[发明专利]一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于碳材料的半导体器件制备工艺，特别涉及一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，属于纳电子学技术领域。

背景技术

以碳材料为基的纳米电子学，尤其是以碳纳米管(Carbon Nanotube)和石墨烯(Graphene)为基的纳米电子学，被认为具有极大的应用前景，极富潜力可替代硅基材料。自从1991年碳纳米管和2004年石墨烯被成功研制以来，碳基电子学取得了巨大发展。基于碳基的电子学具有尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等特点，受到人们越来越广泛的关注。

对于碳基半导体器件而言，由于导电碳材料只有一个或几个原子层厚度，所以其有一个重要的特点，即导电碳材料对与其接触的表面，包括衬底表面和介质表面，非常敏感;衬底表面状况会显著影响碳材料的表面态，在碳材料中引入新的散射机制，造成碳材料载流子迁移率的显著下降和器件性能退化。

使用硅烷偶联剂有机膜对原衬底进行处理，钝化、修饰衬底表面，减小了由于衬底表面极性散射、表面坑洼起伏、杂质吸附等原因而造成的碳基材料性能下降，尤其是载流子迁移率的下降。并且通过调整硅烷偶联剂的浓度配比、沉积时间等参数，能够有效的调整硅烷有机膜层的厚度和表面粗糙度。同时硅烷偶联剂易于脱水缩合，可以牢固的附着在多种类型的衬底表面，并有较强的耐受性。这种新型的、简单的、衬底处理方法必将对碳基电子器件的发展起到重要作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，以减小由于衬底表面极性散射和杂质吸附给石墨烯场效应器件所带来的不良影响，增加器件载流子迁移率，提高器件性能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，该方法是利用硅烷偶联剂有机膜层来钝化和修饰碳基半导体器件衬底表面，具体包括以下步骤:

步骤1:将清洗后的衬底放入烘箱内120℃干燥处理20分钟;

步骤2:配制硅烷偶联剂溶液，利用有机溶剂溶解并稀释硅烷偶联剂，将要处理衬底浸入稀释液中;

步骤3:在氮气或者空气环境下，将浸润后的衬底加热至100℃～150℃，使硅烷偶联剂单体于衬底表面发生脱水缩合反应生成聚合体，从而在衬底表面形成硅烷偶联剂有机膜层。

上述方案中，步骤2中所述溶解并稀释硅烷偶联剂的有机溶剂，对硅烷偶联剂有稀释作用，且不发生反应;所述硅烷偶联剂与其稀释液的配比为1:400-1:50(体积比)，衬底浸入稀释液中的时间为1-10分钟。所述溶解并稀释硅烷偶联剂的有机溶剂包括:甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、丙酮、丁酮、各种醇类或醇与水的混合溶液。

上述方案中，步骤2中所述的硅烷偶联剂是单一硅烷偶联剂，或者是两种或多种含有不同功能基团硅烷偶联剂的混合体。所述的硅烷偶联剂包括含有多种功能基团的甲氧基或乙氧基硅烷。所述的多种功能基团为氨基、乙烯基、苯基、环氧基、氟基、氯基或硝基。

上述方案中，步骤3中所述加热的温度越低，需要加热的时间就越长，加热的温度越高，需要加热的时间就越短。加热温度大于或者等于100℃且小于150℃时，在该加热温度处恒温保持20分钟～40分钟后，再自然冷却至常温。

上述方案中，步骤3中所述硅烷偶联剂脱水缩合后在衬底表面形成的硅烷偶联剂有机膜层为单分子层，厚度为3nm。

上述方案中，步骤3中所述对硅烷偶联剂加热脱水缩合，采用热板加热、烘箱加热或管式炉加热，加热温度在100-150摄氏度，脱水缩合时间在10-40分钟。

上述方案中，步骤3中所述在衬底表面形成硅烷偶联剂有机膜层之后，还包括:再将石墨烯薄膜或碳纳米管转移到衬底表面。

(三)有益效果

本发明提供的这种提高碳基半导体器件迁移率的衬底处理方法，由于使用经过硅烷偶联剂处理过表面的衬底，所以减小了由于衬底表面极性散射和杂质吸附给石墨烯场效应器件所带来的不良影响，有效增加了器件载流子迁移率，提高了器件性能，为碳基高性能器件的实现提供了一个解决方案，满足了碳基规模化集成电路的需求。具体而言，使用硅烷偶联剂对衬底进行表面处理，其主要优势体现在:

1、是用硅烷偶联剂有机膜层来钝化、修饰衬底表面，能减小由于衬底表面极性散射、表面坑洼起伏、杂质吸附等原因而造成的碳基材料性能下降，尤其是载流子迁移率的下降

2、硅烷偶联剂有有机膜层厚度可控，通过调整偶联剂的配比浓度和衬底浸润沉积时间，可以实现对膜层厚度和表面粗糙度的调控。