CN102623508B

CN102623508B - 石墨烯场效应晶体管及其制备方法

Info

Publication number: CN102623508B
Application number: CN201210113271.9A
Authority: CN
Inventors: 尹金泽; 魏芹芹; 魏子钧; 赵华波; 傅云义; 黄如; 张兴
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102623508A

Abstract

本发明公开了一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法，该场效应晶体管包括柔性衬底，在所述柔性衬底上设有源漏电极，以及连接源漏电极的石墨烯材料，在石墨烯材料上设有一裹着介质层的氧化锌纳米线，所述石墨烯材料作为沟道，所述氧化锌纳米线作为栅电极。本发明压电场效应晶体管通过施加外力来控制晶体管的工作状态。施加外力的方法有多种，可以人为手动施加，或通过超声的方法施加以及可以通过生物组织的振动(如心脏的跳动等)来施加。

Description

石墨烯场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明属于纳电子器件领域，具体涉及一种柔性场效应晶体管以及该种器件的一种制造方法。

背景技术

常规场效应晶体管是基于硅衬底的，沟道采用掺杂的硅，栅介质采用二氧化硅或者高K材料，栅材料有多晶硅和金属，栅的结构有顶栅、侧栅、背栅和环栅等，栅压通过金属互连线由外部电源供给。

石墨烯具有很多优异的性能，它是迄今为止发现的最薄的材料，具有很高的机械强度和很好的延展性，它的抗断强度达到42N m^-1，是钢的200倍，抗张强度可以达到130Gpa(Changgu Lee and Xiaoding Wei et al.，Measurement of the Elastic Properties and IntrinsicStrength of Monolayer Graphene，Science Vol.321，2008)。更为重要的是，石墨烯的有效质量为零，室温下它的载流子在微米输运长度内几乎不发生散射，具有很高的本征迁移率，可达到200000cm²/Vs(S.V.Morozov and K.S.Novoselov et al.，Giant Intrinsic Carrier Mobilities inGraphene and Its Bilayer，Physical Review Letters 100016022008)。如何利用石墨烯制备场效应晶体管是目前研究的热点和难点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用石墨烯制备压电场效应晶体管的方法。

本发明提供一种石墨烯场效应晶体管，包括柔性衬底，在所述柔性衬底上设有源、漏电极，以及连接源、漏电极的石墨烯材料，在石墨烯材料上设有一裹着介质层的氧化锌纳米线，所述石墨烯材料作为沟道，所述氧化锌纳米线作为栅电极。本发明压电场效应晶体管采用氧化锌纳米线做栅电极，石墨烯做沟道，通过施加外力来控制晶体管的工作状态。施加外力的方法有多种，可以人为手动施加，可以通过超声的方法施加以及可以通过生物组织的振动(如心脏的跳动等)来施加等。

本发明场效应晶体管的基本工作原理：

当对氧化锌纳米线的一端施加拉力，纳米线被拉伸，这时氧化锌纳米线的另一端产生正的电势，氧化锌纳米线下面设有石墨烯，那么该正的电势可以使石墨烯(假设石墨烯为P型)沟道开启；当拉力撤去，压电势消失，纳米线下方的沟道关闭。这样通过控制外界拉力的施加与否就可以控制本发明场效应晶体管的工作状态。

本发明的场效应晶体管的制备方法，具体包括：

1，石墨烯的生长与转移：采用剥离或者CVD的方法制备石墨烯，并将石墨烯转移到KAPTON、PDMS、PMMA、TPU等柔软衬底上。

2，沟道区的定义：通过光刻，刻蚀掉除沟道区以外的石墨烯。

3，源漏电极的制备：在用作沟道区的石墨烯的两端，通过曝光，显影，淀积金属和剥离工艺，淀积上金属，用作源漏电极。

4，氧化锌纳米线的生长和栅介质层的淀积：采用溶液热分解法或者化学气相沉积法生长氧化锌纳米线，淀积介质层的方法之一是通过ALD等方法在氧化锌纳米线的表面淀积上一层介质材料，如SiO₂，Al₂O₃和HfO₂等。栅电极的转移：通过物理干法转移或者交流介电泳法将氧化锌纳米线转移到沟道区域。在外力作用下，氧化锌纳米线的端部产生的电势最大，栅控作用最强。

5，纳米线的固定：在氧化锌纳米线两端淀积上金属，以固定氧化锌纳米线。

源、漏淀积的金属没有特别的限制，可以是Ti、Au、Al、Cu、Ag和Pt等，也可以是其他合适的材料。用于淀积介质层的工艺可以采用ALD(原子层沉积)，也可以采用其他工艺。用于固定氧化锌纳米线的材料可以是金属也可以是聚合物等与衬底粘附性好的材料。本发明的优点与技术效果如下：

本发明提出的场效应晶体管采用石墨烯做沟道，利用其良好的延展性和高迁移率特性，可以提高器件的可靠性和工作速度，并且由于石墨烯是二维平面结构，易于和传统硅平面工艺结合，有利于实现器件的大规模集成。

氧化锌具有压电效应，氧化锌纳米线中的锌正离子和氧负离子以正四面体结构对准，在无外界应力作用下，锌离子的正电荷中心和氧离子的负电荷中心重合，偶极矩为零。在外界应力作用下，锌离子和氧离子偏离原来的位置，正电荷中心和负电荷中心不再重合，偶极矩不为零，如果沿着氧化锌纳米线的C轴方向施以拉伸应力，偶极矩为正，反之，为负。所有偶极矩叠加起来，就可以沿C轴方向形成电场，氧化锌纳米线的两端就会有电势差，机械能转化为电能，该电势差的大小和应力大小成正比，利用氧化锌纳米线在外力作用下产生的电势，可以控制场效应晶体管沟道的开启和关断。

本发明提出的场效应晶体管采用氧化锌纳米线做栅电极，通过施加外力产生栅压来控制晶体管的工作状态。与传统硅基场效应晶体管相比，这种新型场效应晶体管的优势主要有以下三个方面：1，本发明场效应晶体管所采用的沟道材料是石墨烯，石墨烯具有很高的迁移率，能够应用于对器件灵敏度要求比较高的场合。2，由于通过压电效应使晶体管工作，本发明场效应晶体管不需要外加栅压，能源消耗低。3，本发明场效应晶体管是基于塑料等柔软衬底，在柔性显示等领域有潜在应用价值。

附图说明

附图1是本发明器件的俯视图；

附图2是本发明器件的侧面视图；

图中，1-石墨烯；2-介质层材料；3-氧化锌纳米线；4-金属电极；5-柔软基底；6-固定纳米线的材料；7-裹着介质层的氧化锌纳米线。

具体实施方式

本发明的器件结构可以用多种方式实施，制造过程中所用的辅助材料也不仅限于下面提到的。

下面是一种具体的实施方式举例：

1，石墨烯的生长：采用CVD的方法，在铜箔上生长石墨烯，具体流程：首先在H₂、Ar氛围中将铜箔加热至1000℃，保温20分钟，然后通入甲烷，反应时间设为10到20分钟，反应结束后，快速冷却至室温，石墨烯将在铜的的表面析出。

2，石墨烯的转移：在生长好的石墨烯上旋涂一层PMMA，然后将有铜箔的一面放在配置好的氯化铁溶液中，经过一段时间后，铜箔被刻蚀掉，石墨烯留在了PMMA上，接着将PMMA/石墨烯薄膜置于衬底KAPTON上，石墨烯的一侧紧贴在KAPTON薄膜表面，加热到110℃，使石墨烯/PMMA牢固粘合在KAPTON薄膜表面，再用丙酮浸泡去掉PMMA，这样石墨烯便成功转移到了KAPTON衬底上。

3，沟道区的定义：在衬底上旋涂一层光刻胶，经过曝光、显影，露出除沟道区以外的石墨烯，然后通过氧等离子体刻蚀等方法刻蚀掉该部分石墨烯，只保留沟道区的石墨烯。刻蚀后沟道区的位置应该位于KAPTON胶带的一端，而不是处于正中央位置。

4，源漏电极的淀积：在衬底上旋涂一层光刻胶，经过套刻曝光、显影、蒸金属和剥离工艺，在沟道区两端淀积上金属Ti/Au，用作源漏电极，源漏电极之间的距离要在600nm左右，要大于所用氧化锌纳米线的直径(一般在300nm左右)。

5，氧化锌纳米线的生长：采用CVD方法或化学湿法生长氧化锌纳米线，为方便之后金属电极的制备和压电效应的产生，生长的纳米线的长度要足够长，一般在10-20微米之间，直径在300nm左右。

6，栅介质的淀积：采用ALD(原子层沉积)的方法，在已经生长好的氧化锌的表面淀积10nm氧化铪介质层。

7，氧化锌纳米线的转移：采用交流介电泳法将淀积好栅介质的氧化锌纳米线转移到KAPTON衬底上的沟道区。

8，氧化锌纳米线的固定：在氧化锌纳米线的两端，采用FIB(聚焦离子束)技术，淀积金属Ti/Au，以固定氧化锌纳米线。

上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims

1.一种石墨烯场效应晶体管的制备方法，该石墨烯场效应晶体管包括柔性基底，在所述柔性衬底上设有源、漏电极，以及连接源、漏电极的石墨烯材料，在石墨烯材料上设有一裹着介质层的氧化锌纳米线，所述石墨烯材料作为沟道，所述氧化锌纳米线作为栅电极，制备方法具体包括：

1）生长石墨烯，并将石墨烯转移到柔性衬底上；

2）通过光刻，刻蚀掉除沟道区以外的石墨烯；

3）在用作沟道区的石墨烯的两端，通过曝光，显影，淀积金属和剥离工艺，在柔性衬底上淀积源漏电极；

4）采用溶液热分解法或者化学气相沉积法生长氧化锌纳米线；

5）在氧化锌纳米线的表面淀积上一层介质材料；

6）将裹着介质层的氧化锌纳米线转移到石墨烯材料上；

7）在裹着介质层的氧化锌纳米线的两端淀积上金属用于固定。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，在生长好的石墨烯上旋涂一层PMMA，然后将有铜箔的一面放在配置好的氯化铁溶液中，经过一段时间后，铜箔被刻蚀掉，石墨烯留在了PMMA上，接着将PMMA/石墨烯薄膜置于柔性衬底上，石墨烯的一侧紧贴在KAPTON薄膜表面，加热到110℃，使石墨烯/PMMA牢固粘合在柔性衬底表面，再用丙酮浸泡去掉PMMA，石墨烯转移到柔性衬底上。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，源、漏电极之间的距离为600nm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生长的氧化锌纳米线的长度在10—20微米之间，直径为300nm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用ALD的方法，在已经生长好的氧化锌纳米线的表面淀积厚度为10nm氧化铪介质层。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用物理干法转移或者交流介电泳法将裹有介质层的氧化锌纳米线转移到石墨烯材料沟道区。