CN103199106A - P型石墨烯基晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种P型石墨烯基晶体管。石墨烯基热空穴晶体管包括衬底上的发射极层、集电极层、和包含石墨烯层的基极层，其中在基极层和发射极层之间布置发射极势垒层，以及在基极层和集电极层之间并邻近石墨烯层布置集电极势垒层。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯热空穴晶体管，包括发射极层、集电极层、和包括石墨烯层的基极层，其中在基极层和发射极层之间布置发射极势垒层，以及在基极和集电极之间布置集电极势垒层。
背景技术
在提高数字和射频(RF)电子器件认为碳基材料具有巨大的潜力。一种蜂窝状晶格排列的碳原子单层命名为石墨烯，然而，也常将由一层一层彼此堆叠的几个石墨烯薄层构成的膜称之为石墨烯(或少层石墨烯)且在本文中也被考虑为石墨烯层的实施例。单层石墨烯是一种零带隙半导体，具有卓越的材料特性，例如240K下的载流子迁移率为约1.2×105cm2/Vs，4×107cm/s的高场电子速率，低至125Ω/sq的方块电阻(对于四层膜来说为约30Ω/sq)，和仅0.34nm的厚度。
目前在石墨烯器件上所做的工作大部分专注于石墨烯沟道的场效应晶体管(GFET)。这些晶体管采用单层石墨烯，因为厚膜中的场效应被屏蔽阻碍，其极大地降低了跨导。
尽管基于GFET的逻辑开关的实现受阻于石墨烯中缺少带隙，但是该材料在RF应用上具有巨大的潜力。最近该石墨烯研究领域已经吸引了物理学家和器件工程社团的极大兴趣，并最终实现了具有100GHz的截止频率(ft)的RF石墨烯场效应晶体管(GFET)、双极石墨烯RF混频器、和石墨烯频率乘法器。WO2010/072590公开了高性能RF(射频)结型晶体管。通过驱动隧穿结来实施对这样晶体管的工作控制，其中隧道结允许电子在被施加工作电压时沿一个方向流过。
然而，仍然需要一种基于空穴电流的石墨烯基晶体管。此外，还需要一种石墨烯基互补电子电路，例如采用逻辑电路的形式的石墨烯基互补电子电路。
发明内容
根据本发明，提供一种石墨烯热空穴晶体管，包括：
包括发射极层、集电极层、和包含石墨烯层的基极层的堆叠层，其中，
堆叠层进一步包括布置在基极层和发射极层之间的发射极势垒层，和布置在基极和集电极层之间并邻近石墨烯层的集电极势垒层；
发射极和集电极层由具有p型导电类型的材料制成，或发射极层由具有p型导电类型的材料制成且集电极层由具有导电性的金属的材料制成；和其中，
堆叠层配置为允许空穴电流沿堆叠方向，即从发射极层穿过基极层指向集电极层的方向而穿过堆叠层，在施加的输入电压设置为使基极层的基极电势低于发射极层的发射极电势且使集电极层的集电极电势低于基极电势的情况下，其中所述的空穴电流量受基极电压和发射极电压间的电势差的量所控制。
本发明的石墨烯热空穴晶体管也称之为p型石墨烯基晶体管，或p-GBT。它能实现类似于由互补的p型和n型GBT组成的CMOS静态逻辑的静态互补逻辑电路。该静态互补逻辑电路可获得相比于CMOS或TTL逻辑电路增加的逻辑速度。此外，相比于电流型逻辑获得了减小的静态功耗。
本发明的晶体管具有低寄生。其表现出良好的开关特性，即，其能特别快速的开关并允许切换大电流量。与CMOS技术中的PMOS晶体管相比，其可获得等同的开关速度，即使是在更高的电压下。特别地，在工作期间可施加更高的集电极-基极电压。
该晶体管的进一步的优点在于非常低的截止电流(Ioff)和非常低的能量损耗。
值得注意的是由晶体管的堆叠层定义的堆叠方向为垂直于由堆叠层的各个层所定义的平面的方向。因此，本发明的晶体管在概念上不同于已知的通过控制平面电流来工作的石墨烯场效应晶体管结构，本发明的晶体管是通过控制垂直于层平面的方向的电流来工作的，即电流穿过堆叠层的各不同层。
换而言之，在本发明的p型石墨烯基晶体管(GBT)中，石墨烯不用作场效应器件中的高迁移率沟道，而是用作用于控制集电极电流的非常薄的、且低电阻率的电极。因此本发明的该p-GBT结合了热空穴晶体管的概念和石墨烯的独特特性。
附图说明
下面将参照附图描述其它的实施例。
图1为石墨烯热电子晶体管在没有工作电压的情况下沿深度方向的位置变化的能带结构示意图；
图2为石墨烯热空穴晶体管在没有工作电压的情况下沿深度方向的位置变化的能带结构示意图；
图3为石墨烯热空穴晶体管在施加工作电压的情况下沿深度方向的位置变化的能带结构示意图；
图4为形成4端的p-GBT的实施例的截面示意图；
图5为在名义上负EBI势垒的情况下EBI势垒的形成和控制的概图；和
图6为p-GBT的截面示意图。
具体实施方式
下面将描述本发明的石墨烯热空穴晶体管的实施例。文中所述不同实施例的不同特征可相互结合以形成进一步的实施例。
根据本发明的晶体管可具有仅由石墨烯层组成的基极层，在一个实施例中该石墨烯层具有和一个原子层一样小的厚度。由于本发明的热空穴晶体管概念不依赖于电场效应，因此用在GBT的基极层中的石墨烯薄片理论上可包含多个碳薄片。石墨烯薄片的最终厚度将折衷于石墨烯沉积技术和电子穿过薄片的量子传输系数。
下面，将转向对发射极势垒层和集电极势垒层的材料的选择。
考虑到期望能简化工艺，SiO2可用作这两个势垒层。然而，选择其它材料会在某些方面提供优化的性能，下面将有说明。
发射极电极中的p型电荷载流子(空穴)的浓度应尽可能的高，因为集电极电流正比于该浓度。因此，高空穴浓度可产生高集电极电流。需要注意此处不是必须p型掺杂半导体，因为空穴也对某些金属(如，镍)的导电性有贡献，且在某些情况下金属(如，硫化铜中)中空穴导电占主导。
发射极的费米能量优选为低于石墨烯的狄拉克(Dirac)点(中性点，NP)的能量。该能量差越大，在发射极-基极电压下石墨烯对电子的量子透过性就越高，其中该发射极-基极电压仍然低于发射极-基极绝缘层(EBI)的击穿电压。
在本发明的晶体管结构中，发射极势垒层优选配置为在施加低于阈值量的发射极-基极电压的情况下阻挡空穴在发射极层和基极层之间传输，并且在施加大于发射极和基极之间的阈值量的发射极-基极电压的情况下允许空穴通过发射极和基极之间的发射极势垒层。在发射极势垒层的传输机理优选为隧道传输。
发射极势垒层形成的隧穿势垒可选择地由发射极和EBI之间的界面功能化调节。可以理解在本申请文中通过功能化表示通过电偶极矩使相邻两材料中的能带的相对能量位置发生变化，其中电偶极矩可例如由结合到界面内的外来原子或分子而产生，即直接结合在界面处或靠近界面的区域内。
发射极势垒层，文中也称之为发射极-基极绝缘层(EBI)，优选具有介于1个单原子层到30纳米之间的厚度。在一个实施例中，发射极势垒层包括布置为邻近石墨烯层的、具有1-50个单原子层厚度的电介质材料。
通常，发射极的费米能级应该接近EBI的价带顶。此处，“接近”意指1eV的一小部分，例如0.2eV。如果该能量差为正(费米能级高于EBI的价带顶)，测量EBI隧穿势垒高度，该高度应该小些以使器件能获得高集电极电流和高跨导，以及高截止频率。另一方面，如果提及的能量差为负，在低发射极-基极偏压下仍可能出现能量势垒，这是由于石墨烯和发射极材料之间的功函数差。这两种情况都能用于本发明的p-GBT的可替代实施例，下面将进一步描述。
发射极势垒层的势垒强度，标量为能量差(定义隧穿势垒高度)、隧穿距离、和隧穿空穴的有效质量的乘积，由于上一段所给出的同样的原因，该势垒强度优选为低。
EBI的导带最小值优选为距狄拉克点以上足够远以避免当晶体管关断时电子从石墨烯的基极向发射极的泄漏。“足够远”的准确意义取决于所选择的EBI材料和EBI的厚度。
在一个实施例中，EBI和BCI的价带最大值被适当的位于至少在石墨烯基极层的附近；优选的，BCI价带最大值等于或低于EBI价带最大值。这使得能够保持由于电子在BCI内的非弹性散射而产生的基极电流成分低。上述价带最大值的相对位置取决于EBI材料和BCI材料的选择以及可根据基极和BCI之间的可选择的界面功能化而进一步调节。
发射极势垒层可例如为电介质材料，特别是B、Si、Ge的氧化物。在另一实施例中，发射极势垒层由B、Si或Ge的氮化物制成。在另一实施例中，发射极势垒层由B、Si、Sn、Cd或Ge的硫属化物(硒化物、硫化物或碲化物)制成或由二硫化钼制成。发射极和EBI之间的界面可选择性地功能化。
另一方面，集电极势垒层优选配置为能在没有空穴从发射极层注入基极层的情况下避免基极层和集电极层之间的空穴电流。
集电极势垒层，此处也称之为基极-集电极绝缘层(BCI)典型地包括在基极层和集电极之间的界面处的电介质层。基极和BCI之间的界面可选择性地功能化。在一个尤其适用于能高功率工作的晶体管的变形中，集电极势垒层进一步包括由电介质材料制成的组分梯度层并且该组分梯度层布置为邻近电介质层。组分梯度材料可以理解为一种复合材料，在本文中是一种固态材料层，其被定义为至少两种材料组分，每种材料组分具有由复合材料的单位量分数所定义的量。所有分数加在一起为100％，但是各个组分的分数随某一方向的位置而变化。在本例中，该方向从基极层指向集电极层。组分梯度材料不局限于本例形成的混合物或合金。
通常，组分梯度层具有高达500nm的厚度。可是，更优选的该组分梯度层具有高达90nm厚度。通过提供集电极势垒层，其中空穴从石墨烯层运动到集电极层的能量势垒随着距基极距离的增加而降低，使本实施例的晶体管能够获得高集电极电流、低基极电流和在某些实施例中可获得高输出功率。能量势垒是由随跨越石墨烯层和集电极势垒层的位置而变化的价带的上边缘的轮廓所定义的。特别地，当给晶体管施加工作电压时，本实施例的晶体管的能量势垒提供了对空穴的高透过性，并避免了形成针对空穴的隧穿势垒，以及，至少很大程度上，避免了在石墨烯层和集电极势垒层之间的界面处出现量子反射。
例如集电极势垒层的电介质层可由选自SiO2、BN、二硫化钼和任何硫属化物所构成的组的材料制成。BCI可以形成为层结构，其中该层结构包括由这些材料中的不同材料制成的至少两层。氮化硼已经表现出在提供一种特别适合在石墨烯层的制造中用作衬底的潜力。与此同时，BN，特别是六方BN(hBN)表现出作为电介质的优异特性。因为它在石墨烯制作中适合用作衬底。此外，hBN可制备成非常薄、少层或甚至单原子的层。优选地，BN具有1-10个单原子层的厚度。
在石墨烯热空穴晶体管中，在某些实施例中，发射极层可以是由p掺杂硅制成的，也可以是集电极层和发射极层都是由p掺杂硅制成。为了在隧穿机制中维持高电流，在优选的实施例中，发射极势垒层形成一个相当低的隧穿势垒，优选在0.5eV或更小的范围内。该势垒形状的这种优化有助于在晶体管的工作点获得良好的跨导，并同时维持足够小的基极电流。
集电极层也可是由p导电材料制成，例如p掺杂的硅。可是，在可替代的实施例中，它可由金属制成。
下面，将讨论用适合的不同材料作为高功率p-GBT的各个实施例。
高功率p-GBT的一个特殊需求就是BCI必须能耐受至少几伏特量级的电压。为此，带隙为几个电子伏特(eV)的材料可优选用作BCI。
在一个具有组分梯度BCI的实施例中，该具有几个eV的带隙的材料只出现在BCI的高电场部分。即，它只出现在BCI的一个部分，相比于BCI的其它部分该部分中介电常数很低。在具有较高的介电常数的部分中，即电场较低的部分中，带隙可以是1个eV的量级。因此，这里可以使用本征硅。
如果期望获得高输出功率，具有宽带隙的BCI材料是具有优势的，因为它们能维持较高的电场而没有被破坏。“宽带隙”在这里的意思是“约6eV，以及优选为更高”。由于典型材料的导带最小值比真空能级低约1-4eV，宽带隙的需求对应于价带最大值比真空能级低约7-10eV。许多材料，包括hBN、TiO2和HfO2，它们的价带最大值比真空能级低7-8eV。SiO2的为约10eV。
通常，低EBI能量势垒是有利的。而且，优选EBI和BCI能量势垒相等。在结合前面段落的上述考虑，这些实施例的需求在发射极材料的选择上提出了额外的约束。如果BCI不是梯度的，该约束具有特殊的意义，这是因为其意味着发射极费米能级应该至少比真空能级低约7eV。通常，金属具有低于6eV的功函数，而对在这些能级处的能提供空穴的宽带半导体进行p型掺杂是很困难的。一种能满足该要求的材料是：p掺杂六方氮化硼(h-BN)作为发射极，未掺杂的hBN作为EBI，石墨烯用作基极，未掺杂的BN用作BCI，以及金属集电极。
需要注意对集电极材料的限制较少。因此，集电极材料可有更多自由的选择。在这点上适合于做集电极的材料为镍或p型硅。考虑可靠性问题，优选地由BCI形成的能量势垒相对低些。势垒越低晶体管的预期寿命就越长。
目前报道的BN的最高p型掺杂为1018cm-3，通过在MOCVD生长的hBN中掺杂Mg获得。为了进一步增加了发射极中空穴浓度，在一个示例性实施例中，可进一步包括金属背栅层，其通过背栅绝缘层而与发射极隔开，以及向由发射极、背栅绝缘层和背栅层形成的电容器施加直流(DC)偏压的偏压接触。该晶体管被配置为允许向由发射极、背栅绝缘层(BGI)和金属背栅层形成的电容器施加静态(直流)偏压(VGE)。如果期望在发射极中获得足够高的空穴浓度，应当使用适合的高k电介质，如HfO2、TiO2，或具有更高介电常数的材料作为背栅绝缘层。在工作中，背栅优选为相对于发射极为负偏压。在本实施例中使用该偏压是为了通过场效应增加发射极中的p型载流子浓度。在可替代的实施例中，背栅绝缘层的电介质是SiO2，或者，如果需要在发射极中获得特别高的空穴浓度，适合的高k电介质例如可为HfO2、TiO2或具有更高介电常数的材料。
另一个示例的材料是使用梯度的BCI电介质，其中组分梯度在接近石墨烯基极的第一BCI区域和接近集电极的第二BCI区域之间变化，其中石墨烯栅的带隙较窄，集电极的带隙比第一BCI区域中的较宽。该实施例能恰当地布置BCI和EBI的价带最大值。
在更接近石墨烯基极(更窄带隙宽度)的第一BCI区域中的BCI电介质常数优选为高于更接近集电极(更大带隙宽度)的第二BCI区域中的BCI电介质常数。
该方案迫使电场进入BCI的宽带隙部分，即进入具有更高介电强度的部分，并且因此允许能根据需要而施加更高的基极-集电极偏压，以获得更大输出功率。
例如，该BCI的宽带隙部分或具有更高介电强度的部分可由SiO2、或Si3N4或BN制成。
在本例中的发射极-EBI的方案类似于下面将进一步提出的低功率p-GBT的方案。
另一实施例采用的材料为通过允许发射极功函数和EBI价带之间有名义上(nominally)的高度差但是通过使用一极薄的EBI层确保有足够大的发射极电流来缓解EBI势垒问题。在该实施例的一个变形中，层叠的电介质材料用作EBI，例如将hBN用作EBI；单一hBN层是一个类似于石墨烯的绝缘物。另外，跨过单层hBN的量子隧穿能量势垒因肖特基效应(镜像力)而明显减小。该效应使得当使用金属发射极时发射极的电流足够高。此处的“层叠材料”我们意指由弱粘合的层组成的材料，像石墨、云母或六方BN(hBN)。
下面，提出各种不同的低功率p-GBT实施例。
在低功率p-GBT中，没必要使用BCI来抵抗基极-集电极的高偏压(VBC)。因此，高的BCI功函数的物理限制得到了缓解，使得可以以价带仅高于金属发射极的很小部分的eV的方式来选择用作EBI和BCI层的材料。EBI大体比单层原子层更厚，例如，可为几个nm厚。
用于具有金属发射极的低功率p-GBT的一个特定的材料例子为：Ni用作发射极，InN用作EBI和CBI绝缘层。Ni的费米面具有空穴陷阱，Ni的功函数为5.3eV，以及p型InN(价带顶相对于真空能级的位置)的功函数为约5.6eV，以致可以获得0.3eV量级的EBI势垒。
为了简化工艺，另一使用p型半导体发射极的例子可选择采用p型Si用作发射极，本征Si用作EBI和BCI。该低功率p-GBT实施例特别有利，因为其与高速发展且标准化的CMOS工艺相兼容。
由发射极层和发射极势垒层形成的堆叠层的子堆叠层优选为由p++-Si(001)/i-Si(001)子堆叠层、p++-Ge(001)/i-Ge(001)子堆叠层而形成。作为一个替代实施例，也可使用p++-GaAs(001)/i-GaAs(001)子堆叠层。
石墨烯热空穴晶体管可实现为分立元件或集成电路的元件。
优选的电子元件的实施例是由根据本发明的石墨烯热空穴晶体管和石墨烯热电子晶体管组成的互补电子电路。
互补电子电路的石墨烯热电子晶体管优选包括：
第二堆叠层，该第二堆叠层包括第二发射极层、第二集电极层、和包括第二石墨烯层的第二基极层，其中
第二堆叠层进一步包括第二发射极势垒层和第二集电极势垒层，其中第二发射极势垒层布置在第二基极层和第二发射极层之间，第二集电极势垒层布置在第二基极层和第二集电极层之间并邻近第二石墨烯层，
第二发射极层和第二集电极层都是由具有n型导电类型的材料制成，或者第二发射极层是由具有n型导电类型的材料制成且集电极层是由具有导电性的金属材料制成；并且其中
第二堆叠层配置为允许电子电流沿从发射极层穿过基极层再到集电极层的堆叠方向穿过堆叠层，在施加的输入电压设置为基极层的基极电势高于发射极层的发射极电势且设置集电极层的集电极电势高于基极电势的情况下，其中所述的空穴电流量是根据基极和发射极间的电势差而可控的。
第二发射极层可由n-掺杂Si制成。
图1和2为石墨烯热电子晶体管(图1)和热空穴晶体管(图2)的在没有工作电压的情况下的沿深度方向的位置而变化的能带结构示意图。以平行方式，在图6中做出了标记，其示出了实现图1的能带结构轮廓的p-GBT的示意截面图。图1的n-GBT晶体管和图2的p-GBT晶体管的器件概念基于晶体管电极的发射极、基极和集电极的垂直排列。
从电学角度来看，图1和2的器件在工作时类似于热电子/热空穴晶体管且也类似于异质结双极晶体管，或简单类似于真空三极管。
转向图2和6的热空穴晶体管(标记为PGBT)，发射极-基极二极管充当空穴发射极的作用，用于将热空穴穿过基极层(石墨烯)注入至集电极势垒层的价带，该集电极势垒层表现为位于基极和集电极之间的绝缘层，该绝缘层在下面也简称为BCI或BCI层。离开发射极的空穴例如通过F-N量子隧穿穿过发射极势垒层，该发射极势垒层也被称之为发射极-基极绝缘层，即EBI层或EBI。
用作具有金属发射极的低功率p-GBT的材料的具体例子是：Ni作为发射极、和InN作为EBI绝缘层和CBI绝缘层。Ni的费米面具有空穴陷阱，Ni的功函数为5.3eV，以及p型InN的功函数(价带顶相对于真空能级的位置)为约5.6eV，从而可以获得0.3eV量级的EBI势垒。
为了工艺方便，另一个使用p型半导体发射极的例子可选择采用p型Si作为发射极、本征Si作为EBI和BCI。该低功率p-GBT实施例是有利的，特别是由于其与高速发展且标准化的CMOS工艺相兼容。
在一个实施例中，EBI和CBI的材料可选择以提供不同的价带补偿。
BCI可比EBI厚的多，从而可获得足够高的集电极电压。石墨烯基极用作控制电极(真空管中的栅极)。希望跨过基极的是弹道传输，所以透过性仅限于量子效应。同时，基极电阻非常小，尽管厚度极其小：对比于超薄金属膜，石墨烯覆盖了封闭片状形式的绝缘层而没有使电阻率增大和横向散射增大的针孔。这导致了非常高的增益和极小的基极电流。如下所讨论的，BCI层可设计为如下方式，在基极和集电极电极之间施加比在普通硅基晶体管中能施加的明显更高的电压。这有利于器件的功率特性。
从发射极注入的空穴应该能以尽可能小的妨碍传输穿过BCI。理想情况下，它们穿越BCI的过程应该是弹道过程。
图3为图2所示的石墨烯热空穴晶体管在施加工作电压的情况下的沿深度方向的位置的能带结构示意图。仅示例性的给出发射极的工作电压为0V，基极为-2V以及集电极为-5V。任何能够在工作模式下获得类似能带结构的电压的组合都可以使用。除了在不施加工作电压下的能带结构，在图3中以红线示出了感应能量的偏移。在施加集电极电压的情况下，集电极一侧的费米能级(细虚线所示)向更高能量方向移动。在施加基极电压和集电极电压的情况下，在发射极中提供的空穴能穿过发射极势垒层EBI和石墨烯基极并且传输越过集电极势垒层CBI到达集电极。
图4为另一p-GBT实施例的截面示意图。图4所示的p-GBT特别适合于高功率应用。它是一种四端器件。在金属集电极上，提供由未掺杂的六方氮化硼(hBN)制成的集电极势垒层BCI。石墨烯基极层形成在集电极势垒层BCI上。石墨烯基极层夹在集电极势垒层BCI和发射极势垒层EBI之间，该EBI也是由未掺杂的六方BN制成。由p型六方BN制成的发射极形成在发射极势垒层EBI上。通过发射极上的背栅绝缘层和背栅绝缘层上的金属背栅层来提供其它的电容控制。
工作模式下，可向由p型发射极、背栅绝缘层(BGI)和金属背栅接触构成的电容器施加静态(直流DC)偏压VGE。通过这种方式可以在发射极中增加p型载流子的浓度。
在该结构的一个变化中，背栅绝缘层由SiO2制成，或者，如果需要在发射极中获得足够高的空穴浓度，适合的高k电介质例如可为HfO2、TiO2或具有更高介电常数的材料。该方法类似于在场效应晶体管(FET)中所使用的，但是实质上不同的在于上述的解决方案中VGE偏压是常数且发射极只具有一种类型的端接触(发射极接触)，然而在FET家族中，栅偏压(对应背栅偏压)在晶体管的工作过程中是变化的且沟道(对应于上述解决方案中的发射极)具有两种不同的端接触(源极和漏极)。
图5说明当金属发射极的费米能级低于EBI的价带(对空穴来说名义上为负的EBI势垒Φ1)和金属发射极功函数高于石墨烯的功函数的情况。图中所示的锥形代表中性点(NP)附近的石墨烯的能带结构，而EBI价带顶和发射极金属(E)的费米能级之间名义上的能量差表示为Φ1，且EBI价带顶和石墨烯(G)在
处的价带最大值之间的能量差表示为Φ2。
图5a)示出了在假想情况下的能带图，即恰好在将石墨烯置于EBI顶上之后且已经平衡了石墨烯和EBI电子态的相对位置，但是仍然在石墨烯和发射极的费米能级开始平衡之前的能带图。图5b)示出费米能级平衡之后的能带图。电子从石墨烯流向发射极且在发射极-EBI界面处形成薄层负电荷，被石墨烯中的正电荷所补偿。在EBI中出现电场，且在邻近石墨烯和EBI之间的界面处形成隧穿势垒。图5c)表示当石墨烯基极相对于发射极为负偏压时的情况。由于发射极中载流子的高载流子密度，负的薄层电荷很窄且不能阻止发射极中的空穴横向穿过从发射极到石墨烯的结构，且不能阻止在向集电极端施加足够高的负电压时，该空穴可以进一步到达集电极。
Claims (17)
1.一种石墨烯热空穴晶体管，包括：
堆叠层，包括发射极层、集电极层和基极层，所述基极层包含石墨烯层，其中
所述堆叠层还包括布置在所述基极层和所述发射极层之间的发射极势垒层，和布置在所述基极和所述集电极层之间并邻近所述石墨烯层的集电极势垒层；
所述发射极层和所述集电极层都是由具有p型导电类型的材料制成，或所述发射极层由具有p型导电类型的材料制成且所述集电极层由具有导电性的金属材料制成；并且其中
所述堆叠层配置为允许空穴电流沿从所述发射极层穿过所述基极层再到所述集电极层的堆叠方向穿过所述堆叠层，在施加的输入电压设置为所述基极层的基极电势低于所述发射极层的发射极电势且设置为所述集电极层的集电极电势低于所述基极电势的情况下，其中所述的空穴电流的量由所述基极电势和所述发射极电势之间的电势差所控制。
2.根据权利要求1所述的石墨烯热空穴晶体管，其中所述发射极层由p掺杂Si制成，或者所述集电极层和所述发射极层均由p掺杂Si制成。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯热空穴晶体管，其中所述集电极势垒层包括位于所述基极层和所述集电极之间的界面处的电介质层。
4.根据上述权利要求之一的石墨烯热空穴晶体管，其中在所述基极层和所述集电极势垒层之间的界面处或所述发射极层和所述发射极势垒层之间的界面处或这两个界面处存在界面偶极矩，且其中所述界面偶极矩改变了相应的势垒层中的价带最大值的能量位置，该能量位置是由所述集电极势垒层和所述发射极势垒层之一相对于未偏置的石墨烯热空穴晶体管的费米能级而形成。
5.根据权利要求3或4所述的石墨烯热空穴晶体管，其中所述集电极势垒层还包括由电介质材料制成的组分梯度层，并且该组分梯度层布置为邻近所述电介质层。
6.根据上述权利要求之一的石墨烯热空穴晶体管，其中所述发射极势垒层具有介于1个单原子层和30nm之间的厚度。
7.根据权利要求5或6所述的石墨烯热空穴晶体管，其中所述组分梯度层具有高达500nm的厚度。
8.根据权利要求7所述的石墨烯热空穴晶体管，其中所述组分梯度层具有高达90nm的厚度。
9.根据上述权利要求之一的石墨烯热空穴晶体管，其中所述集电极势垒层的电介质层可由SiO2、BN、二硫化钼、硫属化物、TiO2、HfO2、本征InN、本征Si制成，或者该集电极势垒层的电介质层为包含由上述不同材料制成的至少两层的层结构。
10.根据上述权利要求之一的石墨烯热空穴晶体管，其中所述发射极势垒层包括布置为邻近所述石墨烯层的、且具有1-50个单原子层厚度的电介质材料。
11.根据权利要求10所述的石墨烯热空穴晶体管，其中所述发射极势垒层是由Si、Ge、Sn的硫属化物制成或由B、In、Si、Ge的氮化物制成，所述硫属化物特别是氧化物、硒化物、碲化物或硫化物。
12.根据上述权利要求之一的石墨烯热空穴晶体管，其中所述发射极由p掺杂六方氮化硼制成，所述发射极势垒层由未掺杂的六方氮化硼制成，所述集电极势垒层由未掺杂的氮化硼制成，以及所述集电极为金属。
13.根据上述权利要求之一的石墨烯热空穴晶体管，还包括金属背栅层，该金属背栅层通过背栅绝缘层而与所述发射极隔开，以及向由所述发射极、所述背栅绝缘层和所述背栅层形成的电容器施加直流偏压的偏压接触。
14.根据前述权利要求之一的石墨烯热空穴晶体管，其中，由所述发射极层和所述发射极势垒层形成的堆叠层的子堆叠层由p++-Si(001)/i-Si(001)子堆叠层、p++-Ge(001)/i-Ge(001)子堆叠层、或p++-GaAs(001)/i-GaAs(001)子堆叠层而形成。
15.一种电子部件，包括根据前述权利要求之一的石墨烯热空穴晶体管。
16.一种互补电子电路，包括根据权利要求1至14之一的石墨烯热空穴晶体管和石墨烯热电子晶体管。
17.根据权利要求16所述的互补电子电路，其中所述石墨烯热电子晶体管包括：
第二堆叠层，包括第二发射极层、第二集电极层和第二基极层，该第二基极层包括第二石墨烯层，其中
第二堆叠层还包括第二发射极势垒层和第二集电极势垒层，其中所述第二发射极势垒层布置在所述第二基极层和所述第二发射极层之间，所述第二集电极势垒层布置在所述第二基极层和所述第二集电极层之间并邻近所述第二石墨烯层，
所述第二发射极层和所述第二集电极层都是由具有n型导电类型的材料制成，或者所述第二发射极层是由具有n型导电类型的材料制成且所述集电极层是由具有导电性的金属材料制成；并且其中
所述第二堆叠层配置为允许电子电流沿从所述发射极层穿过所述基极层再到所述集电极层的堆叠方向穿过所述堆叠层，在施加的输入电压设置为所述基极层的基极电势高于所述发射极层的发射极电势且设置为所述集电极层的集电极电势高于所述基极电势的情况下，其中所述的空穴电流的量由所述基极电势和所述发射极电势之间的电势差所控制。
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