CN102285660B - 被硼和氮代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶体管 - Google Patents
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Abstract
提供被氮和硼代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶体管，该石墨烯包括碳(C)原子被硼(B)原子和氮(N)原子部分地代替的结构。该石墨烯具有带隙。被硼和氮代替的石墨烯可用作场效应晶体管的沟道。该石墨烯可通过使用环硼氮烷或氨硼烷作为氮化硼(B-N)前体进行化学气相沉积(CVD)方法形成。
Description
技术领域
示例性实施方式涉及被硼和氮代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶体管。
背景技术
石墨烯是由碳(C)原子形成的六边形单层结构。石墨烯呈现优异的化学稳定性，且具有半金属特性。该半金属特性归因于在仅一个点(即，狄拉克点)处彼此重叠的导带和价带。此外，石墨烯具有2维弹道传输特性。因而，石墨烯中电子的迁移率非常高。
由于石墨烯是零带隙半导体，其中使用石墨烯作为沟道的场效应晶体管呈现非常大的关闭电流(off-current)和非常小的开-关比。因而，难以将石墨烯应用于场效应晶体管。
为了使用石墨烯作为场效应晶体管的沟道，应在石墨烯中形成带隙。如果沟道宽度低于10nm且边缘以扶手椅的形状形成，则由于尺寸效应而形成带隙。
然而，难以图案化低于10nm的沟道宽度，和更特别地，难以图案化扶手椅形状的边缘。
发明内容
示例性实施方式涉及被硼和氮代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶体管。
提供被硼和氮代替以形成带隙的石墨烯和具有其的晶体管。
另外的方面将在接着的描述中部分地阐明和部分地将从所述描述明晰，或者可通过所呈现的实施方式的实践获知。
根据示例性实施方式，提供包括碳(C)原子被硼(B)原子和氮(N)原子部分地代替的结构的石墨烯，其中该石墨烯具有带隙。
所述B原子和N原子可代替所述石墨烯的C原子的约1％～约20％。
所述B原子和N原子的密度之间的差低于1013cm-2。
所述石墨烯的C原子被所述B原子和N原子基本上以相同的比例代替。
根据示例性实施方式，提供包括由石墨烯形成的沟道的晶体管，其中通过用硼(B)原子和氮(N)原子部分地代替碳(C)原子在所述石墨烯中形成带隙。
根据示例性实施方式，提供通过使用环硼氮烷或氨硼烷作为氮化硼(B-N)前体进行化学气相沉积(CVD)方法来制造石墨烯的方法。
附图说明
由结合附图考虑的实施方式的下列描述，这些和/或其它方面将变得明晰和更易理解，其中：
图1为根据示例性实施方式的其中形成带隙的石墨烯的示意图；
图2为显示根据密度泛函理论计算被B和N代替的石墨烯的带隙的结果的图；
图3为根据示例性实施方式的其中形成带隙的石墨烯的示意图；
图4为显示根据密度泛函理论计算被六边形氮化硼代替的石墨烯的带隙的结果的图；和
图5为包括根据示例性实施方式的石墨烯的场效应晶体管的截面图。
具体实施方式
现在将参照其中示出一些示例性实施方式的附图更充分地描述各种示例性实施方式。然而，为了描述示例性实施方式，本文中公开的特定结构和功能细节仅仅是代表性的。因而，本发明可以许多替代形式体现且不应解释为限于仅本文中阐明的示例性实施方式。因此，应理解，不存在将示例性实施方式限于所公开的具体形式的意图，而是相反，示例性实施方式意在涵盖落入本发明范围内的所有变型、等同物和替换物。
在附图中，为了清楚，可夸大层和区域的厚度，且在整个附图描述中，相同的附图标记是指相同的元件。
尽管术语第一、第二等可在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用来使一个元件区别于另一元件。例如，第一元件可称为第二元件，和类似地，第二元件可被称为第一元件，而不脱离示例性实施方式的范围。如本文中所使用的术语“和/或”包括关联的列举项的一个或多个的任何和全部组合。
应理解，如果一个元件称为与另一元件“连接”或“结合”，其可与所述另一元件直接连接或结合，或者可存在中间元件。相反，如果一个元件被称为与另一元件“直接连接”或“直接结合”，则不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语应以类似的方式解释(例如，“在......之间”对“直接在......之间”、“邻近的”对“直接邻近的”等)。
本文中使用的术语仅仅是为了描述具体实施方式且不意在限制示例性实施方式。如本文中所使用的单数形式“一种(个)(a，an)”和“该”也意在包括复数形式，除非上下文清楚地另作说明。应进一步理解，术语“含有”、“包括”和/或“包含”如果用在本文中，则表示存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组分，但不排除存在或添加一种或多种其它特征、整体、步骤、操作、元件、组分和/或其集合。
为了便于描述，在本文中可使用空间相对术语(例如，“在......之下”、“在......下面”、“下部”、“在......上方”、“上部”等)来描述如图中所示的一个元件或特征与另外的元件或特征之间的关系。应理解，除图中所示的方位之外，空间相对术语还意在包括在使用或操作中的设备的不同方位。例如，如果翻转图中的设备，则被描述为“在”其它元件或特征“下面”或“之下”的元件将被定向在其它元件或特征的“上方”。因而，例如，术语“在......下面”可包括在......上方以及在......下面两种方位。设备可以其它方式定向(旋转90度或在其它方位上观察或定位)，并且本文中所使用的空间相关描述词应相应地解释。
在本文中参考作为理想化实施方式(和中间结构)的示意图的横截面图描述示例性实施方式。这样，可预期所述图的形状由于例如制造技术和/或公差的变化。因而，示例性实施方式不应解释为限于在本文中所图示的区域的具体形状，而是可包括由例如制造产生的形状上的偏差。例如，图示为长方形的植入区域可具有圆形或曲线特征和/或在其边缘处的梯度(例如，植入浓度梯度)，而不是从植入区域到非植入区域的突变。同样，由植入形成的掩埋区可在介于掩埋区和穿过其可发生植入的表面之间的区域中引起一些植入。因而，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状不一定图示设备的区域的实际形状且不限制所述范围。
还应注意，在一些替代实施中，所指明的功能/行为可不按照图中所指明的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/行为，接连示出的两个图可实际上基本上同时执行或者可有时以相反的顺序执行。
为了更具体地描述示例性实施方式，将参照附图详细描述各方面。然而，本发明不限于所描述的示例性实施方式。
示例性实施方式涉及被硼和氮代替的石墨烯、其制造方法及具有其的晶体管。
由于具有相同势能的两个电子态存在于石墨烯的费米能级处，石墨烯具有零带隙。具有相同势能的两个电子态存在于石墨烯的费米能级处的原因是石墨烯的晶胞内的两个电子形成子晶格对称。相反，具有被破坏的子晶格对称的六边形氮化硼呈现约5.5eV的相对高的带隙。
为了在石墨烯中形成带隙，必须破坏石墨烯的子晶格对称。在这点上，可用杂质或不同于碳的原子非对称地代替石墨烯中的碳(C)原子。例如，可通过用硼(B)原子代替C原子在石墨烯中形成带隙。为了增大石墨烯的带隙，必须显著提高B的密度。或者，也可用氮(N)原子或其它原子而不是B原子来代替石墨烯中的C原子。
当用B原子或N原子代替石墨烯的C原子时，在石墨烯中形成额外的电子或空穴。因此，如果使用具有带隙的石墨烯作为场效应晶体管的沟道，过度的栅电压是形成载流子耗尽所必需的。
图1为根据示例性实施方式的其中形成带隙的石墨烯的示意图。
参照图1，在两个晶胞中形成由B和N组成的二聚体。
在图1中所示的排列中，超晶胞由3×3个晶胞组成且被一对B-N二聚体代替。所述超晶胞可被B原子和N原子代替，所述B原子和N原子各自为不同B-N二聚体的部分。一个超晶胞包括九个晶胞，且所述晶胞各自具有两个C原子位置，且因此有2/18的杂质原子。换言之，C原子的约11％被杂质代替。
图2为显示根据密度泛函理论计算被B和N代替的石墨烯的带隙的结果的图。
在图2中，n表示超晶胞中包括的晶胞数目的平方根。例如，关于图1中所示的排列，n的值为3。
参照图2，两个C原子分别被一对B原子和N原子代替。随着超晶胞的尺寸n增大，石墨烯的带隙减小。当n为2时，超晶胞包括25原子％的杂质，且由此石墨烯的独特特性可恶化。当n超过10时，超晶胞包括低于1原子％的杂质且石墨烯的带隙减小至约低于0.05eV，且由此当该石墨烯用作场效应晶体管的沟道时，该石墨烯呈现小的开/关比。因此，超晶胞可具有约3～约10的n值，且石墨烯的带隙可为约0.05eV～约0.3eV。
可通过以类似的密度将B和N代替-掺杂到石墨烯中来保证使用石墨烯作为沟道的场效应晶体管的足够的栅可控性。对于使用普通栅电压的栅控制，用B和N的二聚体掺杂的石墨烯中的B和N的掺杂密度之间的差必须低于1013cm-2。如果石墨烯中B和N的掺杂密度之间的差超过1013cm-2，则更大的栅电压变为必须的。
此外，在使用石墨烯作为沟道的场效应晶体管中，B和N的掺杂密度必须在1原子％(1013cm-2)以上以形成合适的带隙和必须在20原子％以下以保持石墨烯的独特特性。
为了制造被B和N代替的石墨烯，当通过使用化学气相沉积(CVD)方法形成石墨烯时，将B源(例如，BCl3)和N源(例如，N2或NH3)与作为C前体的含C气体(例如，C2H4、CH4等)一起供应到CVD室中。可通过调节B前体和N前体的浓度控制石墨烯的带隙。
与其它III-V原子对相比，B-N对的键长和键强度与石墨烯的C结构的那些类似，且因此即使在用B-N代替之后也可保持石墨烯的串列(string)sp2σ键合和pzπ键合。
图3为根据示例性实施方式的其中形成带隙的石墨烯的示意图。
参照图3，六边形氮化硼代替六边形C结构。超晶胞由4×4个晶胞组成，且3个B原子和3个N原子排列在一个超晶胞中。由于一个超晶胞由16个晶胞组成且所述晶胞各自具有两个原子位置，因此有6/32的杂质原子。换言之，C原子的约19％被杂质代替。
图4为显示根据密度泛函理论计算的被六边形氮化硼代替的石墨烯的带隙的结果的图。
在图4中，n表示超晶胞中包括的晶胞数目的平方根。例如，关于图3中所示的排列，n为4。
参照图4，三个B原子和三个N原子代替超晶胞中的C原子。随着超晶胞的尺寸n增加，石墨烯的带隙减小。在图4中，石墨烯的带隙曲线由两条曲线G1和G2表示。曲线G2表示其中超晶胞的n为3的倍数的情况，和曲线G1表示其中超晶胞的n不是3的倍数的情况。如图4中所示，其中n为3的倍数的情况中的带隙大于其中n的值不是3的倍数的情况中的带隙。
当n为3时，超晶胞包括33原子％的杂质，且由此石墨烯的独特特性可恶化。当n超过18时，超晶胞包括少于1原子％的杂质且石墨烯的带隙可太低以至于不能使用石墨烯作为场效应晶体管的沟道。因此，超晶胞可具有约4～约17的n值，和石墨烯的带隙可为约0.05eV～约0.45eV。
为了制造被氮化硼代替的石墨烯，当通过使用CVD方法形成石墨烯时，将B源(例如，BCl3)和N源(例如，N2或NH3)与作为C前体的含C气体(例如，C2H4、CH4等)一起供应到CVD室中。
具有(HB)3-(NH)3六边形结构的环硼氮烷可用作B和N前体。在使用环硼氮烷的情况下，容易以1∶1的比例供应B和N。即使在通过使用CVD方法在高温下生长石墨烯时环硼氮烷的结构被破坏，也保持化学计量。与C原子相比，B原子和N原子分别相对容易地与其它N原子和B原子结合。当被B和N代替的石墨烯使用环硼氮烷制备时，环硼氮烷的六边形结构可保持，且因此，被B和N代替的石墨烯在能量方面可为非常稳定的。
可通过调节作为B-N前体的环硼氮烷的量容易地控制石墨烯的带隙。
或者，可使用作为以1∶1的比例含有B原子和N原子的前体的氨硼烷代替环硼氮烷。氨硼烷的化学式为BH3-NH3。
图5为包括根据示例性实施方式的石墨烯的场效应晶体管的截面图。
参照图5，石墨烯沟道110、源电极121和漏电极122形成于基底101上。基底101可为硅基底。绝缘膜102形成于基底101与石墨烯沟道110、源电极121和漏电极122之间。绝缘膜102可由氧化硅形成。源电极121和漏电极122可由普通金属(例如，铝(Al)、钼(Mo)等)形成。
石墨烯沟道110可由被B和N代替的石墨烯形成。B原子和N原子可代替石墨烯的C原子的约1％～约20％。石墨烯中B和N的代替密度之间的差可低于1013cm-2。如果石墨烯的B和N的代替密度之间的差超过1013cm-2，则用于控制栅极的阈电压增加。
栅极氧化物130和栅电极132顺序堆叠在石墨烯沟道110上。栅电极132可由铝(Al)或多晶硅形成。栅极氧化物130可由氧化硅形成。
尽管图5显示使用被B和N代替的石墨烯作为沟道的场效应晶体管具有顶栅结构，但是示例性实施方式不限于此。例如，使用被B和N代替的石墨烯作为沟道的场效应晶体管可具有底栅结构，其中省略其详细描述。
根据示例性实施方式的石墨烯具有带隙并且可起到场效应晶体管的沟道的作用。
在石墨烯的制造期间，通过使用环硼氮烷或氨硼烷作为前体，石墨烯可被相同比例的B原子和N原子代替。
应理解，本文中描述的示例性实施方式应仅在描述性的意义上考虑而不是为了限制。在各示例性实施方式中的特征或方面的描述应典型地被认为可用于其它示例性实施方式中的其它类似特征或方面。
Claims (12)
1.石墨烯，包括：
碳(C)原子被硼(B)原子和氮(N)原子部分地代替的结构，其中所述石墨烯具有带隙，其中所述石墨烯的C原子被至少一个具有所述B原子之一和所述N原子之一的二聚体或者至少一个具有所述B原子中的三个和所述N原子中的三个的六边形结构部分地代替，在前一情况中，超晶胞具有3～10的n值，在后一情况中，超晶胞具有4～17的n值，其中n表示超晶胞中包括的晶胞数目的平方根。
2.权利要求1的石墨烯，其中所述B原子和N原子代替所述石墨烯的C原子的1％～20％。
3.权利要求1的石墨烯，其中所述B原子和N原子的代替密度之间的差低于1013cm-2。
4.权利要求3的石墨烯，其中所述B原子和N原子以相同的比例存在于所述石墨烯中。
5.晶体管，包括：
由根据权利要求1的石墨烯形成的沟道。
6.权利要求5的晶体管，其中所述B原子和N原子代替所述石墨烯的C原子的1％～20％。
7.权利要求5的晶体管，其中所述B原子和N原子的代替密度之间的差低于1013cm-2。
8.权利要求7的晶体管，其中所述B原子和N原子以相同的比例存在于所述石墨烯中。
9.制造被硼和氮代替的石墨烯的方法，包括：
通过使用环硼氮烷或氨硼烷作为B-N前体进行化学气相沉积(CVD)方法形成根据权利要求1的石墨烯。
10.权利要求9的方法，其中所述B原子和N原子代替所述石墨烯的C原子的1％～20％。
11.权利要求9的方法，其中所述B原子和N原子以相同的比例存在于所述石墨烯中。
12.权利要求11的方法，其中所述B-N前体为具有所述B原子之一和所述N原子之一的二聚体或具有所述B原子中的三个和所述N原子中的三个的六边形结构。
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