CN102593159A

CN102593159A - 一种增强型石墨烯场效应晶体管

Info

Publication number: CN102593159A
Application number: CN2012100724269A
Authority: CN
Inventors: 石瑞英; 刘杰; 杜惊雷
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2012-07-18

Abstract

目前，石墨烯已成为国内外科学家的研究热题。现在石墨烯主要应用到场效应晶体管中作为沟道材料，但由于石墨烯是零带隙材料，具有室温下弹道效应，它一直处于“开”的状态，限制了它在电子领域的应用。为了克服上述缺点，本发明提出了一种增强型石墨烯场效应晶体管，属于微电子学和固体电子学领域，其发明的器件结构包括：栅极区、源极区、漏极区、沟道区和源漏半导体掺杂区，其中沟道区由石墨烯层和沟道半导体掺杂层两部分组成，N型器件沟道半导体掺杂层为P型杂质，P型器件沟道半导体掺杂层为N型杂质。采用本发明所述的器件结构，使器件实现开关特性和饱和特性，从而使石墨烯器件在集成电路中得到更好的应用。

Description

一种增强型石墨烯场效应晶体管

技术领域

本发明属于微电子学与固体电子学领域，涉及一种半导体器件，具体来说，涉及一种新型增强型石墨烯场效应晶体管。

背景技术

目前，石墨烯已成为国内外科学家的研究热题，特别是2010年曼切斯特大学的两位物理科学家由于在石墨烯方面的创新研究而获得诺贝尔物理学奖后，更是引起人们的广泛关注。现在石墨烯应用到晶体管中主要是作为场效应晶体管的沟道材料，但由于石墨烯是零带隙半金属材料，具有室温下弹道效应，因此用做器件沟道材料时，它一直处于“开”的状态，也就没有开关特性，同时也没有器件饱和特性。针对上述问题，本发明提出了一种新型增强型石墨烯场效应晶体管，即利用沟道半导体掺杂层作为沟道区的一部分，其它的沟道区仍为石墨烯层，使该场效应管在栅电压为零时，处于关态。

发明内容

为了克服应用石墨烯做沟道的场效应晶体管，因其不具有开关特性和饱和特性的缺点，本发明提出了一种增强型石墨烯场效应晶体管结构，其结构包括：栅极区、源极区、漏极区、沟道区和源漏半导体掺杂区，其特征是栅极区和沟道区位于所述源漏半导体掺杂区之间，所述源漏半导体掺杂区位于源极区和漏极区下面，所述沟道区由两部分构成，一部分是石墨烯层，另一部分是沟道半导体掺杂层，所述栅区位于所述沟道区之上，所述栅极区和沟道区之间存在一层栅介质。

通过采用本发明所述的器件结构，把石墨烯沟道部分断开，如在源极、漏极和源漏极处断开，让沟道半导体掺杂层代替，使其实现开关特性和器件饱和特性，从而使石墨烯材料在CMOS器件中得到更好的应用。

附图说明

图1为根据本发明实施的石墨烯沟道在漏处断开，并以沟道半导体掺杂层代替的石墨烯器件结构的示意图；

图2为根据本发明实施的石墨烯沟道在源处断开，并以沟道半导体掺杂层代替的石墨烯器件结构的示意图；

图3为根据本发明实施的石墨烯沟道同时在源、漏处断开，并以沟道半导体掺杂层代替的的石墨烯器件结构的示意图；

图4为根据本发明实施的N型增强型石墨烯场效应晶体管在截止状态工作模式下的能带图；

图5为根据本发明实施的N型增强型石墨烯场效应晶体管在出现薄层电子沟道状态工作模式下的能带图；

图6为根据本发明实施的N型增强型石墨烯场效应晶体管在出现厚层电子沟道状态工作模式下的能带图；

图7为根据本发明实施的N型增强型石墨烯场效应晶体管在线性导通状态工作模式下的能带图；

图8为根据本发明实施的N型增强型石墨烯场效应晶体管在饱和状态工作模式下的能带图。

具体实施方式

为了克服应用石墨烯做沟道的场效应晶体管，因其不具有开关特性和饱和特性的缺点，本发明提出了一种增强型石墨烯场效应晶体管结构，通过采用本发明所述的器件结构，把石墨烯沟道部分断开，如在源极、漏极或源漏极处同时断开，让沟道半导体掺杂层代替石墨烯层，让其实现开关特性和器件饱和特性。

图1、图2和图3为本发明实施的增强型石墨烯场效应晶体管结构的示意图，以N型增强型石墨烯场效应晶体管为例，所述器件结构包括：栅极区201，栅极区材料包括TiN、RuO2、Ru或者其他金属；与栅极区接触的栅介质层202，所述202材料包括：SiO₂、SiON或高k介质材料（和SiO₂相比，具有高的介电常数），高k介质材料的例子包括：HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、Al2O3、La2O3、ZrO₂、LaAlO，其组合和或者其他适当的材料；与栅介质层两端接触的源极区和漏极区203，材料为Al、Cu等金属材料；位于源极区和漏极区下面的源漏半导体掺杂区204，所述源漏半导体掺杂区具有n型掺杂，所述半导体掺杂为重掺杂，所述源漏半导体掺杂区204与所述栅介质层202相互隔离，所述源漏半导体掺杂区204为器件的源区和漏区；在沟道区形成与石墨烯层接触的沟道半导体掺杂层205为p型掺杂，图1所示的沟道半导体掺杂层位于漏端，图2所示的沟道半导体掺杂层位于源端，图3所示的沟道半导体掺杂层同时位于源端和漏端，其中所述p型掺杂为轻掺杂；石墨烯层206，材料可以包括单层或多层的石墨烯原子；形成于石墨烯层下方、与源漏半导体掺杂区和沟道半导体掺杂层相接触的衬底207，材料包括6H-SiC、3C-SiC、SiO₂或绝缘体上硅（SOI）等与石墨烯相匹配的衬底材料；与衬底207相接触的基底208，其材料为半导体材料或者其他能够支撑衬底的基底材料。

为了更好理解本发明，以下将详细介绍N型增强型石墨烯场效应晶体管的能带图，参考图4所示，所述N型增强型石墨烯场效应晶体管指源漏半导体掺杂区为n型重掺杂，沟道区中的沟道半导体掺杂层为p型轻掺杂，其中：Vgs为栅-源电压，Vds为漏-源电压，Vthn为n型器件的阈值电压。

图4为N型增强型石墨烯场效应晶体管在各个工作模式下的能带图，当栅极偏压为零时（Vgs=0），无论Vds>0、Vds<0还是Vds=0，由于沟道半导体掺杂层中还没有出现反型层，不会导电，器件处于截止状态，图4中所示截止状态的能带图，此时电子很容易从源极半导体掺杂区进入到石墨烯层，但电子到达沟道半导体层时，要跨过较高的势垒才能穿过沟道半导体掺杂层到达漏极半导体掺杂区，石墨烯层中的载流子无法穿越沟道半导体掺杂层的势垒，因此器件关断。

参考图5，当栅极偏置大于零，但低于阈值电压时（0<Vgs<Vthn），此时电子仍然较容易从源极半导体掺杂区进入石墨烯层，但由于栅极偏置电压的增加，使得电子跨过沟道半导体掺杂层的势垒有所降低，因此，沟道半导体掺杂层出现了薄层电子层沟道，器件未开启。

参考图6，当栅极偏置高于阈值电压时（Vgs>Vthn），此时电子顺利的从源极半导体掺杂区进入到石墨烯层，由于这时有较高的栅极偏置电压，使得电子跨过沟道半导体掺杂层的势垒大大降低，几乎没有势垒高度，这时沟道半导体掺杂层内出现较厚电子层，即沟道反型层，但由于源-漏电压等于零（Vds=0），没有横向电场，器件等待开启。

参考图7，当栅极偏置高于阈值电压时（Vgs>Vthn）、源-漏电压大于零（Vds>0），这时电子很容易从源极半导体掺杂区进入到石墨烯层，电子也很容易跨过沟道半导体掺杂层的势垒，由于加入了源-漏横向电场，两端的n型源漏半导体掺杂区对电子基本不会形成势垒，使得电子顺利进入到漏极半导体掺杂区，出现大量电子，因而器件导通，处于线性导电状态。

参考图8，当源-漏电压高于栅极偏压时（Vds>Vgs），这时的沟道半导体掺杂层中形成的电子沟道被由沟道半导体掺杂层和漏极半导体掺杂区形成的pn结的耗尽层夹断，增加的电压降落在耗尽区，使得石墨烯中的电子能够被电场拉过耗尽区，注入到漏端，器件达到饱和状态。

以上是对本发明所述的N型增强型石墨烯场效应晶体管及能带图进行了详细的介绍，通过采用本发明的N型增强型石墨烯场效应晶体管，通过重掺杂n型源漏半导体掺杂区来实现石墨烯的单向导通，通过轻掺杂沟道中的p型沟道半导体掺杂层部分实现对石墨烯器件的可关断和饱和功能，还利用了沟道中的石墨烯层，加快了石墨烯器件的导通速率，使器件性能得到进一步提升。而P型增强型石墨烯场效应晶体管，指源漏半导体掺杂区为p型重掺杂，沟道区中的沟道半导体掺杂层为n型轻掺杂，原理与N型增强型石墨烯场效应晶体管的工作模式相同，就不在累述。

Claims

1.一种增强型石墨烯场效应晶体管，其结构包括：栅极区、源极区、漏极区、沟道区和源漏半导体掺杂区。

2.其特征是栅极区和沟道区位于所述源漏半导体掺杂区之间，所述源漏半导体掺杂区分别位于源极区和漏极区下面，所述沟道区由两部分构成，一部分是石墨烯层，另一部分是沟道半导体掺杂层，所述栅极区位于所述沟道区之上，所述栅极区和沟道区之间存在一层栅介质。

3.根据权利要求1所述的增强型石墨烯场效应晶体管，其特征在于，构成所述栅介质的材料包括SiO₂、SiON或高k介质材料（和SiO₂相比，具有高的介电常数），其中高k介质材料具体包括HfO₂、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、Al2O₃、La2O₃、ZrO₂、LaAlO中的一种，还包括上述材料的组合或者其它适当的材料。

4.根据权利要求1所述的增强型石墨烯场效应晶体管，其特征在于，构成所述栅极区的材料为TiN、RuO2、Ru或者其他金属，构成所述源极区、漏极区的材料为同一材料，为Al、Cu等金属材料。

5.根据权利要求1所述的增强型石墨烯场效应晶体管，其特征在于，构成所述N型增强型石墨烯场效应晶体管源漏半导体掺杂区具有N型掺杂，构成所述P型增强型石墨烯场效应晶体管源漏半导体掺杂区具有P型掺杂。

6.根据权利要求1所述的增强型石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述源漏半导体掺杂区具有重掺杂。

7.根据权利要求1所述的增强型石墨烯场效应晶体管，其特征在于，构成所述N型增强型石墨烯场效应晶体管沟道区中半导体掺杂层具有P型掺杂，构成所述P型增强型石墨烯场效应晶体管沟道区中半导体掺杂层具有N型掺杂。

8.根据权利要求1所述的增强型石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述沟道半导体掺杂区具有轻掺杂。

9.根据权利要求1所述的增强型石墨烯场效应晶体管，其特征在于，石墨烯层和沟道层半导体掺杂区下面的衬底为硅、碳化硅、二氧化硅或其它高k介质层，基底为半导体材料或者能够支撑衬底的其他材料。

10.根据权利要求9所述的增强型石墨烯场效应晶体管，其特征在于，高k介质层的例子包括：HfO₂、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、Al2O₃、La2O₃、ZrO₂、LaAlO中的一种，还包括上述材料的组合或者其它适当的材料。