CN103943510B - 一种氮掺杂SiC基底的外延石墨烯背栅晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氮掺杂SiC基底的外延石墨烯背栅晶体管的制备方法，用半导体离子注入机产生的氮离子对平整均匀的SiC基底进行掺杂，在SiC基底的上半部分注入参数为30kev~150kev 的氮离子作为介质层、下半部分注入参数为500kev~1000kev的氮离子作为栅极；将注入氮离子后的SiC基底外延生长石墨烯，形成石墨烯沟道层；本发明直接利用SiC基底本身来制备晶体管，不用淀积栅极和介质层，操作简单，避免了在加工过程中的二次污染；外延生长出的石墨烯电学特性好，具有更高的电子迁移率。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管技术领域，特别涉及一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
石墨烯有各种优良的性能，比表面积达2630，高载流子迁移率为200000，是硅的100倍，电阻率最低约为10-6 Ω·cm，比铜和银更低，高热导率为5000 W，是铜的10倍。将石墨烯用于晶体管的制备，使得晶体管可以在室温下工作。常用的采用石墨烯来制备背栅晶体管的方法是：先在Si基表面热氧SiO2作为介质层，掩膜版进行光刻，显影后，用反应离子刻蚀（RIE）技术刻蚀SiO2，形成沟槽，沟槽宽度为3~8 μm，然后将制备的石墨烯转移到衬底上；在Graphene/SiO2/Si 表面溅射TiW/Au作为电极；该方法的缺点是工艺复杂，石墨烯在转移过程中容易破坏和污染。
发明内容
针对常用石墨烯制备背栅晶体管方法的不足之处，提出一种氮掺杂SiC基底的外延石墨烯背栅晶体管的制备方法，能避免石墨烯在转移过程中的污染，工艺简单。
本发明采用的技术方案是按以下步骤：
（1）选用1 μm厚的SiC基底，对其清洗；
（2）使用氢气刻蚀将SiC基底表面的杂质去除，用射频感应加热炉刻蚀，刻蚀功率为400 W，通入氢气，获得平整均匀的SiC基底；
（3）用半导体离子注入机产生的氮离子对平整均匀的SiC基底进行掺杂，在SiC基底的上半部分注入参数为30kev~150kev 的氮离子作为介质层、下半部分注入参数为500kev~1000kev的氮离子作为栅极；
（4）将注入氮离子后的SiC基底外延生长石墨烯，形成石墨烯沟道层；
（5）在石墨烯沟道层的两边溅射源极和漏极，形成氮掺杂SiC基底外延石墨烯背栅晶体管。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明中，晶体管的栅极为注入了大剂量氮离子的SiC基底部分，介质层为注入了小剂量氮离子的SiC基底部分，这样就不需要在SiC上淀积栅极和介质层，直接利用SiC基底本身来制备晶体管，与传统的石墨烯晶体管的制备相比，不用淀积栅极和介质层，操作简单，避免了在加工过程中的二次污染。
2、本发明利用SiC基底能够外延生长石墨烯的特点，利用SiC外延生长的石墨烯直接长出石墨烯沟道，作为晶体管的沟道，与机械剥离的石墨烯相比，外延生长出的石墨烯电学特性好，具有更高的电子迁移率。
3、本发明可扩大晶体管的工作温度范围，充分利用SiC基底外延石墨烯的特性，晶体管的阀值区域可被调控，体现了石墨烯优异的电学性能。
附图说明
图1是 氮离子注入SiC基底外延石墨烯背栅晶体管图；
图中：1-注入大剂量氮离子的SiC基底部分（栅极）；2-注入小剂量氮离子的SiC基底部分（介质层）；3-沟道层；4-漏极；5-源极。
具体实施方式
本发明将晶体管的栅极、介质层通过注入氮离子的方法与SiC基底结合于一体，随后在SiC上外延生长出石墨烯，镀上电极，形成石墨烯晶体管。具体如下：选用1 μm厚的SiC基底，用标准的晶圆清洗方法进行清洗。
使用氢气刻蚀将SiC基底表面的杂质去除。选用射频感应加热炉为刻蚀装置，刻蚀功率为400 W，通入氢气（20 sccm，30 s），从而获得平整均匀的SiC基底。
选用半导体离子注入机产生的氮离子对SiC进行掺杂，在SiC基底的上半部分，注入参数为30kev~150kev 的氮离子，作为调控区的介质层2，下半部分注入参数为500kev~1000kev的氮离子，使得SiC基底的下半部分导电作为栅极。参见图1中注入小剂量氮离子的SiC基底部分1，即栅极，以及注入小剂量氮离子的SiC基底部分2，即介质层。
将注入氮离子后的SiC基底，采用高温热解法外延生长石墨烯，选用射频感应热炉对SiC进行加热，加热温度为1400℃~1600℃，时间为10~20分钟，并在加热过程中通入氩气，生长出均匀的石墨烯，形成石墨烯沟道层3，作为晶体管的石墨烯沟道。也就是晶体管的石墨烯沟道3直接利用SiC基底外延生长石墨烯获得，免去了转移石墨烯的麻烦和二次污染，并且外延生长出的石墨烯电学特性好，电子迁移率高。
在石墨烯沟道层3的两边溅射Ti/Au金属电极作为源极5和漏极4，形成了背栅石墨烯场效应晶体管。
本发明通过向SiC基底的不同部分注入不同剂量的氮离子，对基底进行掺杂，分别形成导电区和调控区，其中导电区作为栅极，调控区作为介质层，利用SiC本身直接做成了石墨烯晶体管，简化了制作石墨烯晶体管的程序，省去了淀积栅极和介质层的步骤。通过向SiC基底中注入氮离子，可以提高晶体管的工作温度范围，小剂量氮离子掺杂SiC基底部分即调控区，可以通过调节注入SiC的氮离子的剂量调节调控区的介电常数，从而达到石墨烯工作的阀值区域可被调控的效果。
Claims (2)
1.一种氮掺杂SiC基底外延石墨烯背栅晶体管的制备方法，其特征是按以下步骤：
（1）选用1 μm厚的SiC基底，对其清洗；
（2）使用氢气刻蚀将SiC基底表面的杂质去除，用射频感应加热炉刻蚀，刻蚀功率为400W，通入氢气，获得平整均匀的SiC基底；
（3）用半导体离子注入机产生的氮离子对平整均匀的SiC基底进行掺杂，在SiC基底的上半部分注入参数为30kev~150kev 的氮离子作为介质层、下半部分注入参数为500kev~1000kev的氮离子作为栅极；
（4）将注入氮离子后的SiC基底外延生长石墨烯，形成石墨烯沟道层；
（5）在石墨烯沟道层的两边溅射源极和漏极，形成氮掺杂SiC基底外延石墨烯背栅晶体管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（4）中，外延生长石墨烯的方法是：用射频感应热炉对SiC基底加热，加热温度为1400℃~1600℃，时间为10~20分钟，在加热过程中通入氩气，生长出均匀的石墨烯，形成石墨烯沟道层。
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