CN103022106A - 包括石墨烯的电极结构以及具有其的场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了包括石墨烯的电极结构以及具有其的场效应晶体管。根据示例实施例，一种电极结构包括在半导体层上的石墨烯和在石墨烯上的电极金属。场效应晶体管（FET）可以包括该电极结构。
Description
技术领域
示例实施例涉及包括石墨烯的电极结构以及包括该电极结构的半导体器件。
背景技术
具有二维六边形碳结构的石墨烯已经在世界上被积极地研发。石墨烯被研究作为替代半导体的材料。具体地，当作为零带隙半导体的石墨烯被制造为具有不超过10nm的沟道宽度的石墨烯纳米带（GNR）时，由于尺寸效应形成带隙，从而可以制造能够在室温操作的场效应晶体管（FET）。
在半导体器件中，当电极通过使用金属直接在半导体层上形成时，形成金属与半导体耦接的结构。在半导体器件的这样的结构中，肖特基能量势垒可以形成在金属与半导体之间，从而导致半导体器件的驱动电压的增加。当半导体器件的尺寸被例如减小至小于约30nm时，接触电阻与整个电阻的比率增大。
在常规的半导体器件中，可以使用各种方法诸如半导体界面的掺杂、控制异质结的功函数以及形成硅化物来降低接触电阻。
发明内容
示例实施例涉及包括石墨烯的电极结构和/或包括该电极结构的场效应晶体管（FET）。
额外的方面将在以下的描述中部分阐述，并将部分地从该描述变得显然，或者可以通过实践示例实施例而习得。
根据示例实施例，一种电极结构包括：石墨烯，在半导体层上；以及电极金属，在石墨烯上。石墨烯可以接触半导体层和电极金属中的至少一个。
半导体层可以包括硅、锗、硅-锗、III-V族半导体和II-VI族半导体中的一种。
石墨烯可以是单层结构和双层结构中的一种。
电极金属可以具有小于30nm的尺寸。
石墨烯可以接触半导体层，电极金属可以接触石墨烯。
半导体层可以包括杂质，基于半导体层的杂质改变石墨烯的功函数，石墨烯可以被配置为降低衬底与电极金属之间的肖特基能量势垒。
半导体层的杂质可以是n型杂质。
半导体层的杂质可以是p型杂质。
石墨烯可以接触电极金属。石墨烯的费米能级可以等于电极金属的费米能级。
电极金属可以包括铝、金、银和钯中的一种。
根据示例实施例，一种场效应晶体管（FET）包括：半导体衬底，用第一杂质掺杂，该半导体衬底包括用第二杂质掺杂的源极区和漏极区，该第二杂质具有与第一杂质的极性相反的极性；第一石墨烯和第二石墨烯，在半导体衬底上并彼此间隔开；包含金属的源电极和包含金属的漏电极，分别在第一石墨烯和第二石墨烯上；栅绝缘层，在源电极与漏电极之间且在半导体衬底上；以及栅电极，在栅绝缘层上。第一石墨烯在半导体衬底的源极区上，第二石墨烯在半导体衬底的漏极区上。第一石墨烯接触半导体衬底和源电极中的至少一个。第二石墨烯接触半导体衬底和漏电极中的至少一个。
半导体衬底可以包括硅、锗、硅-锗、III-V族半导体和II-VI族半导体中的一种。
第一石墨烯和第二石墨烯中的至少一个可以是单层结构和双层结构中的一种。
源电极和漏电极每个可以具有大于0nm且小于30nm的尺寸。
第一石墨烯和第二石墨烯可以接触半导体衬底。源电极可以接触第一石墨烯，漏电极可以接触第二石墨烯。
第一石墨烯可以配置为改变半导体衬底与源电极之间的肖特基能量势垒。
第二杂质可以是n型杂质。
第二石墨烯可以配置为改变半导体衬底与漏电极之间的肖特基能量势垒。
第一石墨烯和第二石墨烯可以分别接触源电极和漏电极。第一石墨烯的费米能级和第二石墨烯的费米能级可以分别等于包含金属的源电极的费米能级和包含金属的漏电极的费米能级。
根据示例实施例，一种接触结构包括夹设在电极金属与掺杂半导体结构之间的石墨烯。该石墨烯被配置为改变电极金属与掺杂半导体结构之间的肖特基能量势垒。
附图说明
这些和/或其他的方面将从以下对如附图所示的非限制性实施例的描述变得显然并更易于理解，在附图中相同的附图标记在不同的视图中指代相同的部件。附图不必按比例，而是重点在于示出示例实施例的原理。在附图中：
图1是根据示例实施例的包括石墨烯的电极结构的截面图；
图2是示出金属与半导体之间的能量势垒的一般能带图；
图3是示出根据示例实施例的电极结构的能量势垒的能带图；以及
图4是根据示例实施例的场效应晶体管（FET）的截面图。
具体实施方式
现在将参照附图对示例实施例进行更充分的描述，附图中示出了一些示例实施例。然而，示例实施例可以以多种不同的形式实施，而不应被解释为限于这里阐述的实施例；而是，提供这些示例实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本发明构思的示例实施例的范围充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清晰，层的厚度和区域被夸大。附图中相似的附图标记指代相似的元件，因此其描述可以被省略。
将理解，当称一个元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以直接连接到或耦接到另一元件，或者还可以存在居间的元件。相反，当称一个元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在居间元件或层。此处所用时，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。用于描述元件或层之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释（诸如，“在...之间”与“直接在...之间”、“与...相邻”与“直接与...相邻”、“在...上”与“直接在...上）。
将理解，虽然这里可以使用术语第一、第二等描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分，而不背离示例实施例的教导。
为便于描述这里可以使用诸如“在…之下”、“在...下面”、“下”、“在…之上”、“上”等空间相对性术语以描述如附图所示的一个元件或特征与另一个（些）元件或特征之间的关系。将理解，空间相对性术语意图还包括除附图所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转过来，被描述为“在”其他元件或特征“之下”或“下面”的元件将会在其他元件或特征的“上方”。这样，示范性术语“在...下面”就能够涵盖之上和之下两种取向。器件可以采取其他取向（旋转90度或在其他取向），这里所用的空间相对性描述语做相应解释。
这里所用的术语只是为了描述特定实施例的目的，并非意在限制示例实施例。这里所用时，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一”和“该”均同时旨在包括复数形式。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或增加。
这里参照截面图描述本发明的实施例，这些图为示例实施例的理想化实施例（和中间结构）的示意图。因而，由例如制造技术和/或公差引起的图示形状的变化是可能发生的。因此，示例实施例不应被解释为仅限于此处示出的区域的特定形状，而是包括由例如制造引起的形状偏差在内。因此，附图所示的区域在本质上是示意性的，它们的形状并非要示出器件区域的真实形状，也并非要限制示例实施例的范围。
除非另行定义，此处使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有本发明所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。将进一步理解的是，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。
图1是根据示例实施例的包括石墨烯的电极结构100的截面图。
参照图1，石墨烯120形成在半导体衬底110上，电极金属130形成在石墨烯120上。石墨烯120接触半导体衬底110。电极金属130可以形成为具有小于30nm且大于0nm的尺寸。例如，电极金属130可以形成为具有约1nm至约30nm的尺寸，或者约5nm至约25nm的尺寸，或者约10nm至约20nm的尺寸，但是示例实施例不限于此。也就是，当电极金属130具有四边形形状时，其长边可以小于30nm，当电极金属130具有圆形形状时，其直径可以小于30nm。
半导体衬底110可以由硅、锗、硅-锗、III-V族半导体、II-VI族半导体等形成。
石墨烯120可以通过将由化学气相沉积（CVD）制造的石墨烯转移到半导体衬底110上然后图案化石墨烯而形成。此外，预先图案化的石墨烯可以设置在半导体衬底110上。然而，示例实施例不限于此。
石墨烯120可以是层例如石墨烯片、碳纳米带、碳纳米网（例如，具有图案化的孔的碳纳米带），但是示例实施例不限于此。
石墨烯120可以是单层结构或双层结构。石墨烯120是具有半金属性质的材料。当石墨烯120具有多层（超过三层）的结构时，石墨烯120的半金属性质会减小。例如，石墨烯可以包括1个或2个碳原子的厚度，但是示例实施例不限于此。
形成在石墨烯120上的电极金属130可以由一般的电极材料形成。例如，电极金属130可以由铝、金、铂、银、钯等形成。电极金属130可以通过电子束蒸镀或溅射被沉积为覆盖形成在半导体衬底110上的石墨烯120。
在电极结构100（具有包括石墨烯和小尺寸（例如，纳米级尺寸）的电极金属的结构）中，接触电阻被降低，因此电极区域可以形成得小。因而，电极结构100可以广泛地使用在电子器件、半导体器件等中。
在下文，将参照图2和图3来描述根据示例实施例的电极结构100。
图2是示出金属与半导体之间的能量势垒的一般能带图。图2是电极金属形成在n型半导体衬底上的电极结构的能带图。
参照图2，为了使电子从电极金属移动到半导体层，电子应当克服肖特基能量势垒
类似地，为了n型半导体的导带中的电子朝向电极金属移动，电子需要
的能量，其中
表示电极金属的功函数，χ表示电子亲和能，
表示半导体的功函数。
图3是示出根据示例实施例的电极结构的能量势垒的能带图。图3是石墨烯和电极金属被依次形成在n型半导体上的电极结构的能带图。在图3中，EF表示费米能级，EC表示导带能量，EV表示价带能量。
参照图3，石墨烯没有带隙，因此在电极金属与石墨烯之间的费米能级上没有变化。然而，在石墨烯-半导体结中，石墨烯接收来自n型半导体的电子，因此石墨烯的功函数在费米能级的能量势垒减小的方向上变化。也就是，石墨烯是n掺杂的。在石墨烯结合到n型半导体之后，石墨烯的功函数降低
因此，肖特基能量势垒由于具有半导体和电极金属之间的中间性质的石墨烯的特性而降低。该现象可以应用到半导体与金属耦接的任何结构。
为了电子从电极金属移动到半导体层，电子应当克服肖特基能量势垒
与具有金属-半导体结构的常规电极相比，根据示例实施例，能量被降低
类似地，为了n型半导体的导带中的电子朝向电极金属移动，电子需要能量
因此，根据示例实施例，与具有金属-半导体结构的常规电极相比，能量被减小
其中
表示石墨烯的功函数。
在图3中，电子的能量势垒已经使用n型半导体来描述。然而，在使用p型半导体并且空穴被用作载流子的情形下，由于石墨烯的***，能量势垒在半导体与电极之间降低
这里将省略对其的详细描述。
图4是根据示例实施例的场效应晶体管（FET）200的截面图。
参照图4，形成用第一杂质掺杂的半导体衬底210，并形成用第二杂质掺杂的源极区221和漏极区222，第二杂质具有与第一杂质相反的极性。源极区221和漏极区222形成在半导体衬底210上以彼此间隔开。第一和第二杂质可以是不同类型的杂质，例如p型和n型杂质。
半导体衬底210可以由硅、锗、硅-锗、III-V族半导体、II-VI族半导体等形成。
绝缘层（未示出）形成在半导体衬底210上。绝缘层可以由硅氧化物或硅氮化物形成。绝缘层的对应于源极区221和漏极区222的部分从半导体衬底210移除以形成绝缘层250，从而暴露源极区221和漏极区222。
第一石墨烯231和第二石墨烯232分别直接设置在暴露的源极区221和漏极区222上。因此，第一石墨烯231和第二石墨烯232接触半导体衬底210。第一石墨烯231和第二石墨烯232可以是具有单层结构或双层结构的石墨烯。例如，第一石墨烯231和第二石墨烯232可以每个具有1个或2个碳原子的厚度，但是示例实施例不限于此。第一石墨烯231和第二石墨烯232可以通过转移由CVD制造的石墨烯而形成。第一石墨烯231和第二石墨烯232可以通过将石墨烯（未示出）转移到半导体衬底210上然后图案化石墨烯而形成。备选地，预先图案化的石墨烯可以设置在半导体衬底210上。
源电极241和漏电极242分别形成在第一石墨烯231和第二石墨烯232上。源电极241和漏电极242可以由一般电极金属形成，例如铝、金、铂、银或钯。源电极241和漏电极242可以通过电子束蒸镀或溅射分别形成在第一石墨烯231和第二石墨烯232上。源电极241和漏电极242可以形成为具有小于30nm的尺寸。也就是，当源电极241和漏电极242每个具有四边形形状时，其长边可以小于30nm，当源电极241和漏电极242每个具有圆形形状时，其直径可以小于30nm。
形成在源电极241与漏电极242之间的绝缘层250可以被称作栅绝缘层250。栅电极260形成在栅绝缘层250上。栅电极260可以由与用于形成源电极241和漏电极242的材料相同的材料形成。
在根据示例实施例的FET中，石墨烯形成在衬底上，电极金属形成在其上使得石墨烯设置在由半导体形成的衬底与电极金属之间，从而降低电极结构的能量势垒。上面已经描述了根据示例实施例的电极结构的操作，因此这里将省略对其的详细描述。
在采用该电极结构的FET中，驱动电压可以由于接触电阻的减小而降低，此外，电极区域的尺寸可以由于其接触电阻的减小而减小，因此FET可以制作得小。
尽管已经描述了包括根据示例实施例的石墨烯电极结构的FET，但是示例实施例不限于此。例如，根据示例实施例的石墨烯电极结构可以应用到其他的半导体器件，该其他的半导体器件使用半导体衬底并包括电极结构，该电极结构包括接触半导体衬底的石墨烯。
尽管已经具体示出和描述了一些示例实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的变化而不背离权利要求书的精神和范围。对根据示例实施例的电极结构和/或FET内的特征或方面的描述应当通常被认为可用于根据示例实施例的其他电极和/或FET的其他类似特征或方面。
本申请要求于2011年9月22日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2011-0095813的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
Claims (20)
1.一种电极结构，包括：
石墨烯，在半导体层上；以及
电极金属，在所述石墨烯上，
其中所述石墨烯接触所述半导体层和所述电极金属中的至少一个。
2.如权利要求1所述的电极结构，其中所述半导体层包括硅、锗、硅-锗、III-V族半导体和II-VI族半导体中的一种。
3.如权利要求1所述的电极结构，其中所述石墨烯是单层结构和双层结构中的一种。
4.如权利要求1所述的电极结构，其中所述电极金属具有大于0nm且小于30nm的尺寸。
5.如权利要求1所述的电极结构，其中
所述石墨烯接触所述半导体层，并且
所述电极金属接触所述石墨烯。
6.如权利要求5所述的电极结构，其中
所述半导体层包括杂质，
基于所述半导体层的所述杂质改变所述石墨烯的功函数，所述石墨烯配置为降低所述半导体层与所述电极金属之间的肖特基能量势垒。
7.如权利要求6所述的电极结构，其中所述半导体层的所述杂质是n型杂质。
8.如权利要求6所述的电极结构，其中所述半导体层的所述杂质是p型杂质。
9.如权利要求1所述的电极结构，其中
所述石墨烯接触所述电极金属，并且
所述石墨烯的费米能级等于所述电极金属的费米能级。
10.如权利要求1所述的电极结构，其中
所述电极金属包括铝、金、铂、银和钯中的一种。
11.一种场效应晶体管（FET），包括：
半导体衬底，掺杂有第一杂质，该半导体衬底包括用第二杂质掺杂的源极区和漏极区，该第二杂质具有与所述第一杂质的极性相反的极性；
第一石墨烯和第二石墨烯，在所述半导体衬底上并彼此间隔开，所述第一石墨烯在所述半导体衬底的所述源极区上，所述第二石墨烯在所述半导体衬底的所述漏极区上；
包含金属的源电极和包含金属的漏电极，分别在所述第一石墨烯和所述第二石墨烯上，所述第一石墨烯接触所述半导体衬底和所述源电极中的至少一个，所述第二石墨烯接触所述半导体衬底与所述漏电极中的至少一个；
栅绝缘层，在所述源电极与所述漏电极之间且在所述半导体衬底上；以及
栅电极，在所述栅绝缘层上。
12.如权利要求11所述的FET，其中所述半导体衬底包括硅、锗、硅-锗、III-V族半导体和II-VI族半导体中的一种。
13.如权利要求11所述的FET，其中所述第一石墨烯和所述第二石墨烯中的至少一个是单层结构和双层结构中的一种。
14.如权利要求11所述的FET，其中所述源电极和所述漏电极每个具有大于0nm且小于30nm的尺寸。
15.如权利要求11所述的FET，其中
所述第一石墨烯和所述第二石墨烯接触所述半导体衬底，
所述源电极接触所述第一石墨烯，并且
所述漏电极接触所述第二石墨烯。
16.如权利要求11所述的FET，其中所述第一石墨烯配置为降低所述半导体衬底与所述源电极之间的肖特基能量势垒。
17.如权利要求16所述的FET，其中所述第二杂质是n型杂质。
18.如权利要求11所述的FET，其中所述第二石墨烯配置为降低所述半导体衬底与所述漏电极之间的肖特基能量势垒。
19.如权利要求11所述的FET，其中
所述第一石墨烯和所述第二石墨烯分别接触所述源电极和所述漏电极；并且
所述第一石墨烯的费米能级和所述第二石墨烯的费米能级分别等于包含金属的所述源电极的费米能级和包含金属的所述漏电极的费米能级。
20.一种接触结构，包括：
石墨烯，夹设在电极金属与掺杂的半导体结构之间，
该石墨烯被配置为降低所述电极金属与所述掺杂的半导体结构之间的肖特基能量势垒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |