CN101404322A - 一种以石墨烯为电极的场效应晶体管器件及其制备方法 - Google Patents

一种以石墨烯为电极的场效应晶体管器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以石墨烯为电极的场效应晶体管器件及其制备方法。该器件中，构成源区和漏区的材料均为石墨烯；构成沟道区的材料为各种有机小分子、高聚物及高分子半导体材料，如聚噻吩、并五苯、稠环芳烃、苝酰胺等，构成栅区的材料为高度掺杂的导电硅。该器件还包括栅介质层，构成栅介质层的材料为二氧化硅，氮化硅以及各种高K的绝缘体。本发明提供的纳米级场效应晶体管器件可为n－型、p－型或两性型，该器件在纳米级实现了宏观场效应晶体管器件的所有功能。本发明提供的晶体管器件在超灵敏环境刺激响应、超灵敏太阳能刺激响应器件等均具有很高的应用价值。另外，在分子电子学及纳米领域，该器件对促进分子级别各种尺度下超微光电器件的发展，将起到至关重要的作用。

Description

一种以石墨烯为电极的场效应晶体管器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种场效应晶体管器件及其制备方法，特别是一种以石墨烯为电极的场效应晶体管器件及其制备方法。
背景技术
随着传统硅基晶体管的尺寸逐渐微型化到分子尺度，在纳米级的输运结方面已进行了大量的研究工作，期望能够对单个或几个有机分子的电学性质进行表征。在纳米电子和分子电子学领域的最终目标是获得单分子或单原子晶体管。原则上，单分子尺度的晶体管器件能够克服半导体材料的低载流子浓度缺陷，而表现出很好的场效应晶体管性质。为实现这一最终目标，至关重要的是制备新材料、研制新型器件结构及为获得高载流子迁移率和高栅效率而进行的参数优化新方法。碳基材料(如单壁碳纳米管和石墨烯)由于其独特的性质及维度，越来越被认为是最有研究前景的纳米材料。
石墨烯自从被发现以来，即已成为世界各国研究小组的研究热点，它是碳的一种新形态，由于其具有一系列独一无二的电学和物理学性质，成为构建纳米电子器件的理想材料：一、石墨烯具有很好的本征结构：每个结构单元均由六个碳原子通过化学键周期性排列成苯环形状，不会产生任何缺陷；这种完美的品格结构源于原子内sp2键的紧密结合，因而，与金电极相比，能赋予材料更稳定的性能(如高电导率)；二、石墨烯仅有一个原子厚度，带隙宽度为0；尽管带隙的缺失会降低转换器件的开关比，但石墨烯仍呈现半导体性，其载流子迁移率高达200,000cm2V-1s-1，且具有高载流能力；三、石墨烯具有二维特性，可与传统的半导体微器件兼容(而单壁碳纳米管则无法兼容)另外，石墨烯的平面结构亦与现有的多层CMOS器件甚至在将来与CMOS制造工艺相兼容。总之，石墨烯作为一种新型电极材料，被寄望于能够克服碳纳米管存在的缺点。但是，迄今为止，关于石墨烯作为二维电极材料并探讨半导体性分子材料的电学性质方面，还鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种以石墨烯为电极的场效应晶体管器件及其制备方法。
本发明提供的场效应晶体管器件，包括源区、漏区、栅区和沟道区；其中，栅区和沟道区均位于源区和漏区之间，栅区位于沟道区之下；构成源区和漏区的材料均为石墨烯；构成沟道区的材料为各种有机小分子、高聚物及高分子半导体材料，如聚噻吩、并五苯、稠环芳烃、苝酰胺等，构成栅区的材料为高度参杂的导电硅。该器件还包括栅介质层，构成栅介质层的材料为二氧化硅，氮化硅以及各种高K的绝缘体，如氧化铝、氧化锆或二氧化钛。
本发明提供的制备上述场效应晶体管器件的方法，包括如下步骤：
1)将石墨烯分布在绝缘电介质层基底表面；
2)图案化绝缘电介质层基底表面的石墨烯；
3)用金属掩膜覆盖石墨烯，在绝缘电介质层基底表面依次镀上金属薄膜；
4)刻蚀步骤2)得到的图案化后的石墨烯，暴露出绝缘电介质层基底；
5)在步骤4)暴露出的绝缘电介质层基底表面，覆盖有机半导体薄膜，得到本发明提供的场效应晶体管器件。
该方法的步骤1)中，将石墨烯分布在绝缘电介质层基底表面的方法为机械剥落法；绝缘电介质层基底为二氧化硅、氮化硅和氧化锆等。
步骤2)中，图案化石墨烯的方法为电子束刻蚀。
步骤3)中，在绝缘电介质层基底表面依次镀上金属薄膜的方法为热蒸镀；金属薄膜材料选自金、铬和镍中的一种或任意几种。
步骤4)中，刻蚀方法为氧等离子体刻蚀；暴露出的绝缘电介质层基底的宽度为100-150nm。
步骤5)中，覆盖有机半导体薄膜的步骤中，覆盖方法为热蒸镀或浸渍涂膜法；构成有机半导体薄膜的材料为稠环芳烃或苝酰胺，具体为并五苯或聚噻吩，如聚3-己基噻吩。选用浸渍涂膜法时，浸渍液为聚噻吩的有机溶液，浓度为0.5-0.25mg/mL，优选0.25mg/mL，该溶液的溶剂可为各种常用的能溶解聚噻吩的有机溶剂，如氯仿；浸渍时间为1-60秒，优选10秒。另外，根据需要，可在步骤5)之后，在金属层与石墨烯层之间的间隙，用电子束刻蚀方法将聚甲基丙烯酸甲酯进行填充。
本发明提供的场效应晶体管器件中，所用有机材料可以是各种有机小分子或高分子半导体材料，如寡聚噻吩、聚噻吩、并五苯、稠环芳烃、苝酰胺和各种高聚物等，从而制备n-型、p-型或两性型的纳米级场效应晶体管器件。这些器件在纳米级实现了宏观场效应晶体管器件的所有功能，如高迁移率和高开关比，大大缩小了器件的尺寸。由于器件中存在光活性分子，该分子晶体管器件对各种外界刺激，如光刺激，均具有很高的响应灵敏度。本发明提供的纳米晶体管器件在超灵敏环境刺激响应、超灵敏太阳能刺激响应器件等均具有很高的应用价值。另外，在分子电子学及纳米领域，该器件对促进分子级别各种尺度下超微光电器件的发展，将起到至关重要的作用。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的纳米级场效应晶体管器件的结构示意图、扫描电镜和AFM照片。
图2为本发明实施例1中步骤4)中对石墨烯之间暴露出的基底层进行氧等离子体刻蚀步骤前后器件的电学特性曲线。
图3为本发明实施例1提供的晶体管器件的输出特性曲线和转移特性曲线。
图4为本发明实施例1提供的晶体管器件的漏电流与时间的特性曲线。
图5为本发明实施例2提供的晶体管器件的结构示意图。
图6为本发明实施例2提供的晶体管器件的光学显微镜照片和输出特性曲线。
图7为本发明实施例2提供的晶体管器件的漏电流与时间的特性曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1、制备纳米级场效应晶体管器件
该纳米级场效应晶体管器件的制备方法包括如下步骤：
1)在含有一层300nm厚的二氧化硅的重掺杂硅衬底上，将未经任何加工的石墨置于衬底上反复剥离，得到石墨烯；
2)利用电子束刻蚀方法，对石墨烯进行图案化；
3)用金属掩膜覆盖步骤2)得到的图案化后的石墨烯，在硅衬底表面利用热蒸发法依次得到Cr层和Au层(5纳米/40纳米)，Au/Cr作为该器件的金属源区和漏区。
4)在上述晶体管表面旋涂一层PMMA(950，A2)，旋涂速率为4000PRM，旋涂时间为45s，之后于170℃烘干2min。利用电子束刻蚀方法，通过电脑运行DesignCAD文件，对上述图案化后的石墨烯进行刻蚀，使基底层暴露，该暴露出的基底层的宽度为100nm。用体积比为1∶3的水和异丙醇的混合液5℃超声洗涤1min，再用去离子水清洗，于氮气气氛中干燥。
之后置于型号为ME-3 RIE的氧等离子体刻蚀设备中，对上述石墨烯之间暴露出的基底层进行氧等离子体刻蚀，得到宽度为100-150nm的纳米空隙；其中，射频功率为50W，氧等离子体压强为300mTorr，切割时间为7s。之后将器件置于丙酮中过夜，除去丙酮后依次用丙酮、异丙醇、去离子水洗涤，于氮气气氛中干燥。刻蚀步骤2)得到的图案化后的石墨烯，暴露出基底层；
5)在步骤4)暴露出的基底层表面，用浸渍涂膜法覆盖一层聚3-己基噻吩薄膜，得到纳米级场效应晶体管器件。其中，聚3-己基噻吩购自Alfa Aesar公司，产品编号44745，分子量87kD。涂膜时所用的浸渍液为聚3-己基噻吩(P3HT)的氯仿溶液，浓度分别为0.50mg/mL、0.30mg/mL、0.28mg/mL和0.25mg/mL；浸渍时间为10秒，得到本发明提供的场效应晶体管器件。
该器件的结构示意图如图1A所示。其中，1为硅衬底层，2为氧化物介质层和栅区，3和4分别为该器件的源区和漏区，5为沟道区。图1B为该器件的扫描电镜和AFM照片，由图可知，石墨烯层的厚度为0.8nm，是石墨烯单层的厚度，沿源区至漏区方向石墨烯层的宽度为100nm。图2为步骤4)中对石墨烯之间暴露出的基底层进行氧等离子体刻蚀步骤前后器件的电学特性曲线。由图2可知，刻蚀前，器件在VD＝-500uV和VG＝-20V时，电阻率为1.12KΩ，刻蚀后，器件为一开路，电流降至测量的极限值(～100fA)。
图3A和图3B分别为该器件的输出特性曲线和转移特性曲线。图3A中，VG由100V至-5V每-21V递减。图3B中，选取曲线2的切线区域，利用标准方法计算出的场效应迁移率(μ)在0.9-1.5×10-3cm2/V·s之间，电流的开关比在105左右，表明该器件多次测量后其性质不会衰减。
图4A为该器件在可见光照射时漏电流与时间的特性曲线。所用可见光光源为150W的碘钨灯，室温环境。光照后ISD较光照前数值显著增大。光的响应度高达8.3A/W。光照前后，源漏偏压始终为-2V，栅偏压为-2V。由于器件中沟道区具有光敏特性的有机物而产生的可逆光电流，并不受空气中氧气和湿气的影响，在多次光照循环后亦没有衰减。在很短时间内，器件的漏电流即达到饱和，表明光激发产生的载流子浓度达到最大值，如图4B所示。由图4可知，上述石墨烯-分子-石墨烯结的光敏特性可能是由于光照后有机分子的光激发导致晶体管的载流子浓度增大进而提高了晶体管的电荷输运迁移率。
实施例2、制备纳米级场效应晶体管器件
该纳米级场效应晶体管器件的制备方法包括如下步骤：
1)在含有一层300nm厚的二氧化硅的重掺杂硅衬底上，将未经任何加工的石墨置于衬底上反复剥离，得到石墨烯；
2)利用电子束刻蚀方法，对石墨烯进行图案化；
3)用金属掩膜覆盖步骤2)得到的图案化后的石墨烯，在硅衬底表面利用热蒸发法依次得到Cr层和Au层(5纳米/40纳米)，Au/Cr作为该器件的金属源区和漏区。
4)在上述晶体管表面旋涂(4000PRM，45s)一层PMMA(950，A2)后，于170℃烘干2min。利用电子束刻蚀方法，通过电脑运行DesignCAD文件，对上述图案化后的石墨烯进行刻蚀，使衬底层暴露，该暴露出的衬底层的宽度为100nm。然后用体积比为1∶3的水和异丙醇的混合液5℃超声洗涤1min，再用去离子水清洗，于氮气气氛中干燥。
之后置于型号为ME-3 RIE的氧等离子体刻蚀设备中，对上述石墨烯之间暴露出的硅衬底层进行氧等离子体刻蚀，得到宽度为100-150nm的纳米空隙；其中，射频功率为50W，氧等离子体压强为300mTorr，切割时间为7s。之后将器件置于丙酮中过夜，除去丙酮后依次用丙酮、异丙醇、去离子水洗涤，于氮气气氛中干燥。刻蚀步骤2)得到的图案化后的石墨烯，暴露出绝缘电介质层基底；
5)在步骤4)暴露出的硅衬底层表面，用常规热蒸镀方法覆盖一层并五苯薄膜，厚度为40nm，得到纳米级场效应晶体管器件，得到本发明提供的纳米级场效应晶体管器件。
该器件的结构示意图如图5所示。其中，1为硅衬底层和栅区，2为氧化物介质层，3和4分别为该器件的源区和漏区，5为沟道区，6为保护层。
图6A为本发明实施例2提供的分子晶体管器件的光学显微镜照片，图6B为该器件的输出特性曲线。图6B中，VG从0至-10V每-2V递减。VD＝-4V时，图6A中方框区域(该区域的长度为120nm，宽度为4um)的场效应迁移率μ为0.2×10-3cm2/V·s，电流开关比为10。该器件表现出良好的p型半导体性质。
图7为该石墨烯分子晶体管器件的漏电流与时间的特性曲线。其中，光照前后，源漏偏压始终为-0.5V，栅偏压为-0.5V。另外，该器件在可见光照后，光电流呈平稳快速增大的趋势，表明该晶体管具有非常好的光敏特性。
本实验方法具有通用性，可用热蒸镀的方法或溶液处理的方法(如旋涂、滴涂或浸泡等)把各种半导体材料加工在器件上，从而得到各种高效的纳米场效应晶体管，是一大类高效的传感器和光检测器。

Claims (10)

1、一种场效应晶体管器件，包括源区、漏区、栅区和沟道区；其中，所述栅区和沟道区均位于所述源区和漏区之间，所述栅区位于所述沟道区之下，所述构成栅区的材料为硼掺杂的导电硅；其特征在于：所述构成源区和漏区的材料为石墨烯，所述构成沟道区的材料为稠环芳烃或苝酰胺。
2、根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述构成沟道区的材料为并五苯或聚噻吩。
3、根据权利要求2所述的器件，其特征在于：所述聚噻吩为聚3-己基噻吩。
4、根据权利要求1-3任一所述的器件，其特征在于：所述纳米级场效应晶体管器件还包括栅介质层；所述栅介质层为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆或二氧化钛。
5、一种制备权利要求1-4任一所述场效应晶体管器件的方法，包括如下步骤：
1)将石墨烯分布在绝缘电介质层基底表面；
2)图案化绝缘电介质层基底表面的石墨烯；
3)用金属掩膜覆盖石墨烯，在所述绝缘电介质层基底表面依次镀上金属薄膜；
4)刻蚀所述步骤2)得到的图案化后的石墨烯，暴露出绝缘电介质层基底；
5)在所述步骤4)暴露出的绝缘电介质层基底表面，覆盖有机半导体薄膜，得到所述场效应晶体管器件。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述将石墨烯分布在绝缘电介质层基底表面的方法为机械剥落法；所述绝缘电介质层基底为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆或二氧化钛；
所述步骤2)中，所述图案化所述绝缘电介质层基底表面的石墨烯的方法为电子束刻蚀；
所述步骤3)中，在绝缘电介质层基底表面依次镀上金属薄膜的方法为热蒸镀；所述构成金属薄膜的材料选自金、铬和镍中的一种或任意几种；
所述步骤4)中，刻蚀方法为氧等离子体刻蚀；暴露出的绝缘电介质层基底的宽度为100-150nm；
所述步骤5)中，覆盖有机半导体薄膜的步骤中，覆盖方法为热蒸镀或浸渍涂膜法；所述构成有机半导体薄膜的材料为稠环芳烃或苝酰胺。
7、根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述构成有机半导体薄膜的材料为并五苯或聚噻吩。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述聚噻吩为聚3-己基噻吩。
9、根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述覆盖方法为浸渍涂膜法，所述浸渍液为聚噻吩的有机溶液，浓度为0.5-0.25mg/mL，优选0.25mg/mL；浸渍时间为1-60秒，优选10秒。
10、根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：在所述步骤5)之后，用电子束刻蚀方法将金属层与石墨烯层之间的接触用聚甲基丙烯酸甲酯进行保护。
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