極層2結(jié)合形成，加強電極I采用ITO/ZnO制成ITO/ZnO電極，襯底層6為SiC，第一半導體層5為N型氮化鎵，第二半導體層3為P型氮化鎵，使ITO/ZnO電極通過釘扎固定結(jié)合方式將石墨烯電極層2，固定結(jié)合在P型氮化鎵上，即利用ITO/ZnO電極穿透石墨烯電極層2，并使ITO/ZnO電極的一個端部與P型氮化鎵直接接觸固定連接，使ITO/ZnO電極的另一個端部將石墨烯電極層2壓緊固定在P型氮化鎵上，并且使ITO/ZnO電極和石墨烯電極層2孔道表面之間通過范德華力進行固定結(jié)合，使ITO/ZnO電極和石墨烯電極層2的石墨烯材料相互復合形成結(jié)合電極。在本實施例中，參見圖3，穿過石墨烯電極層2的ITO/ZnO電極部分的截面與石墨烯電極層2孔道的截面皆為設定形狀的圖形，石墨烯電極層2設有兩個孔道，本實施例采用多通道ITO/ZnO電極，使ITO/ZnO電極材料與半導體更好地進行接觸，對石墨烯進行更牢固的釘扎，同時通過對電極圖案的優(yōu)化，更有效改善了電流分布，提高了器件的出光與散熱性能。
[0018]在本實施例中，參見圖3，基于石墨烯電極的半導體器件的制備方法，包括以下步驟:
①石墨烯薄膜的制備:將具有依次由SiC/N型氮化鎵/P型氮化鎵形成的結(jié)構(gòu)的外延片在丙酮、異丙醇、去離子水中超聲清洗20分鐘，氮氣吹干，依次沉積厚度為25nm的鎳和厚度為IOnm的Au,置于CVD反應室中，米用氫氣體積含量為10%的氫氣和IS氣混合氣體,將混合氣體通入CVD反應室中，控制混合氣體流量為80sccm，通入碳源前驅(qū)體CH4/C2H4/C2H2，流量lOsccm，升溫至500攝氏度，壓強650Pa下保溫10分鐘，切斷碳源前驅(qū)體，保持氣體流速不變，降溫至室溫；
②光刻陰極圖形，采用感應耦合等離子體刻蝕至露出N型氮化鎵，其中，采用O2和N2H2氣源刻蝕石墨烯薄膜，Cl2和BCH3氣源刻蝕氮化鎵外延層，將石墨烯薄膜圖形化，根據(jù)所需陽極金屬圖形，采用特定的掩膜版進行光刻，等離子體刻蝕去除暴露的石墨烯薄膜部分，隨后采用氧氣等離子體刻蝕除去光刻膠，在石墨烯薄膜形成圖案化孔洞；
③金屬沉積:將在上述步驟②中制作的石墨烯薄膜的圖案化孔洞中采用電子束沉積法沉積厚度為IOOnm的ITO/ZnO作為協(xié)同導電電極材料，形成完整的器件結(jié)構(gòu)，使石墨烯薄膜與ITO/ZnO電極構(gòu)成復合電極層，ITO/ZnO電極與P型氮化鎵半導體層緊密固定結(jié)合，ITO/ZnO電極和石墨烯薄膜的孔道的石墨烯材料之間通過范德華力進行固定結(jié)合，即ITO/ZnO電極通過釘扎固定結(jié)合方式將石墨烯薄膜固定結(jié)合在P型氮化鎵半導體層上。
[0019]在本實施例中，采用將SiC/N型氮化鎵/P型氮化鎵形成的結(jié)構(gòu)的外延片直接在CVD反應室中直接沉積制備石墨烯薄膜，不需要進行石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移，使基于石墨烯電極的半導體器件的制備工藝更加簡捷和易于控制，有效防止器件制備過程中導致石墨烯薄膜破損，也有效地防止了雜質(zhì)的引入，可以制備高質(zhì)量的理想器件。
[0020]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明基于石墨烯電極的半導體器件及其制備方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于石墨烯電極的半導體器件，依次由襯底層(6)、第一半導體層(5)、有源層(4)、第二半導體層(3)和石墨烯電極層(2)結(jié)合形成，其特征在于:采用加強電極(I)通過釘扎固定結(jié)合方式將所述石墨烯電極層(2)固定結(jié)合在所述第二半導體層(3)上，即利用加強電極(I)穿透所述石墨烯電極層(2)，并使所述加強電極(I)的一個端部與所述第二半導體層(3)直接接觸固定連接，使所述加強電極(I)的另一個端部將所述石墨烯電極層(2)壓緊固定在所述第二半導體層(3)上，并且使所述加強電極(I)表面和所述石墨烯電極層(2)孔道表面之間通過范德華力進行固定結(jié)合，當所述第一半導體層(5)為P型半導體層時，所述第二半導體層(3)為N型半導體層；或者當所述第一半導體層(5)為N型半導體層時，所述第二半導體層(3 )為P型半導體層，所述加強電極(I)采用金屬、導電金屬氧化物或者導電復合材料制成，使所述加強電極(I)的材料和所述石墨烯電極層(2)的石墨烯材料相互結(jié)合形成復合電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于石墨烯電極的半導體器件，其特征在于:穿過所述石墨烯電極層(2)的所述加強電極(I)部分的截面與所述石墨烯電極層(2)孔道的截面皆為設定形狀的圖形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于石墨烯電極的半導體器件，其特征在于:所述石墨烯電極層(2)為石墨烯薄膜，具有1-10層單原子石墨層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3中任意一項所述基于石墨烯電極的半導體器件，其特征在于:所述連加強電極(I)的材料為Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材 化物材料或者任意幾種金屬氧化物的復合材料。
5.一種權(quán)利要求1所述基于石墨烯電極的半導體器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: a.制備所需石墨烯薄膜，使石墨烯薄膜設置在依次由襯底、N型半導體層、有源層、P型半導體層形成的一種半導體器件體系的P型半導體層之上，或者使石墨烯薄膜設置在依次由襯底、P型半導體層、有源層、N型半導體層形成的另一種半導體器件體系的N型半導體層之上，使石墨烯薄膜與P型半導體層直接接觸并固定結(jié)合，或者使石墨烯薄膜與N型半導體層直接接觸并固定結(jié)合； b.將在上述步驟a中設置于P型半導體層上或N型半導體層上的石墨烯薄膜進行圖形化，為石墨烯薄膜制作圖案化孔洞； c.將在上述步驟b中制作的石墨烯薄膜的圖案化孔洞中沉積協(xié)同導電材料，形成完整的器件結(jié)構(gòu)，使石墨烯薄膜與協(xié)同導電材料制備構(gòu)成復合電極層，所述協(xié)同導電材料為金屬、導電金屬氧化物或者導電復合材料，所述協(xié)同導電材料與P型半導體層緊密固定結(jié)合，或者所述協(xié)同導電材料與N型半導體層層緊密固定結(jié)合，所述協(xié)同導電材料和所述石墨烯薄膜的孔道的石墨烯材料之間通過范德華力進行固定結(jié)合，即所述協(xié)同導電材料通過釘扎固定結(jié)合方式將石墨烯薄膜固定結(jié)合在P型半導體層上或N型半導體層上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于石墨烯電極的半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟b中，所述石墨烯薄膜的圖形化孔洞選擇光刻、等離子體刻蝕、激光刻蝕中的任意一種制作方法或者任意幾種制作方法的組合制作方法。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于石墨烯電極的半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟C中，選擇真空熱蒸發(fā)、電子束沉積、磁控濺射中的任意一種制作方法或任意幾種制作方法的組合制作方法，將協(xié)同導電材料沉積到所述石墨烯薄膜的圖形化孔洞中，使協(xié)同導電材料與石墨烯薄膜結(jié)合固定。
8.根據(jù)權(quán)利要求5~7中任意一 項所述基于石墨烯電極的半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟c中，所述協(xié)同導電材料為Au、Ag、Cr、Pt、N1、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材料；或者為氧化銦錫、氧化鋅、添加有鎵的氧化鋅和添加有鋁的氧化鋅中的任意一種金屬氧化物材料或者任意幾種金屬氧化物的復合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求5~7中任意一項所述基于石墨烯電極的半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟a中，石墨烯薄膜具有1-10層單原子石墨層，采用化學氣相沉積法、氧化還原法或機械剝離法制備石墨烯薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求5~7中任意一項所述基于石墨烯電極的半導體器件的制備方法，其特征在于:在上述步驟a中，所述襯底為透明襯底或非透明襯底，透明襯底采用玻璃、石英或PET，非透明襯底采用藍寶石或硅片。
【文檔編號】H01L33/42GK103904186SQ201410121150
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】楊連喬, 馮偉, 王浪, 張建華 申請人:上海大學