CN103325836B - 一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法，属于纳电子学技术领域，该石墨烯场效应晶体管包括半导体衬底、绝缘层、导电通道、源电极、漏电极、栅介质层和栅电极，其中，绝缘层形成于半导体衬底上，导电沟道形成于绝缘层上，导电沟道由石墨烯材料构成，源电极和漏电极分别形成于导电通道的两端，栅介质层覆盖在源电极、漏电极以及源电极与漏电极之间的导电通道上，栅电极位于栅介质层之上。本发明解决了原子层沉积法无法在石墨烯材料形成的导电通道上直接生长高介电常数栅介质薄膜的问题，氧化石墨烯既提供了原子层沉积的成核中心，同时不会引起石墨烯材料载流子迁移率的显著下降，不会引起器件性能的下降。
Description
技术领域
本发明属于场效应晶体管制造技术领域，具体涉及一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
自2004年石墨烯被成功研制以来，石墨烯电子器件取得了巨大发展。基于石墨烯的电子学具有尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等特点，受到人们越来越广泛的关注，石墨烯有望取代硅材料成为下一代的半导体材料。
场效应晶体管的性能受到两个最重要因素的影响，一是材料性质，它决定了器件性能的潜力；另一个就是栅介质材料，由于它与沟道直接接触，所以栅介质的性能会直接影响整个器件的性能，高性能的场效应晶体管要求栅介质材料具有绝缘性能好、介电常数高、抗击穿能力强等特点。而石墨烯场效应晶体管自身的一个重要特点是，由于石墨烯材料只有一个或几个原子层厚度，其材料对与其接触的介质层非常敏感，栅介质层通常会影响石墨烯的表面态，在石墨烯中引入新的散射机制，会造成石墨烯载流子迁移率的显著下降，造成器件性能退化。
在石墨烯材料的电子器件中，高性能栅介质的制备一直是制约器件性能的关键问题。对于普遍使用的高介电常数栅介质的生长方法——原子层沉积(ALD)，由于石墨烯表面不能提供悬挂键为其生长提供成核中心，所以无法直接在石墨烯上生成均匀的薄层栅介质。为了能够通过原子层沉积形成栅介质层，通常在原子层沉积之前对材料表面进行功能化处理，如脱氧核糖核酸(DNA)分子功能化、二氧化氮(NO2)分子功能化、臭氧(O3)功能化等；或者在石墨烯表面蒸发或溅射沉积活性金属后通过高温氧化形成氧化金属，为原子层沉积提供成核中心。但不管是哪种处理方法，都会给石墨烯引入额外的散射机制，降低载流子迁移率，使器件性能退化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明针对现有的高性能栅介质的制备会给石墨烯引入额外的散射机制，降低载流子迁移率，使器件性能退化的不足，提供一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯场效应晶体管，该石墨烯场效应晶体管包括半导体衬底10、绝缘层11、导电通道12、源电极13、漏电极14、栅介质层15、16和栅电极17，其中，绝缘层11形成于半导体衬底10上，导电通道12由石墨烯材料构成，形成于绝缘层11上，源电极13和漏电极14分别形成于导电通道12的两端，栅介质层15覆盖在源电极13、漏电极14以及源电极13与漏电极14之间的导电通道12上，栅电极17位于栅介质层15、16之上，栅介质层15、16包括氧化石墨烯介质层15和金属氧化物介质层16。
上述方案中，所述金属氧化物介质层16位于氧化石墨烯介质层15之上。所述金属氧化物介质层16由氧化钛、氧化铪、氧化锆或者氧化铝构成，所述金属氧化物介质层16的厚度为3纳米～30纳米。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制备石墨烯场效应晶体管的方法，该方法包括：
步骤1：在半导体衬底上依次形成绝缘层、由石墨烯材料构成的导电通道、源电极和漏电极；
步骤2：采用金属催化CVD方法生长石墨烯，对该石墨烯进行氧化得到氧化石墨烯，将该氧化石墨烯转移到源电极、漏电极以及源电极与漏电极之间的导电通道上，形成氧化石墨烯介质层；
步骤3：利用原子层沉积法在氧化石墨烯介质层上沉积一层金属氧化物介质层，形成由氧化石墨烯介质层和金属氧化物介质层构成的栅介质层，然后在该栅介质层上形成栅电极。
上述方案中，步骤2中所述采用金属催化CVD方法生长石墨烯，采用的催化金属为铜、镍、铂、钌、钼或金。所述采用金属催化CVD方法生长石墨烯，是将石墨烯置于溶液中进行氧化，溶液为硫酸、硝酸或硫酸与硝酸的混合溶液。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的石墨烯场效应晶体管及其制备方法，金属氧化物和氧化石墨烯形成的介质层，绝缘性能良好、介电常数高，抗击传能力强，最终使石墨烯场效应晶体管获得很好的顶栅调制能力，而且氧化石墨烯能够为原子层沉积法生长高性能介质层提供成核中心，从而与原子层沉积工艺相兼容，解决了原子层沉积方法无法在石墨烯材料表面成核的问题。
2、本发明提供的石墨烯场效应晶体管及其制备方法，解决了原子层沉积法无法在石墨烯材料形成的导电通道上直接生长高介电常数栅介质薄膜的问题，氧化石墨烯既提供了原子层沉积的成核中心，同时不会引起石墨烯材料载流子迁移率的显著下降，不会引起器件性能的下降
3、本发明提供的石墨烯场效应晶体管及其制备方法，制备工艺简单，成本低廉，可靠性及重复性好，为石墨烯高性能器件的实现提供了一个良好的解决方案，满足石墨烯规模化集成电路的需求。
附图说明
图1是依照本发明实施例的石墨烯场效应晶体管的示意图；
图2是依照本发明实施例的制备图1所示的石墨烯场效应晶体管的方法流程图；
图3为依照本发明实施例的石墨烯场效应晶体管的顶栅Ids-Vgs转移特性曲线。
图4为依照本发明实施例的石墨烯场效应晶体管的背栅Ids-Vgs转移特性曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的石墨烯场效应晶体管的示意图，该石墨烯场效应晶体管包括半导体衬底10、绝缘层11、导电通道12、源电极13、漏电极14、栅介质层15、16和栅金属17。其中，绝缘层11形成于半导体衬底10上，导电通道12形成于绝缘层11上，导电通道12由石墨烯材料构成，源电极13和漏电极14分别形成于导电通道12的两端，栅介质层(15、16)覆盖在源电极13、漏电极14以及源电极13与漏电极14之间的导电通道12上，栅电极17位于栅介质层15、16之上，栅介质层包括氧化石墨烯介质层15和金属氧化物介质层16。
其中，金属氧化物介质层16位于氧化石墨烯介质层15之上，金属氧化物介质层16由氧化钛、氧化铪、氧化锆或者氧化铝构成，所述金属氧化物介质层16的厚度为3纳米～30纳米。
图2是依照本发明实施例的制备图1所示的石墨烯场效应晶体管的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：在半导体衬底上依次形成绝缘层、由石墨烯材料构成的导电通道、源电极和漏电极；
步骤2：采用金属催化CVD方法生长石墨烯，对该石墨烯进行氧化得到氧化石墨烯，将该氧化石墨烯转移到源电极、漏电极以及源电极与漏电极之间的导电通道上，形成氧化石墨烯介质层；
步骤3：利用原子层沉积法在氧化石墨烯介质层上沉积一层金属氧化物介质层，形成由氧化石墨烯介质层和金属氧化物介质层构成的栅介质层，然后在该栅介质层上形成栅电极。
其中，步骤2中所述采用金属催化CVD方法生长石墨烯，采用的催化金属为铜、镍、铂、钌、钼或金。所述采用金属催化CVD方法生长石墨烯，是将石墨烯置于溶液中进行氧化，溶液为硫酸、硝酸或硫酸与硝酸的混合溶液。
下面以四个实施例对本发明提供的石墨烯场效应晶体管的制备方法做进一步详细的描述。
实施例1：以金属钛/金作为源漏电极，氧化石墨烯和原子层沉积氧化铪作为栅介质层，金属钛/金作为栅电极的石墨烯场效应晶体管。
具体制备步骤如下：
步骤S1：在100nm二氧化硅/体硅衬底片上的石墨烯材料上，通过电子束光刻形成源漏电极形状后，电子束蒸发一层10nm/50nm厚的钛/金(Ti/Au＝10/50nm)金属作为源漏电极，然后将样品放入丙酮中剥离，去掉不需要的金属层，得到源漏金属电极；
步骤S2：在铜催化CVD生长石墨烯表面旋涂PMMA光刻胶并加热烘焙，使光刻胶固化，然后将带有石墨烯和PMMA胶的铜片置入硝酸溶液中，腐蚀掉铜并使石墨烯氧化形成氧化石墨烯。
步骤S3：将附有PMMA胶的氧化石墨烯转移附着到样品上，然后将样品置入丙酮中溶解掉PMMA胶。
步骤S4：将样品放入原子层沉积设备腔体中，生长15nm厚氧化铪介质层；
步骤S5：通过电子束光刻，形成栅电极图形，通过电子束蒸发蒸镀一层10nm/50nm厚钛/金(Ti/Au＝10/50nm)金属层作为栅电极，然后将样品放入丙酮中剥离，去除不需要的金属层，得到栅电极。
实施例2：以金属钛/金作为源漏电极，氧化石墨烯和原子层沉积氧化铪作为栅介质层，金属钛/金作为栅电极的石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤S2使用镍催化CVD生长石墨烯。
实施例3：以金属钛/金作为源漏电极，氧化石墨烯和原子层沉积氧化铪作为栅复合介质层，金属钛/金作为栅电极的石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤S2中使用溶液为硫酸。
实施例4：以金属钛/金作为源漏电极，苯并环丁烯有机介质层和原子层沉积氧化铝作为栅复合介质层，金属钛/金作为栅电极的石墨烯场效应晶体管。
具体步骤与实施例1类似，但步骤S4改为通过原子层沉积生长15nm厚氧化铝介质层。
通过上述四个实施例制备的石墨烯场效应晶体管由于使用氧化石墨烯和金属有机物介质层作为栅介质层，使得器件的性能不会显著下降。实验数据如图4所示，图4为依照本发明实施例的石墨烯场效应晶体管的背栅Ids-Vgs转移特性曲线，由该图4可知，器件电流输运特性无显著下降。
图3为依照本发明实施例的石墨烯场效应晶体管的顶栅Ids-Vgs转移特性曲线，Vds自下向上即沿Ids轴的正方向上分别为10mV、20mV、30mV、40mV和50mV，可见在不同的漏电压下，器件转移特性关于狄拉克点对称性良好，且晶体管顶栅栅控特性良好。
本发明实现了石墨烯场效应晶体管的制备，极大的减小了石墨烯场效应晶体管的通路区，提高器件的直流和射频性能。同时工艺流程简单，可与现有的工艺流程很好兼容。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种石墨烯场效应晶体管，其特征在于，该石墨烯场效应晶体管包括半导体衬底(10)、绝缘层(11)、导电通道(12)、源电极(13)、漏电极(14)、栅介质层(15、16)和栅电极(17)，其中，绝缘层(11)形成于半导体衬底(10)上，导电通道(12)由石墨烯材料构成，形成于绝缘层(11)上，源电极(13)和漏电极(14)分别形成于导电通道(12)的两端，栅介质层(15、16)覆盖在源电极(13)、漏电极(14)以及源电极(13)与漏电极(14)之间的导电通道(12)上，栅电极(17)位于栅介质层(15、16)之上，栅介质层(15、16)包括氧化石墨烯介质层(15)和金属氧化物介质层(16)；
其中，金属氧化物介质层(16)位于氧化石墨烯介质层(15)之上，且采用金属催化CVD方法生长石墨烯，对该石墨烯进行氧化得到氧化石墨烯，将该氧化石墨烯转移到源电极、漏电极以及源电极与漏电极之间的导电通道上，形成氧化石墨烯介质层；其中，氧化石墨烯能够为原子层沉积法生长高性能介质层提供成核中心。
2.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述金属氧化物介质层(16)由氧化钛、氧化铪、氧化锆或者氧化铝构成，所述金属氧化物介质层(16)的厚度为3纳米～30纳米。
3.一种制备权利要求1至2中任一项所述石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：在半导体衬底上依次形成绝缘层、由石墨烯材料构成的导电通道、源电极和漏电极；
步骤2：采用金属催化CVD方法生长石墨烯，对该石墨烯进行氧化得到氧化石墨烯，将该氧化石墨烯转移到源电极、漏电极以及源电极与漏电极之间的导电通道上，形成氧化石墨烯介质层；其中，所述采用金属催化CVD方法生长石墨烯，是将石墨烯置于溶液中进行氧化，溶液为硫酸、硝酸或硫酸与硝酸的混合溶液；所述氧化石墨烯能够为原子层沉积法生长高性能介质层提供成核中心；
步骤3：利用原子层沉积法在氧化石墨烯介质层上沉积一层金属氧化物介质层，形成由氧化石墨烯介质层和金属氧化物介质层构成的栅介质层，然后在该栅介质层上形成栅电极。
4.根据权利要求3所述的制备石墨烯场效应晶体管的方法，其特征在于，步骤2中所述采用金属催化CVD方法生长石墨烯，采用的催化金属为铜、镍、铂、钌、钼或金。
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