一种高灵敏度石墨烯磁场传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高灵敏度石墨烯磁场传感器及其制备方法。涉及半导体技术领域，以干法转移的方法形成h-BN—石墨烯—h-BN的霍尔器件作为磁场传感器的核心结构，可以避免湿法转移工艺及图形化刻蚀、金属沉积工艺等对材料晶格造成的污染与破坏；以h-BN作为衬底及封装层，有利于维持石墨烯载流子迁移率，并保护器件避免吸附空气中的O2、H2O及微粒，以提高器件电学性能；此外石墨烯与金属电极之间采用一维线接触的方式连接，将大大降低器件的接触电阻及功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，涉及。
技术介绍
石墨烯是由sp2轨道杂化的单层碳原子构成的二维正六边形原胞紧密蜂窝式的结构晶格，其优越的电子输运特性成为研究人员研究及关注的焦点。2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，并在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯以及反常量子霍尔效应的发现为Geim和Novoselov赢得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯中二维六角布里渊区的六个角附近的低能色散关系是线性的，导致电子和空穴的零有效质量，因而其载流子迀移率极高，传输速度达到光速的1/300，理论迀移率可以达到106cm2/Vs，为硅中电子迀移率的100倍。石墨烯可以作为半导体灵敏器件的核心材料。霍尔效应是1879年由E.H.霍尔发现的，在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导体中的载流子(电子与空穴)受到不同方向的洛伦兹力而使轨迹发生偏移而往不同方向上聚集，在材料两侧产生积累起来的电荷(电子与空穴)之间会产生垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。石墨烯的霍尔效应应用于霍尔元件，通过测量霍尔电压获得所加磁场的大小，因此可以制备得到高灵敏度石墨烯磁场传感器。磁传感器的性能主要取决于2个参数:灵敏度及其功耗，主要由载流子的浓度及迀移率决定。因此与硅基传感器相比，由于石墨烯载流子迀移率较高，其灵敏度也将大幅提高。由此可见维持石墨烯中载流子迀移率及并降低器件接触电阻，是获得高性能石墨烯磁场传感器的关键。另外石墨烯具有很好的温度稳定性，制备成石墨烯传感器时不需要额外的温度补偿，降低了器件工艺难度。鉴于此，本专利技术将提供一种高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，以期获得具有稳定的高性能微电子器件为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，该方法至少包括以下步骤:1)提供第一、第二、第三衬底以及PDMS薄膜；2)在所述第一衬底上依次形成一 PPC—h-BN结构；所述PPC—h_BN结构包括位于第一衬底上的聚碳酸亚丙酯PPC薄膜和位于聚碳酸亚丙酯PPC薄膜上的第一 h-BN薄膜；3)将形成于所述第一衬底上的PPC—第一 h-BN结构剥离出来放置于所述PDMS薄膜上；形成PDMS — PPC—第一 h-BN结构；4)在所述第二衬底上形成石墨烯薄膜；5)用所述PDMS — PPC — h-BN结构吸附上述石墨烯薄膜，形成PDMS — PPC—第一h-BN一石墨稀结构；6)在所述第三衬底上形成第二 h-BN薄膜；7)将所述PDMS — PPC—第一 h_BN—石墨烯结构覆盖所述第三衬底上的第二 h_BN薄膜，形成位于所述第三衬底上的PDMS — PPC—第一 h-BN—石墨烯-第二 h-BN结构；8)揭掉PDMS，丙酮去除PPC，即形成位于所述第三衬底上的第一 h_BN—石墨烯一第二 h-BN结构；9)采用反应离子刻蚀所述第三衬底上的第一 h-BN—石墨烯一第二 h-BN结构，形成霍尔结构器件，露出第一 h-BN—石墨烯一第二 h-BN截面结构；即露出线状石墨烯边界；10)沉积金属，覆盖露出的第一 h-BN—石墨烯一第二 h-BN截面结构，形成一维石墨稀与金属电极接触。优选地，所述步骤2)中在所述第一衬底上形成聚碳酸亚丙酯PPC薄膜的具体步骤是用匀胶机在将聚碳酸亚丙酯PPC涂在所述第一衬底上，然后在120度温度下加热3-5min直至固化成膜。优选地，所述第一、第二、第三衬底为S1ji底、Si02/Si衬底、Mg0、Al203、SiC衬底或者柔性衬底。优选地，所述步骤9)中形成霍尔结构时，所述第二 h-BN薄膜不刻蚀、部分刻蚀或者全部刻蚀。优选地，所述步骤9)中形成霍尔结构后，所述第一、第二 h-BN薄膜的厚度为10nm_50nm，本专利技术还提供一种采用上述制备方法制备的高灵敏度石墨烯磁场传感器。本专利技术采用干法转移技术将机械剥离的石墨烯、h-BN薄膜堆叠成三明治结构器件，干法转移有效的避免了湿法转移及器件制备工艺对材料造成的污染及晶格破坏，由于h-BN薄膜具有良好的化学稳定性及原子级平整的表面，是微纳电子器件良好的封装及衬底层。采用h-BN — Gr — h-BN器件结构的益处在于，保护整个器件堆叠层避免吸附空气中的H20及微粒引起惨杂或者层间褶皱导致载流子迀移率降低，另外平整无悬挂键的h-BN衬底减少对载流子的散射。本专利技术采用金属与石墨烯之间形成一维的石墨烯-金属电极接触，一方面减小了石墨烯金属接触面积，降低器件接触电阻，另一方面减少器件工艺对石墨烯的破坏以保持其极高的电子迀移率，解决了微电子器件制备过程中电性能降低的问题。【附图说明】图1至图11显示为本专利技术实施例一的制备流程图。图12-13显示为本专利技术实施例二的制备流程图。图14a和14b为本专利技术中霍尔元件的俯视图。元件标号说明PDMS 薄膜1第一衬底10PPC 薄膜11第一h-BN 薄膜12第二衬底20石墨烯薄膜21第三衬底30第二h-BN 薄膜31金属电极50、50，【具体实施方式】以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。实施例一请参阅附图1-11所示，本专利技术提供一种高灵敏度石墨烯磁场传感器制备方法，【具体实施方式】如下:步骤1，提供第一衬底，在第一衬底10上形成聚碳酸亚丙酯PPC薄膜11 ;用匀胶机在1500r/min下将PPC涂在该第一衬底10上，在120度温度下加热3_5min直至固化成膜；然后在该PPC薄膜上形成第一 h-BN薄膜12。形成位于第一衬底上的PPC — h-BN结构。请参阅图1所示。步骤2，将该第一衬底10上的PPC—h-BN结构揭下来，放到PDMS薄膜1上，形成PDMS—PPC—h-BN结构。请参阅图2所示。该PDMS薄膜1及PPC薄膜表面光滑且具有弹性，由于PDMS薄膜较厚，在后续的干法转移的过程中起到支撑作用，能够通过范德华力能够很好的粘附PPC薄膜，同时PPC及PDMS良好的透光性也便于在显微镜下观察样品实现样品之间的对准。另外采用PDMS — PPC结构吸附硬性衬底上机械剥离的薄膜时，能够很好的排除样品膜层之间的空气，通过范德华力吸附更加牢固，使得干法转移达到理想的效果。请参阅图2所示。步骤3，请参阅图3所示，提供第二衬底当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高灵敏度石墨烯磁场传感器的制备方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：1)提供第一、第二、第三衬底以及PDMS薄膜；2)在所述第一衬底上依次形成一PPC—h‑BN结构；所述PPC—h‑BN结构包括位于第一衬底上的聚碳酸亚丙酯PPC薄膜和位于聚碳酸亚丙酯PPC薄膜上的第一h‑BN薄膜；3)将形成于所述第一衬底上的PPC—第一h‑BN结构剥离出来放置于所述PDMS薄膜上；形成PDMS—PPC—第一h‑BN结构；4)在所述第二衬底上形成石墨烯薄膜；5)用所述PDMS—PPC—h‑BN结构吸附上述石墨烯薄膜，形成PDMS—PPC—第一h‑BN—石墨烯结构；6)在所述第三衬底上形成第二h‑BN薄膜；7)将所述PDMS—PPC—第一h‑BN—石墨烯结构覆盖所述第三衬底上的第二h‑BN薄膜，形成位于所述第三衬底上的PDMS—PPC—第一h‑BN—石墨烯‑第二h‑BN结构；8)揭掉PDMS，丙酮去除PPC，即形成位于所述第三衬底上的第一h‑BN—石墨烯—第二h‑BN结构；9)采用反应离子刻蚀所述第三衬底上的第一h‑BN—石墨烯—第二h‑BN结构，形成霍尔结构，露出第一h‑BN—石墨烯—第二h‑BN截面结构；即露出线状石墨烯边界；10)沉积金属，覆盖露出的第一h‑BN—石墨烯—第二h‑BN截面结构，形成一维石墨烯与金属电极接触。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩敏，谢红，王慧山，李蕾，谢晓明，江绵恒，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31