CN102157548A - 一种基于石墨烯层的晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯层的场效应晶体管。石墨烯是一种禁带宽度几乎为零的半金属/半导体材料，其禁带宽度可以通过改变形状来调节。本发明采用石墨烯与绝缘介质的叠层来作为晶体管的沟道材料，可以克服短沟道效应问题，本发明同时还使用了隧穿率调制，克服了硅基器件难以继续缩小的问题，可以使器件尺寸做的更小。

Description

一种基于石墨烯层的晶体管

技术领域

本发明属于半导体新器件技术领域,具体涉及一种半导体场效应晶体管，特别涉及一种新型的基于石墨烯层的场效应晶体管。

背景技术

随着半导体集成电路技术的不断发展，金属-氧化物-硅场效应晶体管（MOSFET）的尺寸越来越小，单位阵列上的晶体管密度也越来越高。如今的集成电路器件技术节点已经处于30纳米左右，MOSFET源漏极之间的漏电流，随着沟道长度的缩小而迅速上升，使得半导体器件的持续缩小变得越来越困难，硅基集成电路器件尺寸距离其物理极限越来越近。

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp2杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ 键，剩余的一个p电子轨道垂直于石墨烯平面，与周围原子的p电子一起形成一个离域大π键，碳原子间相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。石墨烯是一种禁带宽度几乎为零的半金属/半导体材料，而且其禁带宽度可以通过改变形状来调节，此外，石墨烯还具有比硅高得多的载流子迁移率(200000cm²/V)。因为石墨烯晶体管不仅非常小，而且用于开启和关闭的电压非常低，因而非常敏感。相较纳米碳管，石墨烯还能更加容易地实现大面积平面器件，因而得到了科学界的广泛关注，被认为是下一代集成电路中有望延续摩尔定律的重要材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于石墨烯的场效应晶体管，以克服晶体管的短沟道效应问题，使得器件的尺寸能够做的更小。

本发明提出的基于石墨烯的晶体管，具体包括：

一个半导体衬底；

位于所述半导体衬底上形成的由单原子层的石墨烯和绝缘介质交互叠加构成的叠层；

覆盖部分所述叠层形成的栅极；

位于所述栅极与所述叠层之间的绝缘层；

位于所述栅极一侧形成的与所述半导体衬底相接触的漏极；

位于所述栅极的非漏极侧形成的与所述叠层中的最上方的石墨烯层相接触的源极。

进一步地，所述的叠层包括三层绝缘介质层和两层石墨烯层，所述的绝缘介质层与所述的石墨烯层依次交互叠加。所述的绝缘介质层为二氧化硅、氮化硅或者为HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂等高k材料，其厚度范围为2-4纳米。

更进一步地，所述的栅极与叠层之间的绝缘层由二氧化硅、氮化硅或者HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂等高k栅介质材料构成，其厚度范围为2-20纳米。

当对栅极施加一定电压时，所述绝缘介质层和石墨烯的叠层中的电场大小因栅极电场叠加会发生变化。由于Fowler-Nordheim的隧穿和电场成指数关系，当电场强度达到一定值时，两层石墨烯之间的绝缘层中会有较大隧穿电流通过。这时，所述的石墨烯晶体管可以导通。而当栅极电压小于一定值时该器件处于关闭状态。可以看到本发明提出的石墨烯隧穿晶体管是可以控制源漏两极之间的电流大小的。同时，因为使用了2-4纳米厚的绝缘介质作为隧穿沟道材料，该器件的沟道长度可以缩小到10纳米以下并保持很低的漏电流。

本发明所提出的石墨烯晶体管采用由单原子层的石墨烯与绝缘介质交互叠加构成的叠层来作为晶体管的沟道材料，可以克服短沟道效应问题。本发明同时由于使用了隧穿率调制，使得沟道可以缩小到10纳米以下，克服了硅基器件难以继续缩小的问题，可以使器件尺寸做的更小。

附图说明

图1为本发明所提供的石墨烯晶体管的一个实施例的截面图。

图2至图4为本发明所提供的石墨烯晶体管的一个实施例的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的示例性实施方式作详细说明。在图中，为了方便说明，放大了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。图中的表示是示意性的，但这不应该被认为是限制本发明的范围。同时在下面的描述中，所使用的术语衬底可以理解为包括正在工艺加工中的半导体衬底，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。

图1为本发明所提供的石墨烯晶体管的一个实施例，它是沿该器件沟道长度方向的截面图。如图1所示，在硅衬底101内形成有p型掺杂阱102，然后在硅衬底101上还形成有由绝缘介质层103、105a、105b和石墨烯层104a、104b交互叠加构成的叠层100。漏极109与硅衬底101中的p型掺杂阱102相接触，源极107透过绝缘介质层105b和绝缘层106与石墨烯层104b相接触。栅极108通过绝缘层106与叠层100相隔离。叠层100比如由4纳米的绝缘介质层和单原子层的石墨烯层交互叠加构成，通过施加在栅极108上的电压来控制源极107与漏极109之间的隧穿电流100的大小，从而可以使器件的沟道能够缩小到10纳米以下。箭头110是指器件开启时电流的走向，而电子隧穿的方向与电流走向正好相反。

本发明所公开的石墨烯晶体管可以通过很多方法制造，以下所叙述的是本发明所公开的如图1所示的石墨烯晶体管的制造方法的一个实施例。

尽管这些图并不是完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。

首先，提供一个半导体硅衬底201，然后通过离子注入工艺或者扩散工艺在硅衬底201内形成p型掺杂阱202，如图2所示。

接下来，在硅衬底201上形成由石墨烯层和绝缘介质层交互叠加构成的叠层200，如图3所示，叠层200包括绝缘介质层203、205、207以及位于绝缘介质层之间的单原子层的石墨烯层204、206，绝缘介质层203、205、207比如为二氧化硅。

最后，采用业界所熟知的氧化工艺、薄膜淀积工艺以及光刻工艺和刻蚀工艺，在衬底201上形成绝缘介质层208以及源电极209、栅电极210和漏电极211，如图4所示，绝缘介质层208比如为HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂等高k栅介质材料。

如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯层的晶体管，其特征在于包括：

一个半导体衬底；

位于所述半导体衬底上的由石墨烯和绝缘介质交互叠合构成的叠层；

覆盖部分所述叠层形成的栅极；

位于所述栅极与所述叠层之间的绝缘层；

位于所述栅极两侧的源极和漏极；

其特征在于，

所述的漏极与所述半导体衬底相接触；

所述的源极与所述叠层中的最上方的石墨烯层相接触。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯层的晶体管，其特征在于，所述的叠层包括三层绝缘介质层和两层石墨烯层，所述的绝缘介质层与所述的石墨烯层依次交互叠合。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯层的晶体管，其特征在于，所述的绝缘介质层材料为二氧化硅、氮化硅或者为HfO₂、Al₂O₃或ZrO₂，其厚度范围为2-4纳米。

4.根据权利要求2所述的基于石墨烯层的晶体管，其特征在于，所述的石墨烯层为单原子层的石墨烯层。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯层的晶体管，其特征在于，所述的绝缘层材料由二氧化硅、氮化硅或者HfO₂、Al₂O₃或ZrO₂，其厚度范围为2-20纳米。

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