一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由sp2軌道雜化的單層碳原子構(gòu)成的二維正六邊形原胞緊密蜂窩式的結(jié)構(gòu)晶格，其優(yōu)越的電子輸運(yùn)特性成為研究人員研究及關(guān)注的焦點(diǎn)。2004年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，并在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。石墨烯以及反常量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為Geim和Novoselov贏得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯中二維六角布里淵區(qū)的六個(gè)角附近的低能色散關(guān)系是線性的，導(dǎo)致電子和空穴的零有效質(zhì)量，因而其載流子迀移率極高，傳輸速度達(dá)到光速的1/300，理論迀移率可以達(dá)到106cm2/Vs，為硅中電子迀移率的100倍。石墨烯可以作為半導(dǎo)體靈敏器件的核心材料?；魻栃?yīng)是1879年由E.H.霍爾發(fā)現(xiàn)的，在導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導(dǎo)體中的載流子(電子與空穴)受到不同方向的洛倫茲力而使軌跡發(fā)生偏移而往不同方向上聚集，在材料兩側(cè)產(chǎn)生積累起來的電荷(電子與空穴)之間會產(chǎn)生垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。石墨烯的霍爾效應(yīng)應(yīng)用于霍爾元件，通過測量霍爾電壓獲得所加磁場的大小，因此可以制備得到高靈敏度石墨烯磁場傳感器。
[0003]磁傳感器的性能主要取決于2個(gè)參數(shù):靈敏度及其功耗，主要由載流子的濃度及迀移率決定。因此與硅基傳感器相比，由于石墨烯載流子迀移率較高，其靈敏度也將大幅提高。由此可見維持石墨烯中載流子迀移率及并降低器件接觸電阻，是獲得高性能石墨烯磁場傳感器的關(guān)鍵。另外石墨烯具有很好的溫度穩(wěn)定性，制備成石墨烯傳感器時(shí)不需要額外的溫度補(bǔ)償，降低了器件工藝難度。
[0004]鑒于此，本發(fā)明將提供一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器及其制備方法，以期獲得具有穩(wěn)定的高性能微電子器件
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器的制備方法，該方法至少包括以下步驟:
[0007]1)提供第一、第二、第三襯底以及PDMS薄膜；
[0008]2)在所述第一襯底上依次形成一 PPC—h-BN結(jié)構(gòu)；所述PPC—h_BN結(jié)構(gòu)包括位于第一襯底上的聚碳酸亞丙酯PPC薄膜和位于聚碳酸亞丙酯PPC薄膜上的第一 h-BN薄膜；
[0009]3)將形成于所述第一襯底上的PPC—第一 h-BN結(jié)構(gòu)剝離出來放置于所述PDMS薄膜上；形成PDMS — PPC—第一 h-BN結(jié)構(gòu)；
[0010]4)在所述第二襯底上形成石墨烯薄膜；
[0011]5)用所述PDMS — PPC — h-BN結(jié)構(gòu)吸附上述石墨烯薄膜，形成PDMS — PPC—第一h-BN一石墨稀結(jié)構(gòu)；
[0012]6)在所述第三襯底上形成第二 h-BN薄膜；
[0013]7)將所述PDMS — PPC—第一 h_BN—石墨烯結(jié)構(gòu)覆蓋所述第三襯底上的第二 h_BN薄膜，形成位于所述第三襯底上的PDMS — PPC—第一 h-BN—石墨烯-第二 h-BN結(jié)構(gòu)；
[0014]8)揭掉PDMS，丙酮去除PPC，即形成位于所述第三襯底上的第一 h_BN—石墨烯一第二 h-BN結(jié)構(gòu)；
[0015]9)采用反應(yīng)離子刻蝕所述第三襯底上的第一 h-BN—石墨烯一第二 h-BN結(jié)構(gòu)，形成霍爾結(jié)構(gòu)器件，露出第一 h-BN—石墨烯一第二 h-BN截面結(jié)構(gòu)；即露出線狀石墨烯邊界；
[0016]10)沉積金屬，覆蓋露出的第一 h-BN—石墨烯一第二 h-BN截面結(jié)構(gòu)，形成一維石墨稀與金屬電極接觸。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟2)中在所述第一襯底上形成聚碳酸亞丙酯PPC薄膜的具體步驟是用勻膠機(jī)在將聚碳酸亞丙酯PPC涂在所述第一襯底上，然后在120度溫度下加熱3-5min直至固化成膜。
[0018]優(yōu)選地，所述第一、第二、第三襯底為S1ji底、Si02/Si襯底、Mg0、Al203、SiC襯底或者柔性襯底。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟9)中形成霍爾結(jié)構(gòu)時(shí)，所述第二 h-BN薄膜不刻蝕、部分刻蝕或者全部刻蝕。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟9)中形成霍爾結(jié)構(gòu)后，所述第一、第二 h-BN薄膜的厚度為10nm_50nm，
[0021]本發(fā)明還提供一種采用上述制備方法制備的高靈敏度石墨烯磁場傳感器。
[0022]本發(fā)明采用干法轉(zhuǎn)移技術(shù)將機(jī)械剝離的石墨烯、h-BN薄膜堆疊成三明治結(jié)構(gòu)器件，干法轉(zhuǎn)移有效的避免了濕法轉(zhuǎn)移及器件制備工藝對材料造成的污染及晶格破壞，由于h-BN薄膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性及原子級平整的表面，是微納電子器件良好的封裝及襯底層。采用h-BN — Gr — h-BN器件結(jié)構(gòu)的益處在于，保護(hù)整個(gè)器件堆疊層避免吸附空氣中的H20及微粒引起慘雜或者層間褶皺導(dǎo)致載流子迀移率降低，另外平整無懸掛鍵的h-BN襯底減少對載流子的散射。本發(fā)明采用金屬與石墨烯之間形成一維的石墨烯-金屬電極接觸，一方面減小了石墨烯金屬接觸面積，降低器件接觸電阻，另一方面減少器件工藝對石墨烯的破壞以保持其極高的電子迀移率，解決了微電子器件制備過程中電性能降低的問題。
【附圖說明】
[0023]圖1至圖11顯示為本發(fā)明實(shí)施例一的制備流程圖。
[0024]圖12-13顯示為本發(fā)明實(shí)施例二的制備流程圖。
[0025]圖14a和14b為本發(fā)明中霍爾元件的俯視圖。
[0026]元件標(biāo)號說明
[0027]PDMS 薄膜1
[0028]第一襯底10
[0029]PPC 薄膜11
[0030]第一h-BN 薄膜12
[0031]第二襯底20
[0032]石墨烯薄膜21
[0033]第三襯底30
[0034]第二h-BN 薄膜31
[0035]金屬電極50、
[0036]50，
【具體實(shí)施方式】
[0037]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0038]需要說明的是，以下實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0039]實(shí)施例一
[0040]請參閱附圖1-11所示，本發(fā)明提供一種高靈敏度石墨烯磁場傳感器制備方法，【具體實(shí)施方式】如下:
[0041]步驟1，提供第一襯底，在第一襯底10上形成聚碳酸亞丙酯PPC薄膜11 ;用勻膠機(jī)在1500r/min下將PPC涂在該第一襯底10上，在120度溫度下加熱3_5min直至固化成膜；然后在該P(yáng)PC薄膜上形成第一 h-BN薄膜12。形成位于第一襯底上的PPC — h-BN結(jié)構(gòu)。請參閱圖1所示。
[0042]步驟2，將該第一襯底10上的PPC—h-BN結(jié)構(gòu)揭下來，放到PDMS薄膜1上，形成PDMS—PPC—h-BN結(jié)構(gòu)。請參閱圖2所示。該P(yáng)DMS薄膜1及PPC薄膜表面光滑且具有彈性，由于PDMS薄膜較厚，在后續(xù)的干法轉(zhuǎn)移的過程中起到支撐作用，能夠通過范德華力能夠很好的粘附PPC薄膜，同時(shí)PPC及PDMS良好的透光性也便于在顯微鏡下觀察樣品實(shí)現(xiàn)樣品之間的對準(zhǔn)。另外采用PDMS — PPC結(jié)構(gòu)吸附硬性襯底上機(jī)械剝離的薄膜時(shí)，能夠很好的排除樣品膜層之間的空氣，通過范德華力吸附更加牢固，使得干法轉(zhuǎn)移達(dá)到理想的效果。請參閱圖2所示。
[0043]步驟3，請參閱圖3所示，提供第二襯底