CN102820324B - 具有多层栅极绝缘层的石墨烯电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了具有多层栅极绝缘层的石墨烯电子器件。该石墨烯电子器件包括在石墨烯沟道层与栅极电极之间的多层栅极绝缘层。该多层栅极绝缘层包括有机绝缘层和位于有机绝缘层上的无机绝缘层。有机绝缘层防止杂质被吸收到石墨烯沟道层中，因此石墨烯沟道层的固有特性被保持。
Description
技术领域
本公开涉及通过在石墨烯沟道层与栅极电极之间形成多层栅极绝缘层而具有改善的电特性的石墨烯电子器件。
背景技术
具有二维六边形碳结构的石墨烯是一种可以代替半导体的新材料。石墨烯是零带隙半导体，在室温具有100000cm2V-1s-1的迁移率，这是硅的大致100倍。因此，石墨烯可以应用到高频器件诸如射频(RF)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(GNR)时，带隙通过尺寸效应形成。可在室温操作的场效应晶体管可以通过使用GNR制造。
石墨烯电子器件是包括石墨烯的电子器件，诸如场效应晶体管或RF晶体管。
在没有接触任何其他材料时，石墨烯在空气中在浮置状态具有高的迁移率。然而，当石墨烯接触无机绝缘层诸如硅氧化物时或当石墨烯吸收潮气时，迁移率会减小。因而，包括石墨烯的电子器件可能不能具有预期的特性。
发明内容
本发明提供了在石墨烯沟道层与栅极绝缘层之间具有疏水有机绝缘层的石墨烯电子器件。
额外的方面将在以下的描述中部分阐述，并将部分地从该描述而明显，或者可以通过实践给出的实施例而习知。
根据本发明的一方面，提供一种石墨烯电子器件，包括：导电基板，用作栅极电极；栅极绝缘层，形成在导电基板上；石墨烯沟道层，形成在栅极绝缘层上；以及源极电极和漏极电极，分别形成在石墨烯沟道层的两端上，其中栅极绝缘层包括无机绝缘层和有机绝缘层。
有机绝缘层可以设置在无机绝缘层与石墨烯沟道层之间。
有机绝缘层可以包括氟基聚合物。
有机绝缘层可以由从聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚全氟丁烯乙烯基醚(poly(perfluorobutenylvinylether))、聚四氟乙烯(PTFE)以及非晶含氟聚合物构成的组中选出的一种材料形成。
有机绝缘层可以具有小于无机绝缘层的厚度。
有机绝缘层可以具有在从约1nm至约20nm的范围内的厚度。
无机绝缘层可以由从硅氧化物、铝氧化物和铪氧化物构成的组中选出的一种材料形成。
石墨烯沟道层可以包括单层石墨烯或双层石墨烯。
石墨烯沟道层可以是纳米带石墨烯，石墨烯电子器件可以是场效应晶体管。
石墨烯电子器件还可以包括覆盖石墨烯沟道层的钝化层。
根据本发明的另一方面，提供一种石墨烯电子器件，包括：基板；石墨烯沟道层，形成在基板上；源极电极和漏极电极，分别形成在石墨烯沟道层的两端上；栅极绝缘层，形成为覆盖位于源极电极与漏极电极之间的石墨烯沟道层；以及栅极电极，形成在源极电极与漏极电极之间的栅极绝缘层上，其中栅极绝缘层包括有机绝缘层和形成在有机绝缘层上的无机绝缘层。
附图说明
从以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得明显并更易于理解，在附图中：
图1是示出根据本发明实施例的石墨烯电子器件的结构的示意性截面图；
图2是示出在图1的结构中根据场效应晶体管(FET)的栅极电压的漏极电流特性的曲线图，其中栅极绝缘层仅由无机绝缘层形成；
图3是示出根据具有图1的结构的FET的栅极电压的漏极电流特性的曲线图；
图4是示出常规石墨烯FET和根据本发明实施例的石墨烯FET的空穴迁移率随着在空气中的暴露时间的增加而变化的曲线图；
图5是根据本发明另一实施例的石墨烯电子器件的结构的示意性截面图；以及
图6是根据本发明另一实施例的石墨烯电子器件的结构的示意性截面图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，实施例的示例在附图中示出。在附图中，为了清晰，层和区域的长度和尺寸可以被夸大，此外，相似的附图标记始终指代相似的元件，将省略其描述。
图1是示出根据本发明实施例的石墨烯电子器件100的结构的示意性截面图。
参照图1，多层栅极绝缘层120可以形成在基板110上，石墨烯沟道层130可以形成在多层栅极绝缘层120上。源极电极141和漏极电极142可以分别形成在石墨烯沟道层130的两端上。
基板110可以用作底栅极电极，并可以由高掺杂的材料诸如硅、钽氮化物、金、铝、铟锡氧化物等形成。
多层栅极绝缘层120可以包括在基板110上的无机绝缘层121以及在无机绝缘层121上的有机绝缘层122。无机绝缘层121可以具有在从约100nm至约300nm的范围内的厚度。无机绝缘层121可以由硅氧化物、铝氧化物、铪氧化物等形成。
有机绝缘层122防止异物存在于无机绝缘层121与石墨烯沟道层130之间的界面处，并可以由具有强的疏水特性的聚合物绝缘层形成从而防止吸收水分子，该水分子导致石墨烯沟道层130中的空穴掺杂。有机绝缘层122可以形成得比无机绝缘层121薄。有机绝缘层122可以通过使用旋涂法或沉积法形成为具有在从约1nm至约20nm的范围内的厚度。如果有机绝缘层122具有小于1nm的厚度，则石墨烯沟道层130可能不能被完全地覆盖。如果有机绝缘层122具有大于20nm的厚度，则栅极电压会增大。
有机绝缘层122可以由氟基聚合物(fluorine group polymer)或自组装单层(self-assembled monolayer)形成。
氟基聚合物可以是聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚全氟丁烯乙烯基醚(poly(perfluorobutenylvinylether))、聚四氟乙烯(PTFE)以及非晶含氟聚合物诸如Nafion(Dupont的产品)、CYTOP(Asahi Glass的产品)等。
石墨烯沟道层130可以通过将从石墨剥落或者通过化学气相沉积(CVD)法形成的石墨烯转移在有机绝缘层122上并图案化石墨烯而形成。石墨烯沟道层130可以包括单层石墨烯或双层石墨烯。
源极电极141和漏极电极142可以由可与石墨烯沟道层130实现欧姆接触的金属形成。源极电极141和漏极电极142可以形成为双层的金属层，诸如Cr/Au、Ti/Au或Pd/Au。
图1的石墨烯电子器件是底栅型晶体管。
当形成具有在从约1nm至约20nm的范围的宽度的石墨烯沟道层130时，石墨烯沟道层130可以具有半导体特性使得通过尺寸效应形成带隙。因而，图1的石墨烯电子器件是场效应晶体管(FET)。使用石墨烯作为沟道的FET可以在室温操作。
同时，当形成具有大致大于100nm的宽度的石墨烯沟道层130时，石墨烯沟道层130可以是导体，并可以在室温具有100000cm2V-1s-1的载流子迁移率，这几乎是硅的大约100倍。具有石墨烯沟道层130的石墨烯电子器件可以是RF晶体管。
图2是示出根据FET(在下文，常规石墨烯FET)的栅极电压的漏极电流特性的曲线图，其中多层栅极绝缘层120仅由图1的结构中的无机绝缘层121形成。图3是示出根据具有图1的结构的FET(在下文，本发明的石墨烯FET)的栅极电压的漏极电流特性的曲线图。
图2和图3的石墨烯FET由形成在Si基板上的具有100nm厚度的无机(SiO2)绝缘层121形成，图3的有机绝缘层122由具有7nm厚度的聚全氟丁烯乙烯基醚(其是氟基聚合物)形成。石墨烯沟道层130由从石墨剥落的石墨烯形成，源极电极141和漏极电极142可以分别沉积至具有5nm厚的Cr层和在该Cr层上的100nm厚的Au层。由吸收存在于空气中的湿气而形成的空穴掺杂引起的石墨烯FET的电特性的变化通过暴露所制造的石墨烯FET来测量。空气的相对湿度保持在45％。
参照图2，常规石墨烯FET在刚制造时具有约26.7V的狄拉克电压VDirac，随着时间流逝，狄拉克电压VDirac由于空穴掺杂被较大改变。狄拉克电压VDirac指的是石墨烯的电导率处于最小状态的点，也表示石墨烯具有电荷中性的点。当石墨烯没有被掺杂时，狄拉克电压VDirac可以位于0V。
参照图3，本发明的石墨烯FET在刚制造时具有约0V的狄拉克电压VDirac。因而，可以确认，在本发明的石墨烯FET中，石墨烯的电荷中性被稳定地保持，因为引起石墨烯中的空穴掺杂的化学杂质被氟基聚合物显著减少。
此外，可以确认，尽管在空气中暴露时间增加，但是本发明的石墨烯FET的狄拉克电压VDirac的变化非常小。这表示，当石墨烯形成在具有强的疏水特性和非常低的湿气透过性的氟基聚合物上时，引起石墨烯中空穴掺杂的H2O分子的吸收可以被显著减少。
图4是示出常规石墨烯FET和本发明的石墨烯FET的空穴迁移率根据空气中暴露时间的增加而变化的曲线图。常规石墨烯FET(曲线G1)显示出随着时间流逝空穴掺杂浓度的不断增加；然而，本发明的石墨烯FET(曲线G2)显示出小于4％的空穴迁移率的降低，尽管本发明的石墨烯FET暴露在空气中三星期。这表明，在本发明的石墨烯FET中，氟基聚合物接触石墨烯的结构防止可由湿气引起的空穴掺杂，因此，石墨烯的电荷中性被保持，同时，空穴迁移率也被稳定地保持。
图5是根据本发明另一实施例的石墨烯电子器件200的结构的示意性截面图。相似的附图标记用于指示与图1和图5的元件基本相同的元件，因此，将不再重复其详细描述。
参照图5，钝化层150可以进一步形成在石墨烯沟道层130上。钝化层150防止石墨烯沟道层130接触空气中的氧和湿气。钝化层150可以使用硅氧化物形成为在从约5nm至约30nm的范围内的厚度。
图6是根据本发明再一实施例的石墨烯电子器件300的结构的示意性截面图。
参照图6，绝缘层312可以形成在基板310上。如果基板310是绝缘基板，则可以省略绝缘层312。石墨烯沟道层330可以形成在绝缘层312上，源极电极341和漏极电极342分别形成在石墨烯沟道层330的两端上。多层栅极绝缘层360形成在石墨烯沟道层330上。栅极电极370形成在多层栅极绝缘层360上。
多层栅极绝缘层360可以包括在石墨烯沟道层330上的有机绝缘层362以及在有机绝缘层362上的无机绝缘层361。无机绝缘层361可以形成为具有在从约100nm至约300nm的范围内的厚度。无机绝缘层361可以由硅氧化物、铝氧化物、铪氧化物等形成。
有机绝缘层362防止异物存在于无机绝缘层361与石墨烯沟道层330之间的界面处，并可以由具有强的疏水特性的聚合物绝缘层形成以防止引起石墨烯沟道层330中的空穴掺杂的水分子的吸收。有机绝缘层362可以形成得比无机绝缘层361薄。有机绝缘层362可以通过使用旋涂法或沉积法形成为具有在从约1nm至约20nm的范围内的厚度。如果有机绝缘层362具有小于1nm的厚度，则石墨烯沟道层330可能没有被完全覆盖。如果有机绝缘层362具有大于20nm的厚度，则栅极电压会增大。
有机绝缘层362可以由氟基聚合物或自组装单层形成。
氟基聚合物可以是聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚全氟丁烯乙烯基醚、聚四氟乙烯(PTFE)以及非晶含氟聚合物诸如Nafion(Dupont的产品)、CYTOP(AsahiGlass的产品)等。
石墨烯沟道层330可以通过将从石墨剥落或者通过化学气相沉积(CVD)法形成的石墨烯转移在有机绝缘层362上并图案化石墨烯而形成。石墨烯沟道层330可以包括单层石墨烯或双层石墨烯。
源极电极341和漏极电极342可以由可与石墨烯沟道层330欧姆接触的金属形成。源极电极341和漏极电极342可以形成为双层的金属层，诸如Cr/Au、Ti/Au或Pd/Au。
栅极电极370可以由多晶硅或普通金属诸如铝形成。
图6的晶体管是顶栅极型晶体管。
当形成具有在从约1nm至约20nm的范围内的宽度的石墨烯沟道层330时，石墨烯沟道层330可以具有半导体特性使得通过尺寸效应形成带隙。因而，图6的石墨烯电子器件是FET。使用石墨烯作为沟道的FET可以在室温操作。
同时，当形成具有大致大于100nm的宽度的石墨烯沟道层330时，石墨烯沟道层330可以是导体，并可以在室温具有100000cm2V-1s-1的载流子迁移率，这几乎是普通硅的大约100倍。具有石墨烯沟道层330的石墨烯电子器件可以是RF晶体管。图6的石墨烯电子器件300的操作与图1至图5的石墨烯电子器件的操作基本相同，因此将不重复其详细描述。
在根据本发明的具有多层栅极绝缘层的石墨烯电子器件中，有机绝缘层形成在石墨烯沟道层与无机绝缘层之间。因此，防止了石墨烯沟道层的载流子迁移率由于吸收空气中的氧和湿气而减小。此外，根据时间流逝的狄拉克电压的变化小。
尽管已经参照本发明的示范性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不背离本发明由权利要求所限定的精神和范围。
Claims (13)
1.一种石墨烯电子器件，包括：
导电基板，用作栅极电极；
栅极绝缘层，形成在所述导电基板上；
石墨烯沟道层，形成在所述栅极绝缘层上；以及
源极电极和漏极电极，分别形成在所述石墨烯沟道层的两端上，
其中所述栅极绝缘层包括无机绝缘层和有机绝缘层，
其中所述有机绝缘层具有疏水特性并包括氟基聚合物，
其中所述有机绝缘层由从聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚全氟丁烯乙烯基醚以及非晶含氟聚合物构成的组中选出的一种材料形成，
其中所述有机绝缘层具有在从1nm至20nm的范围内的厚度。
2.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述有机绝缘层设置在所述无机绝缘层与所述石墨烯沟道层之间。
3.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述有机绝缘层具有小于所述无机绝缘层的厚度。
4.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述无机绝缘层由从硅氧化物、铝氧化物和铪氧化物构成的组中选出的一种材料形成。
5.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述石墨烯沟道层包括单层石墨烯或双层石墨烯。
6.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，其中所述石墨烯沟道层是纳米带石墨烯，所述石墨烯电子器件是场效应晶体管。
7.如权利要求1所述的石墨烯电子器件，还包括覆盖所述石墨烯沟道层的钝化层。
8.一种石墨烯电子器件，包括：
基板；
石墨烯沟道层，形成在所述基板上；
源极电极和漏极电极，分别形成在所述石墨烯沟道层的两端上；
栅极绝缘层，形成为覆盖位于所述源极电极与所述漏极电极之间的所述石墨烯沟道层；以及
栅极电极，形成在所述源极电极与所述漏极电极之间的所述栅极绝缘层上，
其中所述栅极绝缘层包括有机绝缘层和形成在所述有机绝缘层上的无机绝缘层，
其中所述有机绝缘层具有疏水特性并包括氟基聚合物，
其中所述有机绝缘层由从聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚全氟丁烯乙烯基醚以及非晶含氟聚合物构成的组中选出的一种材料形成，
其中所述有机绝缘层具有在从1nm至20nm的范围内的厚度。
9.如权利要求8所述的石墨烯电子器件，其中所述有机绝缘层形成在所述无机绝缘层与所述石墨烯沟道层之间。
10.如权利要求8所述的石墨烯电子器件，其中所述有机绝缘层具有小于所述无机绝缘层的厚度。
11.如权利要求8所述的石墨烯电子器件，其中所述无机绝缘层由从硅氧化物、铝氧化物和铪氧化物构成的组中选出的一种材料形成。
12.如权利要求8所述的石墨烯电子器件，其中所述石墨烯沟道层包括单层石墨烯或双层石墨烯。
13.如权利要求8所述的石墨烯电子器件，其中所述石墨烯沟道层是纳米带石墨烯，所述石墨烯电子器件是场效应晶体管。
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