專利名稱：基于石墨烯的二極管器件及其邏輯單元的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米尺度器件的結(jié)構(gòu)以及加工方法，具體是一種石墨烯結(jié)構(gòu)和由此結(jié)構(gòu)衍生的功能器件。
背景技術(shù)：
石墨烯，即單層石墨，是迄今為止最薄的二維電子氣薄膜材料，它發(fā)現(xiàn)于2004年并于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯的電子遷移率極高，高達(dá)IO5Cm2W1 s—1數(shù)量級(jí)，約為硅中電子遷移率的140倍。理論上，石墨烯中所有Sp2雜化的碳原子均飽和成鍵，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其所能承載的電流密度高、抗電擊穿能力強(qiáng)；利用石墨烯制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可使溝道
厚度降低至單原子尺度，其溝道長(zhǎng)度也可以縮短至納米尺寸，而且不存在類似于硅基器件中的短溝效應(yīng)，故石墨烯在高速電子器件領(lǐng)域?qū)⒕哂芯薮蟮膽?yīng)用潛力。由于石墨烯的二維結(jié)構(gòu)能夠與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，它又擁有高遷移率等優(yōu)良的電學(xué)性能，基于石墨烯的晶體管很快成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所共同追求的目標(biāo)。但由于石墨烯是零禁帶半導(dǎo)體，即使在狄拉克點(diǎn)下其導(dǎo)電性仍然很好，使石墨烯邏輯器件的開(kāi)關(guān)比很低，性能不好。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)石墨烯納米帶(nanoribbon)具有與大面積石墨烯所不同的電學(xué)性質(zhì)，其中關(guān)鍵點(diǎn)的一點(diǎn)是，隨著石墨烯納米帶寬度的減小其禁帶寬度展寬了，開(kāi)關(guān)比顯著提高，這一點(diǎn)已經(jīng)得到了理論(Son, Y. and M. L. Cohen, etal. (2006). " Energy Gaps in Graphene Nanoribbons. " Physical Review Letters97(21) :216803.)和實(shí)驗(yàn)(Li，X. L. and X. R. Wang, et al. (2008). " Chemically derived,ultrasmooth graphene nanoribbon semiconductors" SCIENCE 319(5867) :1229-1232;Han,M. Y. and B. Ozyilmaz, et al. (2007). " Energy Band-Gap Engineering of GrapheneNanoribbons. " Physical Review Letters 98 (20) : 206805)兩方面的證實(shí)。但是目前對(duì)于石墨烯納米帶的應(yīng)用都集中在傳統(tǒng)MOS結(jié)構(gòu)的器件。

發(fā)明內(nèi)容
本專利目的在于提出一種寬度改變的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，用于二極管和邏輯門電路。本發(fā)明提供一種二極管結(jié)構(gòu)，如圖3所示，為一寬度沿延展方向漸變的三角形單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，或?qū)挾妊匮诱狗较蛞粚捯徽瓋蓚€(gè)矩形相連的單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，將上述單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行n型或p型摻雜。參考圖4，一寬一窄兩個(gè)矩形相連的單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，寬矩形的長(zhǎng)度LI在50nm到10 ii m之間，寬度Wl為50nm到10 u m,窄矩形的長(zhǎng)度L2在50nm到I y m之間，寬度W2為2A (單碳環(huán)的寬度)到20nm。寬度沿延展方向漸變的三角形單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，其尖角a的角度范圍為0到60°，側(cè)面的邊LO的長(zhǎng)度在I. 4nm (十個(gè)碳環(huán))和500nm之間。本發(fā)明納米結(jié)構(gòu)可以平行襯底放置，也可以在有限支持下懸空，甚至與襯底垂直放置。由于石墨烯的晶格長(zhǎng)度在I. 4A，而石墨烯納米結(jié)構(gòu)在20nm以下均有顯著的能帶隨寬度調(diào)制效應(yīng)，因此在保持石墨烯完整的晶格結(jié)構(gòu)的前提下仍可以認(rèn)為此結(jié)構(gòu)的石墨烯器件寬度連續(xù)變化，因此能帶也連續(xù)變化。此結(jié)構(gòu)的石墨烯邊界可以為armchair型，zigzag型以及兩者的混合型。本發(fā)明利用上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并加工成所需要的二極管邏輯門如下利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件還可以在一塊完整的石墨烯上僅利用圖形化方式制作出整個(gè)二極管邏輯門乃至整個(gè)邏輯電路。由于石墨烯納米導(dǎo)電性隨納米結(jié)構(gòu)的寬度改變，因此在同一塊石墨烯上刻出與上述二極管結(jié)構(gòu)相連的不同寬度的納米帶可以分別用作導(dǎo)線和電阻，與上面的結(jié)構(gòu)構(gòu)件形成的二極管結(jié)合便組成二極管邏輯門電路，將二極管邏輯門組合起來(lái)便可以組成整個(gè)邏輯電路。例如，對(duì)下面兩個(gè)結(jié)構(gòu)的石墨烯進(jìn)行P型摻雜后，就分別為一個(gè)二極管或門電路和一個(gè)二極管與門電路。
20nm之間，保證其半導(dǎo)體性；L1為IOOnm到5 y m, L2為50nm到I y m ；W3, W4在IOOnm到IOum 之間；L3 為 IOOnm 到 10 y m，W5 為 IOOnm 到 IOum ；W5 為 20nm 到 IOOnm,保證其電阻
較大而又沒(méi)有禁帶展寬效應(yīng)。二極管與門的尺寸要求與二極管或門相同。以二極管組成的邏輯與門和邏輯或門作為基礎(chǔ)模塊，可以僅通過(guò)在石墨烯上圖形化的方式形成整個(gè)邏輯電路，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的功能。本發(fā)明將石墨烯納米結(jié)構(gòu)制作成一寬一窄兩個(gè)矩形相互連接或者一端寬一端窄的三角形結(jié)構(gòu)，納米帶較寬的一端禁帶寬度為零類似金屬，納米帶較窄的一端有一定禁帶寬度類似半導(dǎo)體，完整的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)金屬半導(dǎo)體接觸。將金屬性的石墨烯納米帶進(jìn)行n型(P型)摻雜，由于兩者的載流子濃度不同，載流子擴(kuò)散會(huì)造成半導(dǎo)體性石墨烯納米帶的能帶彎曲，此結(jié)構(gòu)平衡的能帶圖I所示。當(dāng)在這兩者上加上偏壓的時(shí)候，可以調(diào)節(jié)金屬到二極管一側(cè)的電子(空穴)勢(shì)壘，進(jìn)而調(diào)節(jié)電子(空穴)電流，從而實(shí)現(xiàn)了整流的功能，如圖2所示。發(fā)明優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明根據(jù)所需要的器件的功能設(shè)計(jì)石墨烯圖形以實(shí)現(xiàn)特定的能帶結(jié)構(gòu)。本發(fā)明進(jìn)一步提供了二極管器件組成的基本的邏輯門進(jìn)而可以形成整個(gè)邏輯電路。本發(fā)明是一種納米尺度器件，尺寸非常小，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，由于此結(jié)構(gòu)利用的是完整的一片石墨烯，缺陷少電學(xué)性能好，它可以成為未來(lái)碳基集成電路的基本構(gòu)件。


圖I本發(fā)明二極管平衡能帶示意圖；圖2本發(fā)明二極管偏壓能帶示意圖；圖3本發(fā)明單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)尺寸示意圖；圖5為本發(fā)明二極管邏輯或門示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施實(shí)例一 二極管邏輯或門(I)制備單層石墨烯制備單層石墨烯的方法包括機(jī)械剝離(mechanical exfoliation), CVD生長(zhǎng)再轉(zhuǎn)移，在SiC上外延生長(zhǎng)，將氧化石墨還原，用多層石墨減薄等?？梢灾苯釉谝r底上制作石墨烯也可以在其他地方(溶液，金屬表面等)合成石墨烯再轉(zhuǎn)移到襯底上。襯底上的石墨烯可以為懸空態(tài)，也可以貼著襯底。襯底材料可以為硅，二氧化硅，石英，玻璃等剛性材料以及PMMA等柔性材料。(2)對(duì)單層石墨烯進(jìn)行圖形化對(duì)單層石墨烯圖形化的方式包括光刻，納米壓印，導(dǎo)電AFM圖形化等。利用上述圖形化手段將單層石墨烯加工為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，本實(shí)施例用電子束曝光的方式使石墨烯圖形化將器件部分用PMMA保護(hù)起來(lái)，而將要刻蝕掉的部分曝光去膠后露出，然后用氧等離子體轟擊，用反應(yīng)離子刻蝕(ICP)刻蝕石墨烯，最終將石墨烯形成為如圖5所示的形狀，其關(guān)鍵尺寸為輸入的寬石墨烯納米帶寬度Wl為Iii m，長(zhǎng)度LI為Iii m，中間的窄石墨烯納米帶寬度W2為20nm，長(zhǎng)度L2為I y m ;W3的寬度為lOOnm，W4的寬度為I y m ;L3為2 y m，W5為3. 5 u m, W6 為 IOOnnio(3)電極制備用電子束曝光的方式定義金屬電極，通過(guò)電子束蒸發(fā)金屬和剝離的過(guò)程形成電極。兩個(gè)輸入的電極都淀積25nm厚的Au,使兩個(gè)金屬電極通過(guò)接觸摻雜的方式將寬的金屬性的石墨烯納米帶摻雜為P型。(關(guān)于金屬電極對(duì)應(yīng)的摻雜有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)Huard，B. and N. Stander,et al. (2008) "Evidence of the role of contacts on the observedelectron-hole asymmetry in graphene. "Physical Review B 78 (12) : 121402)輸出的電極和接地的電極也用同種方式同種金屬制作。(4)以金屬電極作為電學(xué)引出即可以做二極管邏輯或門的電學(xué)測(cè)試。
權(quán)利要求
1.一種二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，為一寬度沿延展方向漸變的三角形單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，或?qū)挾妊匮诱狗较蛞粚捯徽瓋蓚€(gè)矩形相連的單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，將上述單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行n型或p型摻雜。
2.如權(quán)利要求I所述的二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，三角形單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，其尖角的角度范圍為O到60°，側(cè)面的邊的長(zhǎng)度在I. 4nm和500nm之間。
3.如權(quán)利要求I所述的二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，寬度沿延展方向一寬一窄兩個(gè)矩形相連的單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，寬矩形的長(zhǎng)度在50nm到10 u m之間，寬度為50nm到10 y m,窄矩形的長(zhǎng)度在50nm到I ii m之間，寬度為到20nm。
4.如權(quán)利要求I所述的二極管結(jié)構(gòu)，具特征在于，單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)在襯底上放置，或在有限支持下懸空，或者與襯底垂直放置。
5.一種二極管邏輯門，其特征在于，若干個(gè)如權(quán)利要求1-4所述的任意一種二極管結(jié)構(gòu)與作為導(dǎo)線和電阻的不同寬度的納米帶相連。
6.如權(quán)利要求5所述的二極管邏輯門，其特征在于，所述二極管結(jié)構(gòu)間距在IOOnm到10 u m之間。
7.如權(quán)利要求5所述的二極管邏輯門，其特征在于，所述作為導(dǎo)線的納米帶的寬度為IOOnm 到 10 u m。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于石墨烯的二極管器件及其邏輯單元的結(jié)構(gòu)，屬于納米尺度器件的結(jié)構(gòu)以及加工方法。本發(fā)明二極管結(jié)構(gòu)為一寬度沿延展方向漸變的三角形單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，或?qū)挾妊匮诱狗较蛞粚捯徽瓋蓚€(gè)矩形相連的單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)，對(duì)該單層石墨烯納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行n型或p型摻雜。本發(fā)明可根據(jù)所需要的器件的功能設(shè)計(jì)石墨烯圖形以實(shí)現(xiàn)特定的能帶結(jié)構(gòu)。本發(fā)明進(jìn)一步提供了二極管器件組成的基本的邏輯門進(jìn)而可以形成整個(gè)邏輯電路。
文檔編號(hào)H01L29/06GK102709332SQ20121015365
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者任黎明, 傅云義, 葉天揚(yáng), 張興, 趙華波, 魏子鈞, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)