CN101777583A - 一种石墨烯场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子元器件技术领域，涉及一种场效应晶体管，特别是一种以石墨烯为导电层的双栅结构的场效应晶体管。该石墨烯场效应晶体管包括衬底栅电极、下栅介质材料、上栅介质材料、石墨烯、源电极和漏电极，石墨烯位于上栅介质材料和下栅介质材料之间源电极和漏电极位于石墨烯两端。本发明由于采用双栅材料，即在现有的石墨烯场效应晶体管石墨烯沟道区表面增加一层上栅介质材料，将石墨烯沟道区封闭在上栅介质材料与下栅介质材料之间，避免石墨烯沟道区受到外界的干扰，从而降低散射，有效提高了晶体管的迁移率和开关特性。

Description

一种石墨烯场效应晶体管
技术领域
本发明属于电子元器件技术领域，涉及一种场效应晶体管，特别是一种以石墨烯为导电层的双栅结构的场效应晶体管。
背景技术
半导体产业是当今信息化社会的支柱产业，而其中起放大以及开关作用的晶体管具有极为重要的地位。上个世纪，以硅基晶体管为代表的金属-氧化物-半导体晶体管(MOS)极大地推动了场效应晶体管的产业化进展。英国曼彻斯特大学Geim教授2004年发现的石墨烯(Graphene)是一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构的碳质新材料。石墨烯的室温本征电子迁移率可达200000cm2/Vs，是Si(～1400cm2/Vs)的140倍、GaAs(～8500cm2/Vs)的20倍、GaN(～2000cm2/Vs)的100倍。石墨烯这些优异电学性能，使其在超高频乃至太赫兹电子器件、超级计算机等领域具有巨大的应用价值。
Richard B.Kaner等人在文献“High-throughput solution processing of large-scale graphene”(Nature Nanotechnology，2009，4，25)中采用了一种场效应晶体管结构来测试石墨烯薄膜的电子迁移率。该石墨烯场效应晶体管结构如图1所示，包括衬底栅电极1、栅介质材料2、石墨烯3、源电极5和漏电极6。该石墨烯晶体管采用低电阻率的硅作为栅极，氧化硅作为栅介质层，石墨烯上形成漏极与源极，形成石墨烯场效应晶体管。该文献中使用的石墨烯是采用化学方法所制备的，使得该晶体管的空穴迁移率只能达到1000cm2/Vs左右，电子迁移率只能达到1500cm2/Vs左右，离石墨烯的本征电子迁移率相差甚远。另外，该晶体管在不同漏源电压下的栅极电压与漏源电流之间的关系如图2所示，其中曲线1表示漏源电压为0.1V下栅极电压与漏源电流之间的关系；曲线2表示漏源电压为0.2V下栅极电压与漏源电流之间的关系；曲线3表示漏源电压为0.3V下栅极电压与漏源电流之间的关系；曲线4表示漏源电压为0.4V下栅极电压与漏源电流之间的关系；曲线5表示漏源电压为0.5V下栅极电压与漏源电流之间的关系，由图2可以看出，该晶体管开关特性不太明显。。
发明内容
本发明提供一种以石墨烯为沟道材料的高迁移率场效应晶体管，所提供的石墨烯场效应晶体管比现有的石墨烯场效应晶体管具有更高的迁移率和明显的开关特性。
本发明提供的石墨烯场效应晶体管，如图3所示，包括衬底栅电极1、下栅介质材料2、石墨烯3、源电极5和漏电极6，下栅介质材料2位于衬底栅电极1表面，石墨烯3位于下栅介质材料2表面，源电极5和漏电极6位于石墨烯3两端；该晶体管还包括上栅介质材料4，所述上栅介质材料4位于源电极5和漏电极6之间并覆盖石墨烯3表面。
本发明的实质是在现有石墨烯晶体管结构的基础上，在石墨烯沟道区表面增加一层上栅介质材料，将石墨烯沟道区封闭在上栅介质材料与下栅介质材料之间，避免石墨烯沟道区受到外界的干扰，从而降低散射，提高晶体管的迁移率和开关特性。
需要说明的是，本发明提供的石墨烯晶体管，其下栅介质材料2为高K介质材料，如：二氧化硅，氮化硅，氧化铝或锆钛酸铅。上栅介质材料4可以是介电常数大于2的有机液体介质，如：N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、丙酮、乙醇、乙二醇、甘油、乙酸、甲酸、苯甲醛或乙酸乙酯；上栅介质材料4也可以是介电常数大于2的有机固体介质，如：低聚合酞菁铜(O-CuPc)、邻苯二胺、四丁基溴化胺或萘类有机物；上栅介质材料4也可以是介电常数大于2的有机与无机复合材料，如：锆钛酸铅/聚偏氟乙烯(PZT/PVDF)、钛酸钡/聚偏氟乙烯(BaTiO3/PVDF)、铌镁酸铅-钛酸铅/聚偏氟乙烯(PZT/PVDF)、钛酸钡/环氧树脂(BaTiO3/Epoxy)或银/环氧树脂(Ag/Epoxy)；上栅介质材料4还可以是介电常数大于2的有机复合材料，如：聚苯胺/环氧树脂(PANI/Epoxy)、聚偏氟乙烯(PVDF)、P(VDF-TrFE)、P(VDF-TrFE-CTFE)、CuPc/P(VDF-TrFE)或聚酰亚胺。
由于石墨烯是一种薄膜材料，且具有非常稳定的物化特性，使得石墨烯晶体管的制造过程完全可以采用现有的微电子工艺，并无什么特别之处。
总之，本发明提供了一种以石墨烯为沟道材料双栅结构场效应晶体管；该晶体管由于采用双栅材料，即在现有的石墨烯场效应晶体管石墨烯沟道区表面增加一层上栅介质材料，将石墨烯沟道区封闭在上栅介质材料与下栅介质材料之间，避免石墨烯沟道区受到外界的干扰，从而降低散射，有效提高了晶体管的迁移率和开关特性。
附图说明
图1是现有的石墨烯场效应晶体管的结构示意图。其中，1为衬底栅电极，2是栅介质材料，3是石墨烯，5是源电极，6是漏电极。
图2是现有石墨烯场效应晶体管在不同漏源电压下的栅极电压与漏源电流之间的关系。
图3是本发明提供的石墨烯场效应晶体管的结构示意图。其中，1为衬底栅电极，2是下栅介质材料，3是石墨烯，4是上栅介质材料，5是源电极，6是漏电极。
图4为本发明提供的石墨烯场效应晶体管在不同漏源电压下的栅极电压与漏源电流之间的关系。
图5为石墨烯场效应晶体管栅极电压与沟道电阻关系曲线。其中，曲线1为现有石墨烯场效应晶体管的栅极电压与沟道电阻关系曲线；曲线2为本发明提供的石墨烯场效应晶体管的栅极电压与沟道电阻关系曲线。
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
器件结构如前所述，其中下栅介质材料2为二氧化硅，上栅介质材料4为二甲基亚砜(DMSO)。其空穴迁移率为17000cm2/Vs，电子迁移率为19000cm2/Vs。不同漏源电压下的栅极电压与漏源电流之间的关系如图4所示；其中曲线1表示漏源电压为0.1V下栅极电压与漏源电流之间的关系；曲线2表示漏源电压为0.2V下栅极电压与漏源电流之间的关系；曲线3表示漏源电压为0.3V下栅极电压与漏源电流之间的关系；曲线4表示漏源电压为0.4V下栅极电压与漏源电流之间的关系；曲线5表示漏源电压为0.5V下栅极电压与漏源电流之间的关系。由图4可以看出，该晶体管栅控开关电压为18V左右，开关特性明显。图5为石墨烯场效应晶体管栅极电压与沟道电阻关系曲线。其中，曲线1为现有石墨烯场效应晶体管的栅极电压与沟道电阻关系曲线；曲线2为本发明提供的石墨烯场效应晶体管的栅极电压与沟道电阻关系曲线。由图5可以看出，本发明提供的石墨烯场效应晶体管的栅极电压对沟道电阻的调控能力比现有的石墨烯场效应晶体管明显增强。
实施例2
器件结构如前所述，其中下栅介质材料2为二氧化硅，上栅介质材料4为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。其空穴迁移率为15500cm2/Vs，电子迁移率为18010cm2/Vs。
实施例3
器件结构如前所述，其中下栅介质材料2为二氧化硅，上栅介质材料4为乙醇。其空穴迁移率为17000cm2/Vs，电子迁移率为18900cm2/Vs。
实施例4
器件结构如前所述，其中下栅介质材料2为二氧化硅，上栅介质材料4为丙酮。其空穴迁移率为16800cm2/Vs，电子迁移率为19100cm2/Vs。
实施例5
器件结构如前所述，其中下栅介质材料2为二氧化硅，上栅介质材料4为低聚合酞菁铜(O-CuPc)。其空穴迁移率为19000cm2/Vs，电子迁移率为18050cm2/Vs。
实施例6
器件结构如前所述，其中下栅介质材料2为二氧化硅，上栅介质材料4为聚苯胺/环氧树脂(PANI/Epoxy)。其空穴迁移率为18000cm2/Vs，电子迁移率为20010cm2/Vs。
实施例7
器件结构如前所述，其中下栅介质材料2为二氧化硅，上栅介质材料4为钛酸钡/聚偏氟乙烯(BaTiO3/PVDF)。其空穴迁移率为19800cm2/Vs，电子迁移率为20100cm2/Vs。
实施例8
器件结构如前所述，其中下栅介质材料2为二氧化硅，上栅介质材料4为钛酸钡/环氧树脂(BaTiO3/Epoxy)。其空穴迁移率为18900cm2/Vs，电子迁移率为19700cm2/Vs。

Claims (11)

1.一种石墨烯场效应晶体管，包括衬底栅电极(1)、下栅介质材料(2)、石墨烯(3)、源电极(5)和漏电极(6)，下栅介质材料(2)位于衬底栅电极(1)表面，石墨烯(3)位于下栅介质材料(2)表面，源电极(5)和漏电极(6)位于石墨烯(3)两端；其特征在于，该晶体管还包括上栅极绝缘层(4)，所述上栅极绝缘层(4)位于源电极(5)和漏电极(6)之间并覆盖石墨烯(3)表面。
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，所述下栅介质材料(2)为高K介质材料。
3.根据权利要求2所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述高K介质材料为二氧化硅，氮化硅，氧化铝或锆钛酸铅。
4.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述上栅介质材料4是介电常数大于2的有机液体介质。
5.根据权利要求4所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述介电常数大于2的有机液体介质为N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、丙酮、乙醇、乙二醇、甘油、乙酸、甲酸、苯甲醛或乙酸乙酯。
6.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述上栅介质材料4是介电常数大于2的有机固体介质。
7.根据权利要求6所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述介电常数大于2的有机固体介质为低聚合酞菁铜、邻苯二胺、四丁基溴化胺或萘类有机物。
8.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述上栅介质材料4是介电常数大于2的有机与无机复合材料。
9.根据权利要求8所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述介电常数大于2的有机与无机复合材料为锆钛酸铅/聚偏氟乙烯、钛酸钡/聚偏氟乙烯、铌镁酸铅-钛酸铅/聚偏氟乙烯、钛酸钡/环氧树脂或银/环氧树脂。
10.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述上栅介质材料4是是介电常数大于2的有机复合材料。
11.根据权利要求10所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述介电常数大于2的有机复合材料为聚苯胺/环氧树脂、聚偏氟乙烯、P(VDF-TrFE)、P(VDF-TrFE-CTFE)、CuPc/P(VDF-TrFE)或聚酰亚胺。
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