2010年2月15日
一个简单的一步过程可以产生大面积石墨烯表面的n型和p型掺杂，可以促进这种有前景的材料在未来电子器件中的应用。掺杂技术还可用于提高用于互连的石墨烯纳米带的导电性。
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乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员将一种可在市场上买到的自旋玻璃(SOG)材料应用到石墨烯上，然后将其暴露在电子束辐射中，通过简单地改变暴露时间，就创造出了两种类型的掺杂。高能级电子束能产生p型区域，低能级电子束能产生n型区域。
该技术被用于制造高分辨率的p-n结。当适当钝化后，SOG产生的掺杂有望无限期地留在研究人员所研究的石墨烯薄片中。
“这是朝着制造互补金属氧化物石墨烯晶体管迈出的有利一步，”华盛顿高级研究工程师Raghunath Murali说佐治亚理工学院的纳米技术研究中心。
本周，《应用物理快报》上刊登了一篇描述该技术的论文。该研究由半导体研究公司和国防高级研究计划局（DARPA）通过互连焦点中心提供支持。
在新的掺杂过程中，Murali和研究生Kevin Brenner首先从一块石墨上去除一到四层厚的石墨烯薄片。他们把这种材料放在氧化硅的表面上，然后制造一个四点接触装置。
接下来，他们在四倍半硅氧烷(HSQ)薄膜上旋转，然后用电子束辐射对薄膜的某些部分进行固化。该技术可以精确控制辐射量和应用于石墨烯的位置，高强度的能量与高强度的HSQ交联程度相对应。
“我们给不同剂量的电子束辐射，然后研究它如何影响石墨烯晶格中载流子的性质，”Murali说。“电子束给了我们一个很好的控制范围，这对制造纳米级设备很有价值。我们可以使用直径为4或5纳米的电子束来实现非常精确的掺杂模式。”
他补充说，电子测量显示，这种新技术产生的石墨烯p-n结具有较大的能量分离，表明强烈的掺杂效应。
其他地方的研究人员已经证明石墨烯掺杂使用了多种工艺，包括将材料浸泡在各种溶液中，并将其暴露在各种气体中。乔治亚理工大学的工艺被认为是第一个从单一掺杂材料中同时提供电子和空穴掺杂的工艺。
Murali说，用于石墨烯的掺杂工艺可能与用于硅的掺杂工艺明显不同。在硅中，掺杂步骤用不同材料的原子替换材料晶格中的硅原子。
在石墨烯的新单步过程中，掺杂被认为是在碳晶格附近引入氢原子和氧原子。氧和氢不会取代碳原子，而是占据晶格结构的顶部。
穆拉里说：“施加在SOG上的能量会破坏化学键，释放出与碳晶格结合的氢和氧。”。高电子束能量将整个SOG结构转化为更多的网络，然后氧气比氢气多，从而产生p型掺杂
Murali说，在批量生产中，电子束辐射可能会被传统的光刻工艺所取代。改变掩模组的反射率或透射率将控制到达SOG的辐射量，这将决定是创建n型还是p型区域。
他说：“一步到位就能避免一些昂贵的光刻步骤。”。“灰阶光刻技术可以对整个晶圆表面的掺杂进行精细控制。”
对于不需要图案绘制的互连体等大块区域，研究人员只需在该区域涂上HSQ，并将其暴露于等离子体源。这种技术可以使纳米带的导电性比未经处理的石墨烯高出10倍。
Murali指出，由于HSQ已经熟悉微电子行业，一步掺杂方法可以帮助将石墨烯集成到现有工艺中，避免大规模半导体设计和制造系统的中断。
在过去的两年中，纳米技术研究中心的研究人员观察到了在电气测试中应用HSQ所引起的变化。直到最近，他们才仔细研究发生了什么，以了解如何利用这一现象。
对于未来，他们希望更好地了解这个过程是如何工作的，以及其他聚合物是否可以提供更好的结果。
Murali解释说：“我们需要更好地理解如何控制这一过程，因为变异性是必须控制的问题之一，以使制造可行。”。“我们正试图找出其他聚合物，它们可能提供更好的控制或更强的兴奋剂水平。”