專利名稱：石墨烯場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新型電子器件，特別涉及以石墨烯場效應(yīng)晶體管，屬于電子器件和石墨烯技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石墨烯作為電極材料已經(jīng)用于電子器件領(lǐng)域，例如觸摸屏和光電池的透明導(dǎo)電電極等。在人們寄予最大希望的有源電子器件方面，特別是場效應(yīng)薄膜晶體管領(lǐng)域，雖然開展了廣泛深入的研究，但實質(zhì)性進展不大。到目前為止，改善措施主要是對絕緣層和石墨烯層進行處理。在絕緣層方面，主要是采用具有非極化表面的絕緣層，具體方法為采用六方結(jié)構(gòu)的氮化硼薄膜為絕緣層，或用有機材料對二氧化硅表面進行非極化修飾處理等。對石墨烯層進行處理的方法主要包括采用氫化、氧化或氟化等鈍化方法減少石墨烯的載流子濃度，降低溝道的導(dǎo)電率，以提高器件的源漏電壓。此外，在石墨烯層上下兩側(cè)分別設(shè)置絕緣層和柵極，也可以增大石墨烯場效應(yīng)器件的開關(guān)比(接近10)。所述的這些措施，雖有一定的效果，但并不能根本解決問題，而且有些方法還帶來相當嚴重的負面影響。理想狀態(tài)下的石墨烯實際帶隙為零，具備非常高的遷移率和載流子濃度，單層石墨烯的面電阻只有百歐姆量級，強行用于場效應(yīng)晶體管中，源漏電壓只能施加0.1伏特左右，而柵極電壓卻高達數(shù)十伏特，加之輸出特性完全是線性的，這些特性與數(shù)字電路的要求完全背離。即使用于模擬器件，高導(dǎo)電性和非線性也導(dǎo)致器件效率太低，需要一定程度的鈍化降低其導(dǎo)電性。鈍化又能導(dǎo)致遷移率明顯下降，與常規(guī)半導(dǎo)體器件相比，優(yōu)勢并不大，而工藝難度卻很大。石墨烯存在的上述矛盾實際是無法完全克服的，用石墨烯作有源層的半導(dǎo)體場效應(yīng)器件很難超過已有半導(dǎo)體器件的性能，取代硅用于大規(guī)模集成電路，其難度更是可想而之了。 本發(fā)明完全基于全新的原理，利用石墨烯的超薄結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一種高性能薄膜晶體管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種新型石墨烯場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，技術(shù)方案如下所述。石墨烯場效應(yīng)晶體管，基本結(jié)構(gòu)包括柵極、源極、漏極、絕緣層和有源層，其特征在于，所述的有源層由經(jīng)過鈍化處理后具有絕緣體或半導(dǎo)體特性的石墨烯和其它半導(dǎo)體材料復(fù)合而成，石墨烯的主要功能是在絕緣層表面與石墨烯之間形成高遷移率溝道，而其它半導(dǎo)體材料的功能與在普通半導(dǎo)體場效應(yīng)管中相似。施加?xùn)艍簳r，載流子穿過石墨烯層，在石墨烯與絕緣層之間形成導(dǎo)電溝道。絕緣層和石墨烯層的設(shè)置保證兩層之間周期性勢場很弱，即絕緣層表面基本沒有懸掛鍵，石墨烯表面基本沒有共價鍵，導(dǎo)致載流子在該導(dǎo)電溝道中具有高遷移率。所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管，包括底柵和頂柵兩種結(jié)構(gòu)，底柵結(jié)構(gòu)如圖1、圖2和圖3所示。襯底11上首先設(shè)置柵極12，柵極之上設(shè)置絕緣層13，絕緣層上設(shè)置鈍化石墨烯層16，再設(shè)置其它半導(dǎo)體層17。源極14和漏極15可以設(shè)置在石墨烯層之下(圖1)，也可以設(shè)置在石墨烯層之上(圖2)，還可以設(shè)置在半導(dǎo)體層之上(圖3)，半導(dǎo)體層之上可以設(shè)置保護層18。頂柵結(jié)構(gòu)如圖4、圖5、圖6所示，在襯底21上首先沉積半導(dǎo)體材料層27，然后設(shè)置鈍化石墨烯層26。源極24和漏極25可以設(shè)置在石墨烯之上(圖4)，亦可以設(shè)置在石墨烯之下(圖5)，還可以設(shè)置在半導(dǎo)體層之下(圖6);石墨烯層上設(shè)置絕緣層23和柵極22。如圖7所示，頂柵結(jié)構(gòu)中，也可以用襯底31本身作為半導(dǎo)體材料，在其上設(shè)置鈍化石墨烯層36。源極34和漏極35可設(shè)置在石墨烯層之上(圖7)，也可以設(shè)置在其下(圖8)；在石墨烯層之上制備絕緣層33和柵極32。所述的其它半導(dǎo)體材料范圍極寬，包括已知的各類半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料的帶隙寬度有較大的選擇范圍，結(jié)晶和不結(jié)晶的半導(dǎo)體材料也都在可選范圍內(nèi)，這就可以構(gòu)成各種不同要求的器件，如高壓、高頻、高速器件，以及各種敏感器件等。所述的絕緣層由單層或多層薄膜構(gòu)成，為了保證絕緣層表面基本沒有懸掛鍵，單層結(jié)構(gòu)的絕緣層或多層結(jié)構(gòu)的絕緣層中與石墨烯相鄰的一層采用基本沒有懸掛鍵的材料。這里所述的基本沒有懸掛鍵的材料包括111晶面取向的立方晶體結(jié)構(gòu)的鉿和鋯的二元或三元氧化物，即氧化鉿、氧化鋯、氧化鋯鉿，還包括111晶面取向的立方晶體結(jié)構(gòu)的鎂、鈣、鍶、鋇、鋅、鎘的二元或三元氟化物。所述鎂、鈣、鍶、鋇、鋅、鎘的三元氟化物中，特別包括氟化鍶鋇，其中鍶和鋇的原子數(shù)目比為1:1。所述的鎂、鈣、鍶、鋇、鋅、鎘的三元氟化物中，金屬原子的化學(xué)配置保證氟原子間距等于0.423納米，相對誤差應(yīng)在1%以內(nèi)，這樣的結(jié)構(gòu)能夠與石墨烯實現(xiàn)晶格匹配。所述的石墨烯 層可以通過氣相沉積方法直接設(shè)置在絕緣層或半導(dǎo)體層上，后進行鈍化處理；也可以將采用其它方法制備的鈍化石墨烯層轉(zhuǎn)移到絕緣層或半導(dǎo)體層上；還可以將未鈍化的石墨烯層轉(zhuǎn)移后進行鈍化處理。所述的鈍化處理指的是對石墨烯中的離域大pai鍵進行鈍化處理，使得石墨烯具有絕緣體或半導(dǎo)體特性；所述的鈍化處理包括氫化、氟化、氯化、溴化、碘化、氧化、硫化、硒化或碲化等，形成氫碳鍵、氟碳鍵、氯碳鍵、溴碳鍵、碘碳鍵、氧碳鍵、硫碳鍵、硒碳鍵或碲碳鍵，鈍化處理可以在等離子中進行，也可在溶液中進行。本發(fā)明與當前廣泛研究的石墨烯場效應(yīng)管有著本質(zhì)的區(qū)別。已有的研究中，單層或少層石墨烯自身作為有源層，其高導(dǎo)電性和高遷移率共存。柵極上施加電壓時，只是改變了載流子在石墨烯層中的位置分布，因此產(chǎn)生一定大小的帶隙，引起的載流子濃度和遷移率的同時降低，從而導(dǎo)電性變小。在普通的半導(dǎo)體場效應(yīng)管中，柵壓控制溝道的形成與消失，因此導(dǎo)電性變化可達百萬倍量級，而且輸出特性高度非線性。石墨烯場效應(yīng)管中，柵壓僅僅導(dǎo)致載流子濃度和遷移率的一定程度的改變，因此開關(guān)比很小，即使柵壓高達數(shù)十伏特，開關(guān)比也難超過3，而且輸出特性是線性的。本發(fā)明中，石墨烯基本不導(dǎo)電或?qū)щ娐屎艿停c普通半導(dǎo)體材料共同構(gòu)成有源層，石墨烯自身主要起到勢壘功能。在柵壓作用下，載流子發(fā)生隧穿效應(yīng)，在石墨烯層與絕緣層之間形成溝道。采用沒有表面態(tài)的絕緣層，加之石墨烯層單面鈍化，即與半導(dǎo)體層相鄰的一面鈍化，則在所述的溝道里周期性勢場很弱，溝道遷移率可以超過104cm/VS。雖然溝道的形成機制不同，但在柵壓控制溝道的有無這一點上，本發(fā)明與已有的半導(dǎo)體場效應(yīng)管差相似，因此輸出特性也相似，即具有高開關(guān)比和非線性輸出。本發(fā)明利用石墨烯的超薄結(jié)構(gòu)特性，人為的在絕緣層和石墨烯層之間形成一高遷移率溝道，解決了當前半導(dǎo)體場效應(yīng)管中遷移率只有幾百cm/vs的問題，大幅度提高器件的速率。本發(fā)明的工作原理如下:在柵極電壓作用下，載流子通過隧道效應(yīng)穿過石墨烯層，在源極和漏極之間形成導(dǎo)電溝道。柵極電壓可以控制源漏極之間的電流。本發(fā)明的核心技術(shù)之一是，在絕緣層上基本沒有界面態(tài)電荷，當柵極電壓取消時，導(dǎo)電溝道消失。已知的沒有界面態(tài)的材料包括碘化鋅、碘化鎘、二硫化鑰、二硫化鎢、二硫化鈮、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鉿、氟化堿土金屬等，但具備高擊穿電場的只有本專利要求中所述的幾種，其中二氧化鋯和二氧化鉿還屬于高k材料，時下廣泛用于大規(guī)模集成電路中。石墨烯材料在蜂窩狀的平面外只有非常弱的離域大pai鍵，由于導(dǎo)電性太高，不能作為半導(dǎo)體層，更不能作為勢壘層，必須進行鈍化。依據(jù)鈍化程度，可以成為半導(dǎo)體，也可以成為絕緣體。由于鈍化后的化學(xué)鍵基本是共價鍵，鍵能增大數(shù)十倍，載流子遷移率大降，因此作為半導(dǎo)體層應(yīng)用是 沒有意義的。本發(fā)明中采用其為勢壘層，不存在上述問題。為了進一步提高載流子的遷移率，優(yōu)選的鈍化方式是硫化、氯化和硒化。由于硫、氯和硒的離子和原子半徑較大，一般情況下穿不過石墨烯的蜂窩孔，鈍化發(fā)生在單邊，鈍化原子的分布呈周期性，形成的微弱的范德華勢場也是周期性的。如果鈍化發(fā)生在石墨烯的雙側(cè)，則在石墨烯與絕緣層之間將出現(xiàn)共價鍵，降低載流子的遷移率，因此先設(shè)置石墨烯層，再鈍化的底柵結(jié)構(gòu)器件一般情況下具有更好的性能。需要說明的是，石墨烯層的鈍化程度與半導(dǎo)體層的材料選擇有關(guān)，如果鈍化程度高，得到的石墨烯層的帶隙較寬，這就需要半導(dǎo)體層的親合勢較小，使得石墨烯層與半導(dǎo)體層之間的勢壘接近零，用以減小載流子隧穿需要的柵極電壓。如果石墨烯的鈍化程度高，而半導(dǎo)體材料親合勢較大時，則導(dǎo)電溝道將出現(xiàn)在石墨烯與半導(dǎo)體層之間，形成的是低遷移率溝道，與普通半導(dǎo)體材料構(gòu)成的場效應(yīng)管就基本沒有差別了。普通半導(dǎo)體材料構(gòu)成的場效應(yīng)管，包括MOS場效應(yīng)管在內(nèi)，即使采用單晶材料的半導(dǎo)體，在與絕緣層的界面之間既存在較強的橫向周期勢場，也存在相當密度的界面態(tài)，這就導(dǎo)致載流子的溝道遷移率遠小于單晶體材料中的遷移率。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)后，石墨烯和絕緣層之間周期性勢場很弱，而且界面態(tài)也基本為零，理想情況下的載流子遷移率遠超過104cm2/VS，為常規(guī)半導(dǎo)體器件的數(shù)十倍，這就為新一代集成電路和高速器件的發(fā)展提供了可靠的基礎(chǔ)。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明不僅解決了已有石墨烯場效應(yīng)管的致命缺陷，而且具備遠遠超過普通場效應(yīng)管的性能。


圖1、圖2和圖3為底柵結(jié)構(gòu)示意圖，其中11為襯底，12為柵極，13為絕緣層，14為源極，15為漏極，16為石墨烯層，17為半導(dǎo)體層，18為保護層。圖1中源極和漏極位于石墨烯層之上，圖2中源極和漏極位于石墨烯層之下，圖3中源極和漏極位于半導(dǎo)體層之下。圖4、圖5和圖6為頂柵結(jié)構(gòu)示意圖，其中21為襯底，22為柵極，23為絕緣層，24為源極，25為漏極，26為石墨烯層，27為半導(dǎo)體層。圖4中源極和漏極位于石墨烯層之上，圖5中源極和漏極位于石墨烯層之下，圖6中源極和漏極位于半導(dǎo)體層之下。圖7和圖8為襯底兼作為半導(dǎo)體層的頂柵結(jié)構(gòu)示意圖，其中31為襯底，32為柵極，33為絕緣層，34為源極，35為漏極，36為石墨烯層。圖7中源極和漏極位于石墨烯層之上，圖8中源極和漏極位于石墨烯層之下。
具體實施例方式以下以幾個實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1:
底柵結(jié)構(gòu)，襯底為半絕緣硅片，其上首先制備金屬鉻-鈀復(fù)合薄膜柵極，再制備氧化鋁/氟化鍶鋇絕緣層，其中氧化鋁厚度50納米，氟化鍶厚度10納米。氟化鍶鋇與石墨烯晶格匹配，其上采用CVD方法沉積單層石墨烯，同時制備源極和漏極。在等氯離子體中對石墨烯進行鈍化處理，然后在其上沉積氮化鋯半導(dǎo)體層和氧化鋁保護層，構(gòu)成完整的器件。實施例2:
底柵結(jié)構(gòu)，襯底為半絕緣硅片，其上首先制備金屬鉻-金復(fù)合薄膜柵極，再制備氧化鋁/氧化鉿絕緣層，其中氧化鋁厚度20納米，氧化鉿厚度10納米。氧化鉿上采用CVD方法沉積單層石墨烯， 同時制備源極和漏極。在溴等離子體中對石墨烯進行鈍化處理，然后在其上沉積硫化鎘半導(dǎo)體層和氧化鋁保護層，構(gòu)成完整的器件。實施例3:
頂柵結(jié)構(gòu)，襯底為絕緣碳化硅片，其上首先制備n型硅半導(dǎo)體層，用CVD法在銅箔上制備單層石墨烯，然后轉(zhuǎn)移到n型硅半導(dǎo)體層上，并進行氫化處理，制備金屬源極和漏極后，再制備氧化鉿/氧化鋁絕緣層，其中氧化鋁厚度20納米，氧化鉿厚度6納米。最后制備頂柵極，構(gòu)成完整器件。實施例4:
頂柵結(jié)構(gòu)，襯底為n型半導(dǎo)體硅片，用CVD法在銅箔上制備單層石墨烯，先進行氟化處理后，再轉(zhuǎn)移到硅片上。制備金屬源極和漏極后，再制備氧化鉿/氧化鋁絕緣層，其中氧化鋁厚度20納米，氧化鉿厚度6納米。最后制備頂柵極，構(gòu)成完整器件。實施例5:
頂柵結(jié)構(gòu)，襯底為絕緣碳化硅片，其上首先制備n型非晶硅半導(dǎo)體層，用CVD法沉積單層石墨烯并進行氯化處理，制備金屬源極和漏極后，再制備氟化鍶鋇/氧化鋁絕緣層，其中氟化鍶鋇厚度6納米，氧化鋁厚度20納米。最后制備頂柵極，構(gòu)成完整器件。
權(quán)利要求
1.石墨烯場效應(yīng)晶體管，基本結(jié)構(gòu)包括柵極、源極、漏極、絕緣層和有源層，其特征在于，所述的有源層由經(jīng)過鈍化處理后具有絕緣體或半導(dǎo)體特性的石墨烯和其它半導(dǎo)體材料復(fù)合而成，石墨烯的主要功能是在絕緣層表面與石墨烯之間形成高遷移率溝道，而其它半導(dǎo)體材料的功能與在普通半導(dǎo)體場效應(yīng)管中相似；施加?xùn)艍簳r，載流子穿過石墨烯層，在石墨烯與絕緣層之間形成導(dǎo)電溝道；絕緣層和石墨烯層的設(shè)置保證兩層之間周期性勢場很弱，即絕緣層表面基本沒有懸掛鍵，石墨烯表面基本沒有共價鍵，導(dǎo)致載流子在該導(dǎo)電溝道中具有高遷移率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，對于底柵結(jié)構(gòu)，襯底上首先設(shè)置柵極，柵極之上設(shè)置絕緣層，絕緣層上設(shè)置鈍化石墨烯層，再設(shè)置半導(dǎo)體層；源極和漏極可以設(shè)置在石墨烯層之下，也可以設(shè)置在石墨烯層之上，還可以設(shè)置在半導(dǎo)體層之上；半導(dǎo)體層之上可以設(shè)置保護層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，對于頂柵結(jié)構(gòu)，在襯底上首先沉積半導(dǎo)體材料層，然后設(shè)置鈍化石墨烯層；源極和漏極可以設(shè)置在石墨烯層之上，亦可以設(shè)置在石墨烯層之下，還可以設(shè)置在半導(dǎo)體層之下，石墨烯層上設(shè)置絕緣層和柵極；頂柵結(jié)構(gòu)中，也可以用襯底本身作為半導(dǎo)體材料，在其上設(shè)置鈍化石墨烯層，源極和漏極可設(shè)置在石墨烯層之上，也可以設(shè)置在其下，在石墨烯層之上制備絕緣層和柵極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的絕緣層由單層或多層薄膜構(gòu)成，為了保證絕緣層表面基本沒有懸掛鍵，單層結(jié)構(gòu)的絕緣層或多層結(jié)構(gòu)的絕緣層中與石墨烯相鄰的一層采用基本沒有懸掛鍵的材料；這里所述的基本沒有懸掛鍵的材料包括111晶面取向的立方晶體結(jié)構(gòu)的鉿和鋯的二元或三元氧化物，即氧化鉿、氧化鋯、氧化錯鉿，還包括111晶面取向的立方晶體結(jié)構(gòu)的鎂、I丐、銀、鋇、鋅、鎘的二元或三元氟化物；所述鎂、鈣、鍶、鋇、鋅、鎘的三元氟化物中，特別包括氟化鍶鋇，其中鍶和鋇的原子數(shù)目比為1:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的鎂、鈣、鍶、鋇、鋅、鎘的三元氟化物中，金屬原子的化學(xué)配置保證氟原子間距等于0.423納米，相對誤差應(yīng)在1%以內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的石墨烯層可以通過氣相沉積方法直接設(shè)置在絕緣層或半導(dǎo)體層上，后進行鈍化處理；也可以將采用其它方法制備的鈍化石墨烯層轉(zhuǎn)移到絕緣層或半導(dǎo)體層上；還可以將未鈍化的石墨烯層轉(zhuǎn)移后進行鈍化處理；所述的鈍化處理指的是對石墨烯中的離域大Pai鍵進行鈍化處理，使得石墨烯具有絕緣體或半導(dǎo)體特性；所述的鈍化處理包括氫化、氟化、氯化、溴化、碘化、氧化、硫化、硒化或碲化等，形成氫碳鍵、氟碳鍵、氯碳鍵、溴碳鍵、碘碳鍵、氧碳鍵、硫碳鍵、硒碳鍵或碲碳鍵，鈍化處理可以在等離子中進行，也可在溶液中進行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，為了保證石墨烯在與絕緣層相鄰的界面上基本沒有共價鍵，所述的石墨烯采用單側(cè)鈍化，即鈍化原子位于石墨烯與其它半導(dǎo)體材料相鄰的一側(cè)。
全文摘要
石墨烯隧效應(yīng)晶體管，屬于電子技術(shù)和石墨烯技術(shù)領(lǐng)域?；窘Y(jié)構(gòu)包括柵極、源極、漏極、絕緣層和有源層。有源層由經(jīng)過鈍化處理的具有絕緣體或半導(dǎo)體特性的單層或多層石墨烯和其它半導(dǎo)體材料復(fù)合而成。本發(fā)明成功的解決了已有石墨烯場效應(yīng)管的致命弱點，而且有超過常規(guī)半導(dǎo)體場效應(yīng)管的高性能。本發(fā)明可促進石墨烯在電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
文檔編號H01L29/786GK103247689SQ20121002455
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月4日
發(fā)明者李德杰 申請人:李德杰