階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括一個(gè)底柵電極、一個(gè)底柵介質(zhì)層、一個(gè)雙層石墨烯有源區(qū)、一個(gè)金屬源電極、一個(gè)金屬漏電極、一個(gè)階梯頂柵介質(zhì)層和一個(gè)頂柵電極；所述底柵介質(zhì)層位于底柵電極的上方，雙層石墨烯有源區(qū)位于底柵介質(zhì)層的上方，金屬源電極和金屬漏電極分別在雙層石墨烯有源區(qū)的兩端，且同時(shí)覆蓋底柵介質(zhì)層和部分雙層石墨烯有源區(qū)，階梯頂柵介質(zhì)層覆蓋在金屬源電極、金屬漏電極和兩電極之間的石墨烯上，頂柵電極只部分覆蓋在階梯頂柵介質(zhì)層的上方，與金屬源電極和金屬漏電極邊緣的距離相等。本發(fā)明通過(guò)引入階梯頂柵介質(zhì)層，有效減小關(guān)態(tài)時(shí)源區(qū)和柵控溝道之間的隧穿窗口，從而獲得較小的關(guān)態(tài)電流，改善了器件的開(kāi)關(guān)比。
【專(zhuān)利說(shuō)明】階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于納電子學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體 管及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯由于卓越的電學(xué)特性而成為納電子學(xué)的研究熱點(diǎn)，超薄溝道和極高的載流 子遷移率使其成為場(chǎng)效應(yīng)晶體管理想的溝道材料。但是要實(shí)現(xiàn)石墨烯的邏輯器件應(yīng)用，禁 帶打開(kāi)以實(shí)現(xiàn)較高的開(kāi)關(guān)比是主要的挑戰(zhàn)之一。針對(duì)此挑戰(zhàn)，一些方案被提出。其中，石墨 烯納米帶（GNR)和雙層石墨烯被認(rèn)為是最有前途的方案。雖然GNR利用量子限域效應(yīng)可獲 得較大的帶隙，但其應(yīng)用受制于可靠的圖形化技術(shù)。另外，邊緣效應(yīng)會(huì)引起GNR的遷徙率退 化和帶隙波動(dòng)。對(duì)于雙層石墨烯，通過(guò)施加層間電場(chǎng)，從而改變層間電勢(shì)差，可在雙層石墨 烯中產(chǎn)生帶隙。
[0003] 對(duì)于雙柵結(jié)構(gòu)的雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，隨著底柵壓Vbg的增大，溝道處于電中 性狀態(tài)時(shí)的帶隙增寬。由于器件關(guān)態(tài)對(duì)應(yīng)溝道處于電中性狀態(tài)，因此大的V bg有利于得到較 低的關(guān)態(tài)電流和較大的開(kāi)關(guān)比。但其開(kāi)關(guān)比一般不會(huì)高于1〇〇,這對(duì)于邏輯開(kāi)關(guān)應(yīng)用是不夠 的。此結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)比低的主要原因是較大的關(guān)態(tài)電流。當(dāng)V bg足夠大，且器件處于關(guān)態(tài)時(shí)，在 源區(qū)和溝道之間存在很大的隧穿窗口。另外，由于雙層石墨烯的帶隙一般小于300meV，在 源-溝道之間有很強(qiáng)的隧穿電流。因此，如何減小器件關(guān)態(tài)時(shí)源區(qū)和溝道之間的隧穿窗口 而獲得較小的關(guān)態(tài)電流，已經(jīng)成為雙柵結(jié)構(gòu)的雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一個(gè)重要問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。 通過(guò)引入階梯頂柵介質(zhì)層，有效減小關(guān)態(tài)時(shí)源區(qū)和柵控溝道之間的隧穿窗口，從而獲得較 小的關(guān)態(tài)電流，改善器件開(kāi)關(guān)比。此器件制備方法簡(jiǎn)單。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括一個(gè)底柵電極1、一個(gè)底柵介質(zhì)層 2、一個(gè)雙層石墨烯有源區(qū)5、一個(gè)金屬源電極6、一個(gè)金屬漏電極7、一個(gè)階梯頂柵介質(zhì)層8 和一個(gè)頂柵電極9 ;所述底柵介質(zhì)層2位于底柵電極1的上方，雙層石墨烯有源區(qū)5位于底 柵介質(zhì)層2的上方，金屬源電極6和金屬漏電極7分別在雙層石墨烯有源區(qū)5的兩端，且同 時(shí)覆蓋底柵介質(zhì)層2和部分雙層石墨烯有源區(qū)5,階梯頂柵介質(zhì)層8覆蓋在金屬源電極6、 金屬漏電極7和兩電極之間的石墨烯上，且由中央向金屬源電極6 -側(cè)的頂柵介質(zhì)層8厚 度與向金屬漏電極7 -側(cè)的頂柵介質(zhì)層8厚度的比值為1. 3?1. 5,頂柵電極9只部分覆 蓋在階梯頂柵介質(zhì)層8的上方，與金屬源電極6和金屬漏電極7邊緣的距離相等，距離為 100nm?lum ;對(duì)于雙層石墨烯有源區(qū)5,被頂柵電極9覆蓋的區(qū)域定義為溝道，而未被頂柵 電極9覆蓋的區(qū)域中，金屬源電極6 -側(cè)的區(qū)域定義為源區(qū)，金屬漏電極7 -側(cè)的區(qū)域定義 為漏區(qū)。
[0007] 上述雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟：
[0008] (1)在底柵電極上生長(zhǎng)底柵介質(zhì)層；
[0009] (2)通過(guò)機(jī)械剝離或者化學(xué)氣相淀積（CVD)轉(zhuǎn)移的方法得到底柵介質(zhì)層上的雙層 石墨烯；
[0010] (3)光刻暴露出有源區(qū)以外的區(qū)域，以光刻膠為掩膜，刻蝕形成雙層石墨烯有源 區(qū)；
[0011] (4)光刻暴露出金屬源電極區(qū)和金屬漏電極區(qū)，全片蒸鍍金屬后剝離形成金屬源 電極和金屬漏電極；
[0012] (5)全片生長(zhǎng)厚度均勻的柵介質(zhì)；
[0013] (6)光刻暴露出由溝道中央向金屬源電極一側(cè)的部分均勻柵介質(zhì)，全片生長(zhǎng)柵介 質(zhì)后剝離形成階梯頂柵介質(zhì)層；
[0014] (7)光刻暴露出頂柵電極區(qū)，全片蒸鍍金屬后剝離形成頂柵電極。
[0015] 上述的制備方法中，所述步驟（1)中的底柵電極選自低阻硅。
[0016] 上述的制備方法中，所述步驟（1)中的底柵介質(zhì)層選自Si02、BN或者高K柵介質(zhì) 材料（介電常數(shù)Κ>3·9)。
[0017] 上述的制備方法中，所述步驟（1)中的生長(zhǎng)底柵介質(zhì)層的方法選自以下方法之 一：熱氧化、物理氣相淀積、化學(xué)氣相淀積和原子層沉積（ALD)。
[0018] 上述的制備方法中，所述步驟（4)中的金屬源電極和金屬漏電極選自與石墨烯有 較好粘附性的金屬（如Ni，Au，Pt等）或者混合金屬（如Pd/Au，Ti/Au，Ti/Pd/Au/Ti等）。
[0019] 上述的制備方法中，所述步驟（5)、￠)中的生長(zhǎng)頂柵介質(zhì)層的方法為原子層沉 積，以減小對(duì)石墨稀造成的損傷。
[0020] 上述的制備方法中，所述步驟（7)中的頂柵電極選自金屬（Ni，Au，Pt等）或者混 合金屬（Pd/Au，Ti/Au，Ti/Ni 等）。
[0021] 本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0022] -、通過(guò)引入階梯頂柵介質(zhì)層，極大減小關(guān)態(tài)時(shí)源區(qū)和柵控溝道之間的隧穿窗口， 從而抑制關(guān)態(tài)電流，實(shí)現(xiàn)理想的開(kāi)關(guān)比。
[0023] 以底柵壓Vbg足夠負(fù)（Vbg〈〈0)的情況為例來(lái)說(shuō)明器件的關(guān)態(tài)與開(kāi)態(tài)。此時(shí)源區(qū)和 漏區(qū)禁帶打開(kāi)，價(jià)帶頂高于對(duì)應(yīng)區(qū)域的費(fèi)米能級(jí)，呈P型摻雜。當(dāng)頂柵壓V tg為正值，且頂柵 電位移矢量（較薄柵介質(zhì)處）等于底柵電位移矢量時(shí)，較薄柵介質(zhì)對(duì)應(yīng)的溝道呈電中性狀 態(tài)，即：費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央。此時(shí)器件對(duì)應(yīng)關(guān)態(tài)。而在較厚柵介質(zhì)處，由于柵控較弱，此 處石墨烯的能帶高于較薄柵介質(zhì)處石墨烯的能帶，因此較厚柵介質(zhì)處石墨烯的帶隙可有效 抑制減小源區(qū)價(jià)帶和溝道導(dǎo)帶之間的隧穿窗口。理論估算表明，對(duì)于底柵介質(zhì)層的EOT = 90nm，Vbg =-100V的情況，當(dāng)階梯頂柵介質(zhì)層的高度比為1. 3時(shí)，隧穿窗口小于30meV。更 大的高度比可以得到更小的隧穿窗口和關(guān)態(tài)電流。
[0024] 該器件的開(kāi)態(tài)與常規(guī)雙柵結(jié)構(gòu)的雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管類(lèi)似，當(dāng)頂柵壓正向 (負(fù)向）增大時(shí)，分為呈現(xiàn)P+-N +-P+(P+-P+-P+)，電流增大，雙極導(dǎo)通。因此，此結(jié)構(gòu)相比常規(guī) 雙柵結(jié)構(gòu)的雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)比。
[0025] 二、該器件制備工藝簡(jiǎn)單，相比傳統(tǒng)的雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管制備工藝，僅增加 一步剝離形成階梯頂柵介質(zhì)層的工藝步驟。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是通過(guò)機(jī)械剝離或者化學(xué)氣相淀積（CVD)轉(zhuǎn)移的方法在被底柵介質(zhì)層覆蓋的 底柵電極上得到雙層石墨烯的工藝步驟示意圖；
[0027] 圖2是光刻并刻蝕形成雙層石墨烯有源區(qū)后的器件剖面圖；
[0028] 圖3是光刻并剝離金屬分別形成金屬源電極和金屬漏電極后的器件剖面圖；
[0029] 圖4是先均勻生長(zhǎng)一層介質(zhì)層，再通過(guò)光刻，全片生長(zhǎng)柵介質(zhì)和剝離工藝形成階 梯頂柵介質(zhì)層后的器件剖面圖；
[0030] 圖5是本發(fā)明的階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管；
[0031] 圖中：
[0032] 1--底柵電極2--底柵介質(zhì)層
[0033] 3--雙層石墨烯4--光刻膠
[0034] 5-雙層石墨烯有源區(qū)6-金屬源電極
[0035] 7--金屬漏電極8--階梯頂柵介質(zhì)層
[0036] 9--頂柵電極

【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫 助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求 的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi) 容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。
[0038] 本發(fā)明制備方法的一具體實(shí)例包括圖1至圖5所示的工藝步驟：
[0039] 1)以（100)晶向的低阻體硅硅片為底柵電極1，在其表面采用熱氧化生長(zhǎng)底柵介 質(zhì)層2,底柵介質(zhì)層為Si0 2，厚度為90nm ;在銅箔表面CVD生長(zhǎng)雙層石墨烯，利用轉(zhuǎn)移的方法 得到底柵介質(zhì)層2上均勻覆蓋的雙層石墨烯3,如圖1所示。
[0040] 2)光刻出有源區(qū)圖形，以光刻膠4為掩膜，利用電感耦合等離子體（ICP)刻蝕形成 雙層石墨烯有源區(qū)5,如圖2所示。
[0041] 3)光刻暴露出金屬源電極區(qū)和金屬漏電極區(qū)，在帶膠樣品上電子束蒸發(fā)Pd/ Au(20nm/40nm)，用丙酮?jiǎng)冸x后形成金屬源電極6和金屬漏電極7,如圖3所示。
[0042] 4)在200°C下ALD全片生長(zhǎng)10nm A1203，光刻暴露出由溝道中央向金屬源電極一 側(cè)的部分區(qū)域后，在150°C下ALD生長(zhǎng)4nm A1203，用丙酮?jiǎng)冸x和乙醇清洗后形成階梯頂柵介 質(zhì)層8,如圖4所示。
[0043] 5)光刻出頂柵電極圖形，在帶膠樣品上電子束蒸發(fā)Ti/Au(10nm/70nm)，用丙酮?jiǎng)?離和乙醇清洗后形成頂柵電極9,此時(shí)即可制得所述的階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體 管，如圖5所示。
[0044] 雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng) 域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi) 容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此， 凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單 修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是，包括一個(gè)底柵電極（1)、一個(gè) 底柵介質(zhì)層（2)、一個(gè)雙層石墨烯有源區(qū)（5)、一個(gè)金屬源電極（6)、一個(gè)金屬漏電極（7)、一 個(gè)階梯頂柵介質(zhì)層（8)和一個(gè)頂柵電極（9);所述底柵介質(zhì)層（2)位于底柵電極（1)的上 方，雙層石墨烯有源區(qū)（5)位于底柵介質(zhì)層（2)的上方，金屬源電極（6)和金屬漏電極（7) 分別在雙層石墨烯有源區(qū)（5)的兩端，且同時(shí)覆蓋底柵介質(zhì)層（2)和部分雙層石墨烯有源 區(qū)（5)，階梯頂柵介質(zhì)層（8)覆蓋在金屬源電極（6)、金屬漏電極（7)和兩電極之間的石墨 烯上，頂柵電極（9)只部分覆蓋在階梯頂柵介質(zhì)層（8)的上方，與金屬源電極（6)和金屬漏 電極（7)邊緣的距離相等，距離為lOOnm?lum;對(duì)于雙層石墨烯有源區(qū)（5)，被頂柵電極 (9)覆蓋的區(qū)域定義為溝道，而未被頂柵電極（9)覆蓋的區(qū)域中，金屬源電極（6) -側(cè)的區(qū) 域定義為源區(qū)，金屬漏電極（7) -側(cè)的區(qū)域定義為漏區(qū)。
2. 如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是，由中央向金屬源電極（6) -側(cè)的頂柵 介質(zhì)層（8)厚度與向金屬漏電極（7) -側(cè)的頂柵介質(zhì)層（8)厚度的比值為1. 3?1. 5。
3. -種階梯柵介質(zhì)雙層石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟： (1) 在底柵電極上生長(zhǎng)底柵介質(zhì)層； (2) 通過(guò)機(jī)械剝離或者化學(xué)氣相淀積轉(zhuǎn)移的方法得到底柵介質(zhì)層上的雙層石墨烯； (3) 光刻暴露出有源區(qū)以外的區(qū)域，以光刻膠為掩膜，刻蝕形成雙層石墨烯有源區(qū)； (4) 光刻暴露出金屬源電極區(qū)和金屬漏電極區(qū)，全片蒸鍍金屬后剝離形成金屬源電極 和金屬漏電極； (5) 全片生長(zhǎng)厚度均勻的柵介質(zhì)； (6) 光刻暴露出由溝道中央向金屬源電極一側(cè)的部分均勻柵介質(zhì)，全片生長(zhǎng)柵介質(zhì)后 剝離形成階梯頂柵介質(zhì)層； (7) 光刻暴露出頂柵電極區(qū)，全片蒸鍍金屬后剝離形成頂柵電極。
4. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，所述步驟⑴中的底柵電極選自低阻硅。
5. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，所述步驟（1)中的底柵介質(zhì)層選自Si02、 BN或者高K柵介質(zhì)材料。
6. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，所述步驟（1)中的生長(zhǎng)底柵介質(zhì)層的方法 選自以下方法之一：熱氧化、物理氣相淀積、化學(xué)氣相淀積和原子層沉積。
7. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，所述步驟（4)中的金屬源電極和金屬漏電 極，選自與石墨烯有較好粘附性的金屬或者混合金屬。
8. 如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征是，所述的與石墨烯有較好粘附性的金屬為 Ni，Au，Pt ;所述的混合金屬為 Pd/Au，Ti/Au，Ti/Pd/Au/Ti。
9. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，所述步驟（5)、（6)中的生長(zhǎng)頂柵介質(zhì)層 的方法為原子層沉積，以減小對(duì)石墨烯造成的損傷。
10. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是，所述步驟（7)中的頂柵電極選自金屬或 者混合金屬。
11. 如權(quán)利要求10所述的制備方法，其特征是，所述的金屬為Ni，Au，Pt ;所述的混合 金屬為 Pd/Au，Ti/Au，Ti/Ni。
【文檔編號(hào)】H01L29/423GK104218089SQ201410458985
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】黃如, 王佳鑫, 黃芊芊, 吳春蕾, 朱昊, 趙陽(yáng) 申請(qǐng)人:北京大學(xué)