專利名稱：石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種柔性場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及該種器件的一種制造方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管是基于硅襯底的，溝道采用摻雜的硅，柵介質(zhì)采用二氧化硅或者高K材料，柵材料有多晶硅和金屬，柵的結(jié)構(gòu)有頂柵、側(cè)柵、背柵和環(huán)柵等，柵壓通過(guò)金屬互連線由外部電源供給。石墨烯具有很多優(yōu)異的性能，它是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最薄的材料，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和很好的延展性，它的抗斷強(qiáng)度達(dá)到42N nT1，是鋼的200倍，抗張強(qiáng)度可以達(dá)至Ij 130Gpa(Changgu Lee and Xiaoding Wei et al. , Measurement of the ElasticProperties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene,Science Vol.321,2008)。更為重要的是，石墨烯的有效質(zhì)量為零，室溫下它的載流子在微米輸運(yùn)長(zhǎng)度內(nèi)幾乎不發(fā)生散射，具有很高的本征遷移率，可達(dá)到200000cm2/Vs (S. V. Morozov and K. S. Novoselov etal. , Giant Intrinsic Carrier Mobilities in Graphene and Its Bilayer, PhysicalReview Letters 100016022008)。如何利用石墨烯制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種利用石墨烯制備壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法。本發(fā)明提供一種石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括柔性襯底，在所述柔性襯底上設(shè)有源、漏電極，以及連接源、漏電極的石墨烯材料，在石墨烯材料上設(shè)有一裹著介質(zhì)層的氧化鋅納米線，所述石墨烯材料作為溝道，所述氧化鋅納米線作為柵電極。本發(fā)明壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用氧化鋅納米線做柵電極，石墨烯做溝道，通過(guò)施加外力來(lái)控制晶體管的工作狀態(tài)。施加外力的方法有多種，可以人為手動(dòng)施加，可以通過(guò)超聲的方法施加以及可以通過(guò)生物組織的振動(dòng)(如心臟的跳動(dòng)等)來(lái)施加等。本發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本工作原理當(dāng)對(duì)氧化鋅納米線的一端施加拉力，納米線被拉伸，這時(shí)氧化鋅納米線的另一端產(chǎn)生正的電勢(shì)，氧化鋅納米線下面設(shè)有石墨烯，那么該正的電勢(shì)可以使石墨烯(假設(shè)石墨烯為P型)溝道開啟；當(dāng)拉力撤去，壓電勢(shì)消失，納米線下方的溝道關(guān)閉。這樣通過(guò)控制外界拉力的施加與否就可以控制本發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作狀態(tài)。本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，具體包括1，石墨烯的生長(zhǎng)與轉(zhuǎn)移采用剝離或者CVD的方法制備石墨烯，并將石墨烯轉(zhuǎn)移到KAPT0N、PDMS, PMMA, TPU等柔軟襯底上。2，溝道區(qū)的定義通過(guò)光刻，刻蝕掉除溝道區(qū)以外的石墨烯。3，源漏電極的制備在用作溝道區(qū)的石墨烯的兩端，通過(guò)曝光，顯影，淀積金屬和剝離工藝，淀積上金屬，用作源漏電極。4，氧化鋅納米線的生長(zhǎng)和柵介質(zhì)層的淀積采用溶液熱分解法或者化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)氧化鋅納米線，淀積介質(zhì)層的方法之一是通過(guò)ALD等方法在氧化鋅納米線的表面淀積上一層介質(zhì)材料，如SiO2, Al2O3和HfO2等。柵電極的轉(zhuǎn)移通過(guò)物理干法轉(zhuǎn)移或者交流介電泳法將氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到溝道區(qū)域。在外力作用下，氧化鋅納米線的端部產(chǎn)生的電勢(shì)最大，柵控作用最強(qiáng)。
5，納米線的固定在氧化鋅納米線兩端淀積上金屬，以固定氧化鋅納米線。源、漏淀積的金屬?zèng)]有特別的限制，可以是Ti、Au、Al、Cu、Ag和Pt等，也可以是其他合適的材料。用于淀積介質(zhì)層的工藝可以采用ALD (原子層沉積)，也可以采用其他工藝。用于固定氧化鋅納米線的材料可以是金屬也可以是聚合物等與襯底粘附性好的材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與技術(shù)效果如下本發(fā)明提出的場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用石墨烯做溝道，利用其良好的延展性和高遷移率特性，可以提高器件的可靠性和工作速度，并且由于石墨烯是二維平面結(jié)構(gòu)，易于和傳統(tǒng)硅平面工藝結(jié)合，有利于實(shí)現(xiàn)器件的大規(guī)模集成。氧化鋅具有壓電效應(yīng)，氧化鋅納米線中的鋅正離子和氧負(fù)離子以正四面體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，在無(wú)外界應(yīng)力作用下，鋅離子的正電荷中心和氧離子的負(fù)電荷中心重合，偶極矩為零。在外界應(yīng)力作用下，鋅離子和氧離子偏離原來(lái)的位置，正電荷中心和負(fù)電荷中心不再重合，偶極矩不為零，如果沿著氧化鋅納米線的C軸方向施以拉伸應(yīng)力，偶極矩為正，反之，為負(fù)。所有偶極矩疊加起來(lái)，就可以沿C軸方向形成電場(chǎng)，氧化鋅納米線的兩端就會(huì)有電勢(shì)差，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，該電勢(shì)差的大小和應(yīng)力大小成正比，利用氧化鋅納米線在外力作用下產(chǎn)生的電勢(shì)，可以控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道的開啟和關(guān)斷。本發(fā)明提出的場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用氧化鋅納米線做柵電極，通過(guò)施加外力產(chǎn)生柵壓來(lái)控制晶體管的工作狀態(tài)。與傳統(tǒng)硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，這種新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)勢(shì)主要有以下三個(gè)方面1，本發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)晶體管所采用的溝道材料是石墨烯，石墨烯具有很高的遷移率，能夠應(yīng)用于對(duì)器件靈敏度要求比較高的場(chǎng)合。2，由于通過(guò)壓電效應(yīng)使晶體管工作，本發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)晶體管不需要外加?xùn)艍?，能源消耗低?，本發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)晶體管是基于塑料等柔軟襯底，在柔性顯示等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值。


附圖I是本發(fā)明器件的俯視圖；附圖2是本發(fā)明器件的側(cè)面視圖；圖中，I-石墨烯；2_介質(zhì)層材料；3_氧化鋒納米線；4_金屬電極；5_柔軟基底；6-固定納米線的材料；7_裹著介質(zhì)層的氧化鋅納米線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)可以用多種方式實(shí)施，制造過(guò)程中所用的輔助材料也不僅限于下面提到的。下面是一種具體的實(shí)施方式舉例1，石墨烯的生長(zhǎng)采用CVD的方法，在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯，具體流程首先在H2、Ar氛圍中將銅箔加熱至1000°c，保溫20分鐘，然后通入甲烷，反應(yīng)時(shí)間設(shè)為10到20分鐘，反應(yīng)結(jié)束后，快速冷卻至室溫，石墨烯將在銅的的表面析出。2，石墨烯的轉(zhuǎn)移在生長(zhǎng)好的石墨烯上旋涂一層PMMA，然后將有銅箔的一面放在配置好的氯化鐵溶液中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，銅箔被刻蝕掉，石墨烯留在了 PMMA上，接著將PMMA/石墨烯薄膜置于襯底KAPTON上，石墨烯的一側(cè)緊貼在KAPTON薄膜表面，加熱到IlO0C,使石墨烯/PMMA牢固粘合在KAPTON薄膜表面，再用丙酮浸泡去掉PMMA，這樣石墨烯便成功轉(zhuǎn)移到了 KAPTON襯底上。
3，溝道區(qū)的定義在襯底上旋涂一層光刻膠，經(jīng)過(guò)曝光、顯影，露出除溝道區(qū)以外的石墨烯，然后通過(guò)氧等離子體刻蝕等方法刻蝕掉該部分石墨烯，只保留溝道區(qū)的石墨烯?？涛g后溝道區(qū)的位置應(yīng)該位于KAPTON膠帶的一端，而不是處于正中央位置。4，源漏電極的淀積在襯底上旋涂一層光刻膠，經(jīng)過(guò)套刻曝光、顯影、蒸金屬和剝離工藝，在溝道區(qū)兩端淀積上金屬Ti/Au，用作源漏電極，源漏電極之間的距離要在600nm左右，要大于所用氧化鋅納米線的直徑(一般在300nm左右)。5，氧化鋅納米線的生長(zhǎng)采用CVD方法或化學(xué)濕法生長(zhǎng)氧化鋅納米線，為方便之后金屬電極的制備和壓電效應(yīng)的產(chǎn)生，生長(zhǎng)的納米線的長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng)，一般在10-20微米之間，直徑在300nm左右。6，柵介質(zhì)的淀積采用ALD (原子層沉積)的方法，在已經(jīng)生長(zhǎng)好的氧化鋅的表面淀積IOnm氧化鉿介質(zhì)層。7，氧化鋅納米線的轉(zhuǎn)移采用交流介電泳法將淀積好柵介質(zhì)的氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到KAPTON襯底上的溝道區(qū)。8，氧化鋅納米線的固定在氧化鋅納米線的兩端，采用FIB(聚焦離子束)技術(shù)，淀積金屬Ti/Au,以固定氧化鋅納米線。上面描述的實(shí)施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的變換和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，包括柔性基底，在所述柔性襯底上設(shè)有源、漏電極，以及連接源、漏電極的石墨烯材料，在石墨烯材料上設(shè)有一裹著介質(zhì)層的氧化鋅納米線，所述石墨烯材料作為溝道，所述氧化鋅納米線作為柵電極。
2.如權(quán)利要求I所述的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，具體包括 1)生長(zhǎng)石墨烯，并將石墨烯轉(zhuǎn)移到柔性襯底上； 2)通過(guò)光刻，刻蝕掉除溝道區(qū)以外的石墨烯； 3)在用作溝道區(qū)的石墨烯的兩端，通過(guò)曝光，顯影，淀積金屬和剝離工藝，在柔性襯底上淀積源漏電極； 4)采用溶液熱分解法或者化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)氧化鋅納米線； 5)在氧化鋅納米線的表面淀積上一層介質(zhì)材料； 6)將裹著介質(zhì)層的氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到石墨烯材料上； 7)在裹著介質(zhì)層的氧化鋅納米線的兩端淀積上金屬用于固定。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟I)中，在生長(zhǎng)好的石墨烯上旋涂一層PMMA，然后將有銅箔的一面放在配置好的氯化鐵溶液中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，銅箔被刻蝕掉，石墨烯留在了 PMMA上，接著將PMMA/石墨烯薄膜置于柔性襯底上，石墨烯的一側(cè)緊貼在KAPTON薄膜表面，加熱到110°C，使石墨烯/PMMA牢固粘合在柔性襯底表面，再用丙酮浸泡去掉PMMA，石墨烯轉(zhuǎn)移到柔性襯底上。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，源、漏電極之間的距離的范圍500-800nm。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，生長(zhǎng)的氧化鋅納米線的長(zhǎng)度在10-20微米之間，直徑的范圍在200-400nm。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，采用ALD的方法，在已經(jīng)生長(zhǎng)好的氧化鋅納米線的表面淀積厚度為5-10nm介質(zhì)層。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，采用物理干法轉(zhuǎn)移或者交流介電泳法將裹有介質(zhì)層的氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到石墨烯材料溝道區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括柔性襯底，在所述柔性襯底上設(shè)有源漏電極，以及連接源漏電極的石墨烯材料，在石墨烯材料上設(shè)有一裹著介質(zhì)層的氧化鋅納米線，所述石墨烯材料作為溝道，所述氧化鋅納米線作為柵電極。本發(fā)明壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管通過(guò)施加外力來(lái)控制晶體管的工作狀態(tài)。施加外力的方法有多種，可以人為手動(dòng)施加，或通過(guò)超聲的方法施加以及可以通過(guò)生物組織的振動(dòng)(如心臟的跳動(dòng)等)來(lái)施加。
文檔編號(hào)H01L21/04GK102623508SQ20121011327
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者傅云義, 尹金澤, 張興, 趙華波, 魏子鈞, 魏芹芹, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)