專利名稱：被硼和氮代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
示例性實施方式涉及被硼和氮代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶體管。
背景技術(shù)：
石墨烯是由碳(C)原子形成的六邊形單層結(jié)構(gòu)。石墨烯呈現(xiàn)優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性， 且具有半金屬特性。該半金屬特性歸因于在僅一個點(即，狄拉克點)處彼此重疊的導(dǎo)帶和價帶。此外，石墨烯具有2維彈道傳輸特性。因而，石墨烯中電子的遷移率非常高。由于石墨烯是零帶隙半導(dǎo)體，其中使用石墨烯作為溝道的場效應(yīng)晶體管呈現(xiàn)非常大的關(guān)閉電流(off-current)和非常小的開-關(guān)比。因而，難以將石墨烯應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管。為了使用石墨烯作為場效應(yīng)晶體管的溝道，應(yīng)在石墨烯中形成帶隙。如果溝道寬度低于IOnm且邊緣以扶手椅的形狀形成，則由于尺寸效應(yīng)而形成帶隙。然而，難以圖案化低于IOnm的溝道寬度，和更特別地，難以圖案化扶手椅形狀的邊緣。

發(fā)明內(nèi)容
示例性實施方式涉及被硼和氮代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶體管。提供被硼和氮代替以形成帶隙的石墨烯和具有其的晶體管。另外的方面將在接著的描述中部分地闡明和部分地將從所述描述明晰，或者可通過所呈現(xiàn)的實施方式的實踐獲知。根據(jù)示例性實施方式，提供包括碳(C)原子被硼(B)原子和氮(N)原子部分地代替的結(jié)構(gòu)的石墨烯，其中該石墨烯具有帶隙。所述B原子和N原子可代替所述石墨烯的C原子的約1 % 約20%。所述B原子和N原子的密度之間的差低于1013cnT2。所述石墨烯的C原子被所述B原子和N原子基本上以相同的比例代替。根據(jù)示例性實施方式，提供包括由石墨烯形成的溝道的晶體管，其中通過用硼(B) 原子和氮(N)原子部分地代替碳(C)原子在所述石墨烯中形成帶隙。根據(jù)示例性實施方式，提供通過使用環(huán)硼氮烷或氨硼烷作為氮化硼(B-N)前體進行化學(xué)氣相沉積(CVD)方法來制造石墨烯的方法。


由結(jié)合附圖考慮的實施方式的下列描述，這些和/或其它方面將變得明晰和更易理解，其中圖1為根據(jù)示例性實施方式的其中形成帶隙的石墨烯的示意圖；圖2為顯示根據(jù)密度泛函理論計算被B和N代替的石墨烯的帶隙的結(jié)果的圖；圖3為根據(jù)示例性實施方式的其中形成帶隙的石墨烯的示意圖4為顯示根據(jù)密度泛函理論計算被六邊形氮化硼代替的石墨烯的帶隙的結(jié)果的圖；和圖5為包括根據(jù)示例性實施方式的石墨烯的場效應(yīng)晶體管的截面圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照其中示出一些示例性實施方式的附圖更充分地描述各種示例性實施方式。然而，為了描述示例性實施方式，本文中公開的特定結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)僅僅是代表性的。因而，本發(fā)明可以許多替代形式體現(xiàn)且不應(yīng)解釋為限于僅本文中闡明的示例性實施方式。因此，應(yīng)理解，不存在將示例性實施方式限于所公開的具體形式的意圖，而是相反，示例性實施方式意在涵蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變型、等同物和替換物。在附圖中，為了清楚，可夸大層和區(qū)域的厚度，且在整個附圖描述中，相同的附圖標記是指相同的元件。盡管術(shù)語第一、第二等可在本文中用來描述各種元件，但是這些元件不應(yīng)被這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用來使一個元件區(qū)別于另一元件。例如，第一元件可稱為第二元件， 和類似地，第二元件可被稱為第一元件，而不脫離示例性實施方式的范圍。如本文中所使用的術(shù)語“和/或”包括關(guān)聯(lián)的列舉項的一個或多個的任何和全部組合。應(yīng)理解，如果一個元件稱為與另一元件“連接”或“結(jié)合”，其可與所述另一元件直接連接或結(jié)合，或者可存在中間元件。相反，如果一個元件被稱為與另一元件“直接連接” 或“直接結(jié)合”，則不存在中間元件。用于描述元件之間的關(guān)系的其它詞語應(yīng)以類似的方式解釋(例如，“在......之間”對“直接在......之間”、“鄰近的”對“直接鄰近的”等)。本文中使用的術(shù)語僅僅是為了描述具體實施方式
且不意在限制示例性實施方式。 如本文中所使用的單數(shù)形式“一種(個)(a，an)”和“該”也意在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚地另作說明。應(yīng)進一步理解，術(shù)語“含有”、“包括”和/或“包含”如果用在本文中，則表示存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組分，但不排除存在或添加一種或多種其它特征、整體、步驟、操作、元件、組分和/或其集合。為了便于描述，在本文中可使用空間相對術(shù)語(例如，“在......之下”、
“在......下面”、“下部”、“在......上方”、“上部”等)來描述如圖中所示的一個元件或
特征與另外的元件或特征之間的關(guān)系。應(yīng)理解，除圖中所示的方位之外，空間相對術(shù)語還意在包括在使用或操作中的設(shè)備的不同方位。例如，如果翻轉(zhuǎn)圖中的設(shè)備，則被描述為“在”其它元件或特征“下面”或“之下”的元件將被定向在其它元件或特征的“上方”。因而，例如，
術(shù)語“在......下面”可包括在......上方以及在......下面兩種方位。設(shè)備可以其它
方式定向(旋轉(zhuǎn)90度或在其它方位上觀察或定位)，并且本文中所使用的空間相關(guān)描述詞應(yīng)相應(yīng)地解釋。在本文中參考作為理想化實施方式(和中間結(jié)構(gòu))的示意圖的橫截面圖描述示例性實施方式。這樣，可預(yù)期所述圖的形狀由于例如制造技術(shù)和/或公差的變化。因而，示例性實施方式不應(yīng)解釋為限于在本文中所圖示的區(qū)域的具體形狀，而是可包括由例如制造產(chǎn)生的形狀上的偏差。例如，圖示為長方形的植入?yún)^(qū)域可具有圓形或曲線特征和/或在其邊緣處的梯度(例如，植入濃度梯度)，而不是從植入?yún)^(qū)域到非植入?yún)^(qū)域的突變。同樣，由植入形成的掩埋區(qū)可在介于掩埋區(qū)和穿過其可發(fā)生植入的表面之間的區(qū)域中引起一些植入。因而，圖中所示的區(qū)域在本質(zhì)上是示意性的，并且它們的形狀不一定圖示設(shè)備的區(qū)域的實際形狀且不限制所述范圍。還應(yīng)注意，在一些替代實施中，所指明的功能/行為可不按照圖中所指明的順序發(fā)生。例如，取決于所涉及的功能/行為，接連示出的兩個圖可實際上基本上同時執(zhí)行或者可有時以相反的順序執(zhí)行。為了更具體地描述示例性實施方式，將參照附圖詳細描述各方面。然而，本發(fā)明不限于所描述的示例性實施方式。示例性實施方式涉及被硼和氮代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶體管。由于具有相同勢能的兩個電子態(tài)存在于石墨烯的費米能級處，石墨烯具有零帶隙。具有相同勢能的兩個電子態(tài)存在于石墨烯的費米能級處的原因是石墨烯的晶胞內(nèi)的兩個電子形成子晶格對稱。相反，具有被破壞的子晶格對稱的六邊形氮化硼呈現(xiàn)約5. 5eV的相對高的帶隙。為了在石墨烯中形成帶隙，必須破壞石墨烯的子晶格對稱。在這點上，可用雜質(zhì)或不同于碳的原子非對稱地代替石墨烯中的碳(C)原子。例如，可通過用硼(B)原子代替C 原子在石墨烯中形成帶隙。為了增大石墨烯的帶隙，必須顯著提高B的密度?；蛘?，也可用氮(N)原子或其它原子而不是B原子來代替石墨烯中的C原子。當用B原子或N原子代替石墨烯的C原子時，在石墨烯中形成額外的電子或空穴。 因此，如果使用具有帶隙的石墨烯作為場效應(yīng)晶體管的溝道，過度的柵電壓是形成載流子耗盡所必需的。圖1為根據(jù)示例性實施方式的其中形成帶隙的石墨烯的示意圖。參照圖1，在兩個晶胞中形成由B和N組成的二聚體。在圖1中所示的排列中，超晶胞由3X3個晶胞組成且被一對B-N 二聚體代替。所述超晶胞可被B原子和N原子代替，所述B原子和N原子各自為不同B-N 二聚體的部分。一個超晶胞包括九個晶胞，且所述晶胞各自具有兩個C原子位置，且因此有2/18的雜質(zhì)原子。 換言之，C原子的約11 %被雜質(zhì)代替。圖2為顯示根據(jù)密度泛函理論計算被B和N代替的石墨烯的帶隙的結(jié)果的圖。在圖2中，η表示超晶胞中包括的晶胞數(shù)目的平方根。例如，關(guān)于圖1中所示的排列，η的值為3。參照圖2，兩個C原子分別被一對B原子和N原子代替。隨著超晶胞的尺寸η增大，石墨烯的帶隙減小。當η為2時，超晶胞包括25原子％的雜質(zhì)，且由此石墨烯的獨特特性可惡化。當η超過10時，超晶胞包括低于1原子％的雜質(zhì)且石墨烯的帶隙減小至約低于 0.05eV，且由此當該石墨烯用作場效應(yīng)晶體管的溝道時，該石墨烯呈現(xiàn)小的開/關(guān)比。因此，超晶胞可具有約3 約10的η值，且石墨烯的帶隙可為約0. 05eV 約0. 3eV0可通過以類似的密度將B和N代替-摻雜到石墨烯中來保證使用石墨烯作為溝道的場效應(yīng)晶體管的足夠的柵可控性。對于使用普通柵電壓的柵控制，用B和N的二聚體摻雜的石墨烯中的B和N的摻雜密度之間的差必須低于1013cm_2。如果石墨烯中B和N的摻雜密度之間的差超過1013cm_2，則更大的柵電壓變?yōu)楸仨毜摹４送?，在使用石墨烯作為溝道的場效?yīng)晶體管中，B和N的摻雜密度必須在1原子％ (IO13Cm-2)以上以形成合適的帶隙和必須在20原子％以下以保持石墨烯的獨特特性。
為了制造被B和N代替的石墨烯，當通過使用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法形成石墨烯時，將B源(例如，BCl3)和N源(例如，N2或NH3)與作為C前體的含C氣體(例如，C2H4、 CH4等)一起供應(yīng)到CVD室中?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)B前體和N前體的濃度控制石墨烯的帶隙。與其它III-V原子對相比，B-N對的鍵長和鍵強度與石墨烯的C結(jié)構(gòu)的那些類似， 且因此即使在用B-N代替之后也可保持石墨烯的串列(string) sp2o鍵合和Ρζ π鍵合。圖3為根據(jù)示例性實施方式的其中形成帶隙的石墨烯的示意圖。參照圖3，六邊形氮化硼代替六邊形C結(jié)構(gòu)。超晶胞由4X4個晶胞組成，且3個B 原子和3個N原子排列在一個超晶胞中。由于一個超晶胞由16個晶胞組成且所述晶胞各自具有兩個原子位置，因此有6/32的雜質(zhì)原子。換言之，C原子的約19%被雜質(zhì)代替。圖4為顯示根據(jù)密度泛函理論計算的被六邊形氮化硼代替的石墨烯的帶隙的結(jié)果的圖。在圖4中，η表示超晶胞中包括的晶胞數(shù)目的平方根。例如，關(guān)于圖3中所示的排列，η為4。參照圖4，三個B原子和三個N原子代替超晶胞中的C原子。隨著超晶胞的尺寸η 增加，石墨烯的帶隙減小。在圖4中，石墨烯的帶隙曲線由兩條曲線Gl和G2表示。曲線G2 表示其中超晶胞的η為3的倍數(shù)的情況，和曲線Gl表示其中超晶胞的η不是3的倍數(shù)的情況。如圖4中所示，其中η為3的倍數(shù)的情況中的帶隙大于其中η的值不是3的倍數(shù)的情況中的帶隙。當η為3時，超晶胞包括33原子％的雜質(zhì)，且由此石墨烯的獨特特性可惡化。當 η超過18時，超晶胞包括少于1原子％的雜質(zhì)且石墨烯的帶隙可太低以至于不能使用石墨烯作為場效應(yīng)晶體管的溝道。因此，超晶胞可具有約4 約17的η值，和石墨烯的帶隙可為約 0. 05eV 約 0. 45eV0為了制造被氮化硼代替的石墨烯，當通過使用CVD方法形成石墨烯時，將B源(例如，BCl3)和N源(例如，N2或NH3)與作為C前體的含C氣體(例如，C2H4, CH4等)一起供應(yīng)到CVD室中。具有(HB)3-(NH)3A邊形結(jié)構(gòu)的環(huán)硼氮烷可用作B和N前體。在使用環(huán)硼氮烷的情況下，容易以1 1的比例供應(yīng)B和N。即使在通過使用CVD方法在高溫下生長石墨烯時環(huán)硼氮烷的結(jié)構(gòu)被破壞，也保持化學(xué)計量。與C原子相比，B原子和N原子分別相對容易地與其它N原子和B原子結(jié)合。當被B和N代替的石墨烯使用環(huán)硼氮烷制備時，環(huán)硼氮烷的六邊形結(jié)構(gòu)可保持，且因此，被B和N代替的石墨烯在能量方面可為非常穩(wěn)定的?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)作為B-N前體的環(huán)硼氮烷的量容易地控制石墨烯的帶隙?；蛘撸墒褂米鳛橐? 1的比例含有B原子和N原子的前體的氨硼烷代替環(huán)硼氮烷。氨硼烷的化學(xué)式為bh3-NH3。圖5為包括根據(jù)示例性實施方式的石墨烯的場效應(yīng)晶體管的截面圖。參照圖5，石墨烯溝道110、源電極121和漏電極122形成于基底101上?；?01 可為硅基底。絕緣膜102形成于基底101與石墨烯溝道110、源電極121和漏電極122之間。絕緣膜102可由氧化硅形成。源電極121和漏電極122可由普通金屬(例如，鋁(Al)、 鉬(Mo)等)形成。石墨烯溝道110可由被B和N代替的石墨烯形成。B原子和N原子可代替石墨烯的C原子的約 約20%。石墨烯中B和N的代替密度之間的差可低于1013cm_2。如果石墨烯的B和N的代替密度之間的差超過IO13CnT2，則用于控制柵極的閾電壓增加。柵極氧化物130和柵電極132順序堆疊在石墨烯溝道110上。柵電極132可由鋁 (Al)或多晶硅形成。柵極氧化物130可由氧化硅形成。盡管圖5顯示使用被B和N代替的石墨烯作為溝道的場效應(yīng)晶體管具有頂柵結(jié)構(gòu)，但是示例性實施方式不限于此。例如，使用被B和N代替的石墨烯作為溝道的場效應(yīng)晶體管可具有底柵結(jié)構(gòu)，其中省略其詳細描述。根據(jù)示例性實施方式的石墨烯具有帶隙并且可起到場效應(yīng)晶體管的溝道的作用。在石墨烯的制造期間，通過使用環(huán)硼氮烷或氨硼烷作為前體，石墨烯可被相同比例的B原子和N原子代替。應(yīng)理解，本文中描述的示例性實施方式應(yīng)僅在描述性的意義上考慮而不是為了限制。在各示例性實施方式中的特征或方面的描述應(yīng)典型地被認為可用于其它示例性實施方式中的其它類似特征或方面。
權(quán)利要求
1.石墨烯，包括碳(C)原子被硼(B)原子和氮(N)原子部分地代替的結(jié)構(gòu)，其中所述石墨烯具有帶隙。
2.權(quán)利要求1的石墨烯，其中所述B原子和N原子代替所述石墨烯的C原子的1% 20%。
3.權(quán)利要求1的石墨烯，其中所述B原子和N原子的密度之間的差低于1013cnT2。
4.權(quán)利要求3的石墨烯，其中所述B原子和N原子以相同的比例存在于所述石墨烯中。
5.權(quán)利要求4的石墨烯，其中所述石墨烯的C原子被至少一個具有所述B原子之一和所述N原子之一的二聚體或者至少一個具有所述B原子中的三個和所述N原子中的三個的六邊形結(jié)構(gòu)部分地代替。
6.晶體管，包括由根據(jù)權(quán)利要求1的石墨烯形成的溝道。
7.權(quán)利要求6的晶體管，其中所述B原子和N原子代替所述石墨烯的C原子的1% 20%。
8.權(quán)利要求6的晶體管，其中所述B原子和N原子的密度之間的差低于1013cnT2。
9.權(quán)利要求8的晶體管，其中所述B原子和N原子以相同的比例存在于所述石墨烯中。
10.權(quán)利要求9的晶體管，其中所述石墨烯的C原子被至少一個具有所述B原子之一和所述N原子之一的二聚體或者至少一個具有所述B原子中的三個和所述N原子中的三個的六邊形結(jié)構(gòu)部分地代替。
11.制造被硼和氮代替的石墨烯的方法，包括通過使用環(huán)硼氮烷或氨硼烷作為B-N前體進行化學(xué)氣相沉積(CVD)方法形成根據(jù)權(quán)利要求1的石墨烯。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述B原子和N原子代替所述石墨烯的C原子的1% 20%。
13.權(quán)利要求11的方法，其中所述B原子和N原子以相同的比例存在于所述石墨烯中。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述B-N前體為具有所述B原子之一和所述N原子之一的二聚體或具有所述B原子中的三個和所述N原子中的三個的六邊形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
提供被氮和硼代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶體管，該石墨烯包括碳(C)原子被硼(B)原子和氮(N)原子部分地代替的結(jié)構(gòu)。該石墨烯具有帶隙。被硼和氮代替的石墨烯可用作場效應(yīng)晶體管的溝道。該石墨烯可通過使用環(huán)硼氮烷或氨硼烷作為氮化硼(B-N)前體進行化學(xué)氣相沉積(CVD)方法形成。
文檔編號C01B35/00GK102285660SQ20111016467
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者徐順愛, 李晟熏, 禹輪成, 許鎮(zhèn)盛, 鄭現(xiàn)鐘 申請人:三星電子株式會社