一種霍爾元件及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種霍爾元件及其制備方法，該霍爾元件的有源區采用石墨烯材料，一對激勵電極與石墨烯溝道兩端接觸提供電流源或者電壓源，一對霍爾電極與石墨烯溝道兩側接觸用于測試霍爾電壓。本發明專利技術中的霍爾元件具有高的靈敏度、非常優異的線性度和溫度穩定性，在電壓模式和電流模式下都可以較好的工作，而且制備工藝簡單，適合于制備霍爾集成電路。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及，特別的，涉及一種采用石墨烯材料作為有源區的霍爾元件以及其制備方法。
技術介紹
霍爾元件就是利用霍爾效應探測磁場的半導體器件，又稱霍爾傳感器，霍爾元件應用非常廣泛，例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制，因此在汽車安全裝置 ABS、汽車發動機點火定時、電流電壓傳感器、無刷電機、齒輪轉速檢測、過程控制中的無觸點開關、定位開關等領域有著廣泛的應用，另外作為磁探測器在航海、航空、航天、地址探測、磁性材料及測磁儀器研究等領域有著非常重要的應用。霍爾元件目前采用多種半導體材料制作，如Ge、Si、InSb, GaAs, InAs, InAsP以及多層半導體異質結構量子阱材料，但是傳統半導體材料制備的霍爾元件都存在著明顯的缺陷，比如硅和鍺由于載流子遷移率較低，因此制備的霍爾元件靈敏度較低，而基于MSb等高遷移率半導體材料制備的霍爾元件則是溫度穩定性較差，且不適合制作集成霍爾電路， 對于多層半導體異質結量子阱材料制備的霍爾元件，工藝非常復雜、制備成本很高。因此缺乏一種綜合性能都很優異的材料來制作霍爾元件，使得霍爾元件在靈敏度、溫度漂移、制作工藝復雜程度以及成本方面都具有很大優勢。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種靈敏度高、溫度穩定性好、制作工藝簡單的霍爾元件。本專利技術的技術方案如下一種霍爾元件，包括一對激勵電極、一對霍爾電極和有源區，其特征在于，所述有源區的材料是石墨烯，一對激勵電極分別與有源區溝道兩端接觸，一對霍爾電極分別與有源區溝道兩側接觸。上述激勵電極與石墨烯溝道兩端接觸以提供電流源或電壓源，霍爾電極與石墨烯溝道兩側接觸用于輸出霍爾電壓。上述作為有源區的石墨烯材料的形狀可以是十字形、矩形或者其它可產生霍爾電壓的形狀。本專利技術中，作為有源區的石墨烯可以是單層的或者多層的。石墨烯有源區可以位于絕緣基底上，也可以是懸空的。所述絕緣基底可以是覆蓋有S^2的硅片，也可以是SiC、 石英、云母、玻璃、氮化硼(BN)等絕緣材料基片。圖1所示的霍爾元件中，石墨烯材料被裁成十字形(圖la)或者矩形(圖lb)，兩個激勵電極2和3分別與石墨烯溝道1兩端電學接觸，兩個霍爾電極4和5則與石墨烯溝道 1的兩個側面發生電學接觸。器件工作時，磁場方向垂直于器件平面(石墨烯材料平面)， 在兩個激勵電極2和3之間施加一個恒定電壓源或者電流源，由于霍爾效應，霍爾電極4與5之間就會產生霍爾電壓。根據激勵電極2和3之間施加的電源的類型，該霍爾器件可以工作在不同模式，如果加恒流源，就是電流模式，如果加恒壓源，就是電壓模式。本專利技術中所用的石墨烯可以是單層或者多層的，而且可以通過不同的方式制備得到的。比如通過機械剝離、化學氣相沉積(CVD)、偏析法等等方法生長的石墨烯都可以用來制備霍爾元件。本專利技術中的石墨烯霍爾元件可以直接在絕緣基底上制備，例如通過機械剝離將石墨烯分散到絕緣基底上，或者采用化學氣相沉淀將石墨烯生長在絕緣基底上，也可以通過化學氣相沉積或金屬偏析法在金屬上生長石墨烯，然后再將石墨烯轉移到絕緣基底上面， 而且霍爾元件的溝道部分可以是懸空的。本專利技術霍爾元件的制備方法非常簡單，包括制備激勵電極和霍爾電極與石墨烯材料電學連接，并通過光刻定義并刻蝕石墨烯材料形成有源區的形狀。具體可以包括下述步驟1)在絕緣基底上制備石墨烯，或者在金屬上生長石墨烯后再將石墨烯轉移到絕緣基底上；2)通過光刻在絕緣基底上定義激勵電極和霍爾電極的圖形，然后沉積一層金屬， 并通過剝離的方法形成電極的形狀；3)通過光刻在石墨烯上定義有源區的形狀，然后刻蝕形成石墨烯有源區。上述步驟1)可以通過機械剝離將石墨烯分散到絕緣基底上，或者采用化學氣相沉淀將石墨烯生長在絕緣基底上，或者采用化學氣相沉積或者金屬偏析法在金屬上生長石墨烯，然后將金屬上的石墨烯轉移到絕緣基底上。上述步驟2、可以采用電子束蒸發、熱蒸發、磁控濺射或者其它鍍膜方式沉積金屬電極。上述步驟幻光刻定義有源區的形狀后，可以通過氧等離子刻蝕或者其它刻蝕方法形成所需石墨烯的形狀。本專利技術基于石墨烯的霍爾元件具有較高的靈敏度、非常優異的線性度和溫度穩定性，而且在電壓模式和電流模式下都可以較好地工作，工作溫度范圍極大，這些優勢源于石墨烯材料的獨特性質。石墨烯是指由單層或少數幾層呈正六邊形排布的SP2雜化C原子構成的二維材料，其本征載流子遷移率非常高，在室溫下可以達到200，000cm7V. s，遠遠高于常用的半導體材料，而且其厚度非常薄，單層只有0. 3納米左右，該材料本身對磁場的屏蔽非常小，因此會大大提高霍爾元件的靈敏度。更為重要的是，由于石墨烯的能帶結構比較特殊，其載流子遷移率對溫度和載流子濃度并不敏感，這將保證霍爾元件在非常大的溫度范圍都會具有很好的穩定性。另外，從制備方面來看，石墨烯可以用來制備一些基于場效應晶體管的集成電路，因此適合于制備霍爾集成電路，而且，石墨烯霍爾器件的制備工藝極為簡單，大大降低了器件的成本。附圖說明圖1 (a)顯示了一個有源區形狀為十字形的石墨烯霍爾器件的俯視圖；圖1 (b)顯示了一個有源區形狀為矩形的石墨烯霍爾器件的俯視圖；圖2(a)顯示了工作在電流模式下、不同環境溫度下的石墨烯霍爾元件的霍爾電壓隨磁場強度的變化關系，其中電流偏置為100微安，溫度為分別是I、10K、50K、100K、 150Κ、200Κ、250Κ、300Κ 和 350Κ ；圖2(b)顯示了工作在電流模式下，石墨烯霍爾元件的靈敏度隨溫度的變化關系， 其中電流偏置為100微安；圖2(c)顯示了工作在電壓模式下，石墨烯霍爾元件的霍爾電壓隨磁場強度的變化關系，其中按圖中箭頭所指方向各曲線對應的激勵電壓分別為0. 5V、1V、2V和4V。具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例進一步詳細說明本專利技術，但不以任何方式限制本專利技術。如圖1所示的石墨烯霍爾元件，作為有源區的石墨烯材料為十字形(圖1(a))或者矩形(圖1 (b))，有一對激勵電極2和3與石墨烯溝道1兩端接觸提供電流源或者電壓源，還有一對霍爾電極4和5與石墨烯溝道1兩側接觸用于測試霍爾電壓。該霍爾元件的具體制備步驟如下1、通過機械剝離將石墨烯分散到絕緣基底上，或者采用化學氣相沉淀將石墨烯生長在絕緣基底上，或者通過化學氣相沉積或者金屬偏析在金屬上生長石墨烯，然后再將石墨烯轉移到絕緣基底上面；2、通過光刻的方法在絕緣基底上定義電極的圖形，包括一對激勵電極和一對霍爾電極，然后采用電子束蒸發或者熱蒸發或者磁控濺射或者其它鍍膜方式沉積一層金屬電極，通過剝離的方法形成金屬電極的形狀；3、通過光刻的方法在石墨烯上定義溝道的形狀，然后通過氧等離子刻蝕或者其它刻蝕方法形成霍爾元件中石墨烯的形狀。本實施例對二氧化硅基底上的十字型石墨烯霍爾元件(有源區溝道長約8微米， 激勵電極和輸出電極材料為Ti)進行了測試。在電流模式下，石墨烯霍爾器件顯示出非常優異的線性度和溫度穩定性，圖2(a) 顯示了工作在電流模式下、不同環境溫度下的石墨烯霍爾器件的霍爾電壓隨磁場強度的變化關系，其中激勵電流為100微安，測量溫度點為2K、10K、50K、100K、150K、200K、250K、300K 和350Κ，2Κ至300Κ下的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種霍爾元件，包括一對激勵電極、一對霍爾電極和有源區，其特征在于，所述有源區的材料是石墨烯，一對激勵電極分別與有源區溝道兩端接觸，一對霍爾電極分別與有源區溝道兩側接觸。

【技術特征摘要】
1.一種霍爾元件，包括一對激勵電極、一對霍爾電極和有源區，其特征在于，所述有源區的材料是石墨烯，一對激勵電極分別與有源區溝道兩端接觸，一對霍爾電極分別與有源區溝道兩側接觸。2.如權利要求1所述的霍爾元件，其特征在于，所述有源區的形狀為十字形或矩形。3.如權利要求1所述的霍爾元件，其特征在于，所述石墨烯是單層的或者多層的。4.如權利要求1所述的霍爾元件，其特征在于，所述有源區位于絕緣基底上或者是懸空的。5.如權利要求4所述的霍爾元件，其特征在于，所述絕緣基底是覆蓋有SiO2的硅片，或者是SiC、石英、云母、玻璃或氮化硼材料的基片。6.權利要求1所述霍爾元件的制備方法，制作一對激勵電極和一對霍爾電極與石墨烯材料電學連接，并通過光刻定義并刻蝕石墨烯材料形成有...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張志勇，徐慧龍，彭練矛，劉洪剛，王勝，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：11