技术领域
[0001] 本
发明涉及一种半导体石墨晶圆的制备方法,尤其涉及一种
硼、氮掺杂半导体石墨晶圆 的制备方法及其应用。
背景技术
[0002] 随着现代社会的进步和发展,半导体产业一方面顺承智能终端,
物联网,5G通信,智 能家居和
汽车电子等新兴领域的“全球制造重任”,占据大部分高弹性增量市场;另一方面 超过2700亿美元的年进口产品替代空间,其他电子产品难以比拟。
石墨烯材料具有极为优 异的载流子迁移率,高透明,高柔性等特点,有望在半导体领域中起到重要的作用。但是制 备大尺寸石墨烯材料极为困难,例如:采用微机械剥离高定向
热解石墨法,
化学气相沉积法,
氧化石墨烯法等,均较难得到具有优异性质的大尺寸石墨烯。
发明内容
[0003] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种简单、可控地制备半导体石墨晶圆 的方法。
[0004] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的:
[0005] 一种制备半导体石墨晶圆的方法,将含硼或氮的氧化石墨烯配制成浓度0.05-10mg/ml 的
乙醇溶液,然后采用匀胶机以300-6000rpm的转速
旋涂于含有氧化
硅的硅晶圆表面,干 燥后置入气氛炉中,于200-500℃的
温度下恒温
热处理5-60分钟,得到半导体石墨晶圆。
[0006] 优选的,所述含硼的氧化石墨烯的硼含量为0.05-10%,更优选为0.1-2%。
[0007] 优选的,所述含氮的氧化石墨烯的氮含量为0.1-12%,更优选为0.2-3%。
[0008] 优选的,所述乙醇溶液中含硼或氮的氧化石墨烯的浓度为0.5-2mg/ml。
[0009] 优选的,所述匀胶机的转速在3000-6000rpm之间。
[0010] 优选的,所述热处理的温度为300-450℃。
[0011] 优选的,所述热处理的恒温时间为10-30分钟。
[0012] 优选的,所述气氛炉的气氛为氢气、氩气、氮气中的一种。
[0013] 优选的,所述含有氧化硅的硅晶圆包括硅衬底和
二氧化硅绝缘层,所述二氧化硅绝缘 层的厚度为30-500nm。
[0014] 上述方法制备的半导体石墨晶圆在场效应管的应用。
[0015] 本发明的有益效果在于:
[0016] 含有硼或氮的氧化石墨烯乙醇溶液利用旋涂法在不同尺寸的含有二氧化硅绝缘层的硅 晶圆表面涂覆得到含有硼或氮的氧化石墨烯涂层,氧化石墨烯涂层在管式炉内加热除去氧、 氢、硫等
原子,得到热还原氧化石墨烯涂层即掺杂硼或氮的石墨涂层,将石墨涂层利用
光刻、
磁控溅射等工艺制备成场效应管,得到具有高载流子迁移率的半导体石墨芯片。
[0017] 相比于
现有技术,本发明具有如下的特别效果:
[0018] (1)旋涂含硼或氮氧化石墨烯后热还原的方法得到半导体石墨晶圆,是一种优异的半导 体石墨材料,可广泛应用电子原器件,集成
电路,工业催化及航空航天等领域;(2)本发明 的制备方法较为简单,容易实现连续制备,具有成本低廉,易于规模化等特点。
具体实施方式
[0019] 下面通过
实施例对本发明进行具体描述,但本发明的技术范围并不限于这些实施例。
[0020] 本发明按如下步骤进行:
[0021] A将含硼或氮的氧化石墨烯与乙醇混合制成乙醇溶液,其中含硼或氮的氧化石墨烯的浓 度在0.05-10mg/ml;
[0022] B含硼或氮的氧化石墨烯乙醇溶液在含有氧化硅的硅晶圆表面进行旋涂,旋涂氧化石墨 烯时匀胶机的转速在300-6000rpm之间;
[0023] C旋涂后的晶圆置入气氛炉,加热温度在200-500℃之间,恒温5-60分钟,气氛为氢 气、氩气、氮气等;
[0024] D将晶圆进行光刻制备石墨场效应管,将硅晶圆表面的掺杂硼或氮石墨作为
沟道,金为 源漏
电极,背栅为重掺杂的P型硅晶圆,绝缘层为SiO2,然后利用半导体参数测试仪(keithley 4200A SCS)进行测试。
[0025] 实施例1
[0026] 将含硼氧化石墨烯(硼含量0.5%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为 1mg/ml,匀胶机的转速为600rpm,二氧化硅的厚度为200nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至400℃并恒温60分钟,得到半导体石墨晶圆。含硼石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨晶圆。P型半导体石墨晶圆所制 得的石墨
场效应晶体管的载流子迁移率为850-1200cm2/V·s。
[0027] 将含氮氧化石墨烯(氮含量1%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为 1mg/ml,匀胶机的转速为600rpm,二氧化硅的厚度为200nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至400℃并恒温60分钟,得到半导体石墨晶圆。含氮石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨晶圆。N型半导体石墨晶圆所 制
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得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为1900-2300cm/V·s。
[0028] 实施例2
[0029] 将含硼氧化石墨烯(硼含量0.1%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为0.05 mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为30nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至200℃并恒温5min,得到半导体石墨晶圆。含硼石墨晶圆涂层作 为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应管的 测试,该方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨晶圆。P型半导体石墨晶圆所制得的 石墨场效应晶体管的载流子迁移率为120-230cm2/V·s。
[0030] 将含氮氧化石墨烯(氮含量0.2%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为0.05 mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为30nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至200℃并恒温5min,得到半导体石墨晶圆。含氮石墨晶圆涂层作 为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应管的 测试,该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨晶圆。N型半导体石墨晶圆所制得 的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为560-670cm2/V·s。
[0031] 实施例3
[0032] 将含硼氧化石墨烯(硼含量2%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为0.5 mg/ml,匀胶机的转速为2000rpm,二氧化硅的厚度为300nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至450℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含硼石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨晶圆。P型半导体石墨晶圆所制 得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为2800-3100cm2/V·s。
[0033] 将含氮氧化石墨烯(氮含量3%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为0.5 mg/ml,匀胶机的转速为2000rpm,二氧化硅的厚度为300nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至450℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含氮石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨晶圆。N型半导体石墨晶圆所 制得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为3500-4100cm2/V·s。
[0034] 实施例4
[0035] 将含硼氧化石墨烯(硼含量1.5%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为5 mg/ml,匀胶机的转速为6000rpm,二氧化硅的厚度为300nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至400℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含硼石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨晶圆。P型半导体石墨晶圆所制 得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为1620-1850cm2/V·s。
[0036] 将含氮氧化石墨烯(氮含量2%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为5 mg/ml,匀胶机的转速为6000rpm,二氧化硅的厚度为300nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至400℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含氮石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨晶圆。N型半导体石墨晶圆所 制得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为2510-2620cm2/V·s。
[0037] 实施例5
[0038] 将含硼氧化石墨烯(硼含量1%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为10 mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为500nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至500℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含硼石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨。含硼石墨晶圆涂层作为沟道材 料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应管的测试,该 方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨晶圆。P型半导体石墨晶圆所制得的石墨场效 应晶体管的载流子迁移率为1230-1450cm2/V·s。
[0039] 将含氮氧化石墨烯(氮含量1.5%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为10 mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为500nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至500℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含氮石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨。含氮石墨晶圆涂层作为沟道 材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应管的测试, 该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨晶圆。N型半导体石墨晶圆所制得的石墨 场效应晶体管的载流子迁移率为3550-3920cm2/V·s。
[0040] 实施例6
[0041] 将含硼氧化石墨烯(硼含量0.3%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为1 mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为300nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至300℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含硼石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨晶圆。P型半导体石墨晶圆所制 得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为1630-1970cm2/V·s。
[0042] 将含氮氧化石墨烯(氮含量2%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为1 mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为300nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至300℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含氮石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨晶圆。N型半导体石墨晶圆所 制得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为3120-3510cm2/V·s。
[0043] 实施例7
[0044] 将含硼氧化石墨烯(硼含量2%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层的 硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为 1mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为200nm。将含有氧化石墨烯涂层的 硅晶圆在气氛管式炉中加热至450℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含硼石墨晶圆 涂层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效 应管的测试,该方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨晶圆。P型半导体石墨晶圆所 制得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为4850-5200cm2/V·s。
[0045] 将含氮氧化石墨烯(氮含量3%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层的 硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为 1mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为200nm。将含有氧化石墨烯涂层的 硅晶圆在气氛管式炉中加热至450℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含氮石墨晶圆 涂层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效 应管的测试,该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨晶圆。N型半导体石墨晶圆 所制得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为8920-9520cm2/V·s之间。
[0046] 实施例8
[0047] 将含硼氧化石墨烯(硼含量1%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为0.5 mg/ml,匀胶机的转速为300rpm,二氧化硅的厚度为200nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至350℃并恒温20分钟,得到半导体石墨晶圆。含硼石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨晶圆。P型半导体石墨晶圆所制 得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为1360-1720cm2/V·s之间。
[0048] 将含氮氧化石墨烯(氮含量2%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为0.5 mg/ml,匀胶机的转速为300rpm,二氧化硅的厚度为200nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至350℃并恒温20分钟,得到半导体石墨晶圆。含氮石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨晶圆。N型半导体石墨晶圆所 制得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为3120-3570cm2/V·s之间。
[0049] 实施例9
[0050] 将含硼氧化石墨烯(硼含量1.5%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为0.5 mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为200nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至400℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含硼石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的硼掺杂石墨材料为P型半导体石墨晶圆。P型半导体石墨2
晶圆所制 得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为2730-2970cm/V·s。
[0051] 将含氮氧化石墨烯(氮含量2.5%)制成乙醇溶液后利用匀胶机在含有二氧化硅绝缘层 的硅晶圆表面涂覆氧化石墨烯,匀胶机旋转至乙醇挥发完全,其中氧化石墨烯的浓度为0.5 mg/ml,匀胶机的转速为3000rpm,二氧化硅的厚度为200nm。将含有氧化石墨烯涂层的硅 晶圆在气氛管式炉中加热至400℃并恒温30分钟,得到半导体石墨晶圆。含氮石墨晶圆涂 层作为沟道材料进行光刻制备半导体石墨场效应管,利用半导体参数测试仪进行石墨场效应 管的测试,该方法得到的氮掺杂石墨材料为N型半导体石墨晶圆。N型半导体石墨晶圆所 制得的石墨场效应晶体管的载流子迁移率为5380-5720cm2/V·s之间。
[0052] 上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种制备半导体石墨晶圆的方法及其应用,但本 发明并不局限于实施例,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单
修改、等 同变化与修饰,均落入本发明技术方案的保护范围内。