CN102569398B - 包括多个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有多个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件。该石墨烯电子器件包括：基板；形成在基板上的栅电极；第一栅绝缘膜，覆盖基板上的栅电极；多个石墨烯沟道层，形成在基板上，并且在多个石墨烯沟道层之间具有第二栅绝缘膜；源电极和漏电极，连接到每个石墨烯沟道层的两边缘。

Description

包括多个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件
技术领域
本公开涉及包括多个分离的石墨烯沟道层的石墨烯电子器件。
背景技术
具有2维六边形碳结构的石墨烯是能代替半导体的新材料。石墨烯是零隙半导体并且在室温下具有100,000cm2v-1s-1的迁移率，该迁移率大约比硅的迁移率高100倍。因此，石墨烯能被应用到诸如射频(RF)器件的高频器件。
当形成具有10nm或更小的石墨烯沟道宽度的石墨烯纳米带(graphenenano-ribbon，GNR)时，由尺寸效应形成带隙。使用GNR，能制造可以在室温下工作的场效应晶体管。
石墨烯电子器件指的是包括石墨烯的电子器件，诸如场效应晶体管或RF晶体管。
发明内容
提供的是一种具有多个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件，其中漏电流和电流增益特性提高。
附加的方面将在随后的描述中部分地阐述，并且将由该描述而部分地清楚，或者可以通过本实施方式的实践而习知。
根据本发明的一方面，提供一种具有多个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件，该石墨烯电子器件包括：基板；形成在该基板上的栅电极；第一栅绝缘膜，覆盖该基板上的栅电极；多个石墨烯沟道层，形成在第一栅绝缘膜上，并且在多个石墨烯沟道层之间具有第二栅绝缘膜；以及源电极和漏电极，连接到多个石墨烯沟道层的每个的两边缘。
该多个石墨烯沟道层可以包括在第一栅绝缘膜上的第一石墨烯沟道层以及在第二栅绝缘膜上的第二石墨烯沟道层。
该栅电极可以被嵌入在该基板中，且该栅电极的上表面接触第一栅绝缘膜。
该基板可以是作为栅电极的导电基板。
第二栅绝缘膜可以具有从大约10nm到大约200nm范围的厚度。
源电极和漏电极可以形成在第一和第二石墨烯沟道层上以分别接触第一和第二石墨烯沟道层的两边缘。
第一石墨烯沟道层可以具有大于第二石墨烯沟道层的长度。
第二栅绝缘膜可以由选自硅氧化物、硅氮化物、铪氧化物和铝氧化物构成的组的材料形成。
根据本发明的另一方面，提供一种具有多个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件，该石墨烯电子器件包括：基板；形成在该基板上的多个石墨烯沟道层，在多个石墨烯沟道层之间具有第二栅绝缘膜；源电极和漏电极，连接到该石墨烯沟道层的每个石墨烯沟道层的两边缘；第一栅绝缘膜，覆盖位于该源电极和该漏电极之间的该多个石墨烯沟道层；以及栅电极，形成在第一栅绝缘膜上。
附图说明
通过下文结合附图对实施方式的描述，这些和/或其它方面将变得更加清楚且更易于理解，附图中：
图1是示意性截面图，示出了根据本发明实施方式的石墨烯电子器件的结构；
图2到图4是曲线图，示出了根据本发明实施方式的具有两个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件和具有单个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件的模拟结果；以及
图5是示意性截面图，示出了根据本发明另一实施方式的石墨烯电子器件的结构。
具体实施方式
现在将详细参考实施方式，实施方式的实例在附图中示出。在附图中，为了清楚而夸大了层和区域的厚度，相似的附图标记始终指代相似的元件。
图1是示意性截面图，示出了根据本发明实施方式的石墨烯电子器件100的结构。
参考图1，栅电极120嵌入在基板110的表面中。栅电极120可以由导电材料例如铝形成。栅电极120的除上表面之外的所有侧表面被基板110围绕。基板110可以是硅基板。
本发明不局限于栅电极120的埋置。例如，栅电极120可以形成为仅有栅电极120的下表面可以接触基板110的上表面。而且，基板110可以是导电基板，并作为栅电极工作以代替栅电极120。
覆盖栅电极120的第一栅绝缘膜131形成在基板110上。第一栅绝缘膜131可以通过使用硅氧化物，硅氮化物，铪氧化物或铝氧化物而形成为从大约10nm到大约200nm范围的厚度。
第一石墨烯沟道层141形成在第一栅绝缘膜131上。第一石墨烯沟道层141可以通过转换(transferring)单层石墨烯或双层石墨烯而形成。
第二栅绝缘膜132形成在第一石墨烯沟道层141上。第二栅绝缘膜132形成为暴露第一石墨烯沟道层141的两边缘。第二石墨烯沟道层142形成在第二栅绝缘膜132上。第二石墨烯沟道层142与第一石墨烯沟道层141分离。
第二栅绝缘膜132可以通过使用硅氧化物、硅氮化物、铪氧化物或铝氧化物而形成为从大约10nm到大约200nm范围的厚度。当第二栅绝缘膜132具有10nm或更小的厚度时，在第一石墨烯沟道层141和第二石墨烯沟道层142之间存在电连接的危险，而且，第一石墨烯沟道层141和第二石墨烯沟道层142的载流子迁移率会由于载流子在第一石墨烯沟道层141和第二石墨烯沟道层142之间的运动而减小。当第二栅绝缘膜132具有200nm或更大的厚度时，栅电极120可能需要高电压来控制石墨烯沟道层141和142。
第一石墨烯沟道层141可以具有大于第二石墨烯沟道层142的长度。
分别连接到第一和第二石墨烯沟道层141和142的边缘的源电极150和漏电极160形成在第一栅绝缘膜131上。电荷从源电极150到漏电极160的运动通过第一和第二石墨烯沟道层141和142而实现。
图1的石墨烯电子器件100是背栅型晶体管。当第一和第二石墨烯沟道层141和142形成为具有从大约1nm到大约20nm范围的宽度时，第一和第二石墨烯沟道层141和142由于尺寸效应可以具备具有带隙的半导体特性。因此，图1的石墨烯电子器件100是场效应晶体管。包括石墨烯作为沟道的场效应晶体管能在室温下工作。
当第一和第二石墨烯沟道层141和142具有大约100nm或更大的宽度时，石墨烯沟道层141和142作为电导体，可以具有100,000cm2V-1s-1的载流子迁移率，该迁移率大约比硅的迁移率大100倍。具有这种石墨烯沟道层的石墨烯电子器件可以用作RF晶体管。
本发明不局限于栅电极120的埋置。例如，石墨烯沟道层可以包括两个以上的层，而且这些石墨烯沟道层彼此分离。
图2到图4是曲线图，示出了根据本发明实施方式的具有两个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件和具有单个石墨烯沟道层的石墨烯电子器件(被称为常规的电子器件)的模拟结果。
参考图2，第一曲线G1显示常规电子器件的电流密度变化，第二曲线G2显示根据当前实施方式的石墨烯电子器件的电流密度变化。常规电子器件显示由单个沟道层产生的一个峰值电流密度。根据当前实施方式的石墨烯电子器件显示分别来自双沟道层的两个峰值电流密度。与常规电子器件的峰值电流的电流值相比，第一峰P1的电流值和第二峰P2的电流值的幅度略低。第一石墨烯沟道层的第一峰值P1的电流值稍高于第二石墨烯沟道层的峰值P2的电流值。从图2的曲线看出，从源电极到漏电极的电流流过第一和第二石墨烯沟道层两者。这表示由施加到栅电极的电压形成的电场也被传输到第二石墨烯沟道层以及第一石墨烯沟道层。
参考图3，第三曲线G3显示常规电子器件的I-V特性曲线，第四曲线G4显示根据当前实施方式的石墨烯电子器件的I-V特性曲线。根据当前实施方式的石墨烯电子器件具有大于常规电子器件的漏电流。这表示流过双沟道层的电流之和大于流过常规电子器件的单个沟道层的电流。
参考图4，第五曲线G5显示常规电子器件的电流增益，第六曲线G6表示根据当前实施方式的石墨烯电子器件的电流增益。根据当前实施方式的石墨烯电子器件显示比常规电子器件大约高41％的电流增益。
因此，根据当前实施方式的石墨烯电子器件100的驱动电压低。并且，由于石墨烯电子器件100显示增大的载流子迁移率，石墨烯电子器件100可被用于需要高速操作的电路。
图5是示意性截面图，示出了根据本发明另一实施方式的石墨烯电子器件200的结构。
参考图5，绝缘层212形成在基板210上。基板210可以是硅基板。如果基板210是非导电基板，绝缘层212可以被省略。
第二石墨烯沟道层242形成在绝缘层212上。第二石墨烯沟道层242可以通过转换单层或双层的石墨烯而形成。
第二栅绝缘膜232形成在第二石墨烯沟道层242上。第一石墨烯沟道层241形成在第二栅绝缘膜232上。第一石墨烯沟道层241与第二石墨烯沟道层242分离。
第二栅绝缘膜232可以通过使用硅氧化物、硅氮化物、铪氧化物或铝氧化物而形成为从大约10nm到大约200nm范围的厚度。当第二栅绝缘膜232具有10nm或更小的厚度时，在第一石墨烯沟道层241和第二石墨烯沟道层242之间存在电连接的危险，而且，第一石墨烯沟道层241和第二石墨烯沟道层242的载流子迁移率会由于载流子在第一石墨烯沟道层241和第二石墨烯沟道层242之间的运动而减少。当第二栅绝缘膜232具有200nm或更大的厚度时，栅电极220可能需要高电压来控制石墨烯沟道层241和242。
第一栅绝缘膜231形成在第一石墨烯沟道层241上。第一栅绝缘膜231可以通过使用硅氧化物、硅氮化物、铪氧化物或铝氧化物而形成为从大约10nm到大约200nm范围的厚度。
栅电极220形成在第一栅绝缘膜231上。栅电极220可以由导电金属形成。
第二石墨烯沟道层242可以具有大于第一石墨烯沟道层241的长度。
分别连接到第一和第二石墨烯沟道层241和242的边缘的源电极250和漏电极260形成在绝缘膜212上。电荷从源电极250到漏电极260的运动通过第一和第二石墨烯沟道层241和242而实现。
图5的石墨烯电子器件200是顶栅晶体管。当第一和第二石墨烯沟道层241和242形成为具有从大约1nm到大约20nm范围的宽度时，第一和第二石墨烯沟道层241和242由于尺寸效应而具备具有带隙的半导体特性。因此，图5的石墨烯电子器件200是场效应晶体管。使用石墨烯作为沟道的场效应晶体管能在室温下工作。
当第一和第二石墨烯沟道层241和242形成为具有大约100nm或更大的宽度时，石墨烯沟道层作为电导体，可以具有100,000cm2V-1s-1的载流子迁移率，该迁移率大约比硅的迁移率大100倍。具有该石墨烯沟道层的石墨烯电子器件可以用作RF晶体管。
根据本发明的石墨烯电子器件包括双石墨烯沟道层，因此，源电极和漏电极之间的电流迁移率增大。因此，驱动电压低且驱动速度能增加。
虽然已经具体示出并参考其示范实施方式描述了本发明，但本领域的普通技术人员应该理解，可以在其中进行形式和细节的各种变化而不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种石墨烯电子器件，具有多个石墨烯沟道层，所述石墨烯电子器件包括：
基板；
形成在所述基板上的栅电极；
在所述基板上的第一栅绝缘膜，覆盖所述栅电极；
多个石墨烯沟道层，形成在所述第一栅绝缘膜上；
第二栅绝缘膜，位于所述多个石墨烯沟道层之间；和
源电极，直接连接到所述多个石墨烯沟道层的每个的一个边缘；以及
漏电极，直接连接到所述多个石墨烯沟道层的每个的另一个边缘，
其中所述多个石墨烯沟道层包括在所述第一栅绝缘膜上的第一石墨烯沟道层和在所述第二栅绝缘膜上的第二石墨烯沟道层，所述第二栅绝缘膜在所述第一石墨烯沟道层上，并且所述第一石墨烯沟道层和所述第二石墨烯沟道层的每个具有在1nm至20nm范围的宽度。
2.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述栅电极嵌入在所述基板中，且所述栅电极的上表面接触所述第一栅绝缘膜。
3.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述基板是作为栅电极的导电基板。
4.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述第二栅绝缘膜具有从10nm到200nm范围的厚度。
5.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述源电极和所述漏电极形成在所述第一石墨烯沟道层和所述第二石墨烯沟道层上以分别接触所述第一石墨烯沟道层和所述第二石墨烯沟道层的两边缘。
6.如权利要求5所述的石墨烯电子器件，其中所述第一石墨烯沟道层具有大于所述第二石墨烯沟道层的长度。
7.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述第二栅绝缘膜由选自硅氧化物、硅氮化物、铪氧化物和铝氧化物构成的组的材料形成。
8.一种石墨烯电子器件，具有多个石墨烯沟道层，所述石墨烯电子器件包括：
基板；
覆盖所述基板的绝缘层；
多个石墨烯沟道层，形成在所述基板上；
源电极，连接到所述多个石墨烯沟道层的每个的一个边缘；
漏电极，连接到所述多个石墨烯沟道层的每个的另一个边缘；
第一栅绝缘膜，覆盖所述源电极和所述漏电极之间的所述多个石墨烯沟道层；
第二栅绝缘膜，位于所述多个石墨烯沟道层之间；和
栅电极，形成在所述第一栅绝缘膜上，
其中所述多个石墨烯沟道层包括在所述第二栅绝缘膜上的第一石墨烯沟道层和在所述绝缘层上的第二石墨烯沟道层，所述第二栅绝缘膜在所述第二石墨烯沟道层上，并且所述第一石墨烯沟道层和所述第二石墨烯沟道层的每个具有在1nm至20nm范围的宽度。
9.如权利要求8所述的石墨烯电子器件，其中所述第二栅绝缘膜具有在从10nm到200nm范围的厚度。
10.如权利要求8所述的石墨烯电子器件，其中所述源电极和所述漏电极形成在所述第一石墨烯沟道层和所述第二石墨烯沟道层上以分别接触所述第一石墨烯沟道层和所述第二石墨烯沟道层的两边缘。
11.如权利要求10所述的石墨烯电子器件，其中所述第二石墨烯沟道层具有大于所述第一石墨烯沟道层的长度。
12.如权利要求8所述的石墨烯电子器件，其中所述第二栅绝缘膜由选自硅氧化物、硅氮化物、铪氧化物和铝氧化物构成的组的材料形成。
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