[发明专利]一种基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法及器件结构。

背景技术

自石墨烯问世以来，被发现具有其他碳家族成员所不具备的独特的物理特性，如反常整数量子霍尔效应，本征石墨烯的有限电导，以及普适光电导等。利用这些有趣的物理特性，科研人员对石墨烯的电学性能的应用上做了大量的研究，如光电器件,射频晶体管，逻辑开关及存储器件等，而对其电热效应及其应用研究较少。

用于微电子器件、光电子器件的新型半导体材料如ZnO、AlN、GaN等材料通常采用MOCVD，脉冲激光沉积，磁控溅射等手段制备时都需要较高的温度，而常用的加热方法是基于光学来加热部件，包括激光加热或者电子束加热。所谓激光加热利用连续激光器产生的激光，经过聚焦产生高温射束照射待加热部件，使部件局部表面瞬间达到所需温度。而电子束加热利用高温运动的电子轰击待加热部件的表面，使很高的动能迅速转变为热能，从而使部件局部迅速提高到所需的温度。但是，这些加热方法所使用的仪器庞大、操作也复杂，而且光斑的大小经常会使加热区域的尺寸不可控。

因此本申请提出一种基于石墨烯场效应管的微区加热结构原位制备薄膜材料的方法。该方法制备的器件结构为薄膜材料-金属电极-石墨烯-衬底，利用调节背栅电压来实现石墨烯加热达到不同材料生长所需的温度，从而实现石墨烯上材料的原位生长。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法，用于解决现有技术中进行材料制备时加热步骤复杂、加热区域不可控等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于石墨烯场效应管微区加热的原位材料生长的方法，所述方法至少包括步骤：

1)制备基于石墨烯的场效应管，所述石墨烯具有窄边微区结构，所述场效应管的背面设置有背栅；

2)在所述石墨烯两端的电极之间加电压源或电流源，通过调节背栅电压来调制所述窄边微区结构的电阻，使所述窄边微区结构产生高温；

3)在所述窄边微区结构表面原位生长材料层。

可选地，所述步骤1)中制备基于石墨烯的场效应管的步骤至少包括：

1-1)提供一目标衬底；

1-2)将制备的石墨烯转移到所述目标衬底的表面；

1-3)在所述石墨烯上依次旋涂第一光刻胶和第二光刻胶，对所述第一光刻胶进行曝光显影之后，对所述第二光刻胶进行显影以暴露石墨烯表面，所述第一光刻胶和第二光刻胶形成T型结构，在暴露的石墨烯表面沉积金属层，形成电极；

1-4)采用电子束曝光工艺图形化所述石墨烯，并通过氧化刻蚀工艺刻蚀所述石墨烯，从而形成具有窄边微区结构的石墨烯薄膜。

1-5)在所述目标衬底的背面沉积金属层形成背栅。

可选地，所述步骤1-2)中制备石墨烯的步骤为：

1-2-1)提供一生长衬底，对所述生长衬底进行抛光处理，并对所述生长衬底进行清洗；

1-2-2)将所述生长衬底置于反应腔中，对所述反应腔进行抽真空后通入H₂气并升温至一定温度，然后对所述生长衬底进行等离子体预处理；

1-2-3)保持通入H₂气并通入CH₄，采用等离子体增强化学气相沉积法于所述生长衬底表面生长石墨烯薄膜。

可选地，所述窄边微区结构所产生的高温温度范围为100～1200℃。

可选地，所述窄边微区结构的尺寸设置为50～200nm。

可选地所述石墨烯为规则且对称的图形。

可选地，所述石墨烯的图形形状为蛇型、哑铃型或镂空型。

可选地，在所述石墨烯两端施加的电流范围为I，0＜I≤0.2mA。

可选地，所述材料层为半导体材料层，所述的半导体材料层为ZnO、GaN、AlN、SnO₂、AZO、MoS₂、WS、GaS、GaP、ZnS、InAs、GaSb、CdSe、TiO₂、PbS、CdS中的一种。

本发明还提供一种利用上述方法获得的器件结构，所述器件结构至少包括：

基于石墨烯的场效应管，所述石墨烯具有窄边微区结构；

背栅，设置在所述场效应管的背面；

材料层，原位生长在所述窄边微区结构表面。