CN103247689A - 石墨烯场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

石墨烯隧效应晶体管，属于电子技术和石墨烯技术领域。基本结构包括栅极、源极、漏极、绝缘层和有源层。有源层由经过钝化处理的具有绝缘体或半导体特性的单层或多层石墨烯和其它半导体材料复合而成。本发明成功的解决了已有石墨烯场效应管的致命弱点，而且有超过常规半导体场效应管的高性能。本发明可促进石墨烯在电子技术领域的应用。

Description

石墨烯场效应晶体管

技术领域

本发明涉及新型电子器件，特别涉及以石墨烯场效应晶体管，属于电子器件和石墨烯技术领域。 

背景技术

石墨烯作为电极材料已经用于电子器件领域，例如触摸屏和光电池的透明导电电极等。在人们寄予最大希望的有源电子器件方面，特别是场效应薄膜晶体管领域，虽然开展了广泛深入的研究，但实质性进展不大。到目前为止，改善措施主要是对绝缘层和石墨烯层进行处理。在绝缘层方面，主要是采用具有非极化表面的绝缘层，具体方法为采用六方结构的氮化硼薄膜为绝缘层，或用有机材料对二氧化硅表面进行非极化修饰处理等。对石墨烯层进行处理的方法主要包括采用氢化、氧化或氟化等钝化方法减少石墨烯的载流子浓度，降低沟道的导电率，以提高器件的源漏电压。此外，在石墨烯层上下两侧分别设置绝缘层和栅极，也可以增大石墨烯场效应器件的开关比（接近10）。所述的这些措施，虽有一定的效果，但并不能根本解决问题，而且有些方法还带来相当严重的负面影响。

理想状态下的石墨烯实际带隙为零，具备非常高的迁移率和载流子浓度，单层石墨烯的面电阻只有百欧姆量级，强行用于场效应晶体管中，源漏电压只能施加0.1伏特左右，而栅极电压却高达数十伏特，加之输出特性完全是线性的，这些特性与数字电路的要求完全背离。即使用于模拟器件，高导电性和非线性也导致器件效率太低，需要一定程度的钝化降低其导电性。钝化又能导致迁移率明显下降，与常规半导体器件相比，优势并不大，而工艺难度却很大。

石墨烯存在的上述矛盾实际是无法完全克服的，用石墨烯作有源层的半导体场效应器件很难超过已有半导体器件的性能，取代硅用于大规模集成电路，其难度更是可想而之了。

本发明完全基于全新的原理，利用石墨烯的超薄结构，实现一种高性能薄膜晶体管。

发明内容

本发明提出一种新型石墨烯场效应晶体管结构，技术方案如下所述。

石墨烯场效应晶体管，基本结构包括栅极、源极、漏极、绝缘层和有源层，其特征在于，所述的有源层由经过钝化处理后具有绝缘体或半导体特性的石墨烯和其它半导体材料复合而成，石墨烯的主要功能是在绝缘层表面与石墨烯之间形成高迁移率沟道，而其它半导体材料的功能与在普通半导体场效应管中相似。施加栅压时，载流子穿过石墨烯层，在石墨烯与绝缘层之间形成导电沟道。绝缘层和石墨烯层的设置保证两层之间周期性势场很弱，即绝缘层表面基本没有悬挂键，石墨烯表面基本没有共价键，导致载流子在该导电沟道中具有高迁移率。

所述的石墨烯场效应晶体管，包括底栅和顶栅两种结构，底栅结构如图1、图2和图3所示。衬底11上首先设置栅极12，栅极之上设置绝缘层13，绝缘层上设置钝化石墨烯层16，再设置其它半导体层17。源极14和漏极15可以设置在石墨烯层之下（图1），也可以设置在石墨烯层之上（图2），还可以设置在半导体层之上（图3），半导体层之上可以设置保护层18。

顶栅结构如图4、图5、图6所示，在衬底21上首先沉积半导体材料层27，然后设置钝化石墨烯层26。源极24和漏极25可以设置在石墨烯之上(图4)，亦可以设置在石墨烯之下（图5），还可以设置在半导体层之下（图6）；石墨烯层上设置绝缘层23和栅极22。

如图7所示，顶栅结构中，也可以用衬底31本身作为半导体材料，在其上设置钝化石墨烯层36。源极34和漏极35可设置在石墨烯层之上（图7），也可以设置在其下（图8）；在石墨烯层之上制备绝缘层33和栅极32。

所述的其它半导体材料范围极宽，包括已知的各类半导体材料。半导体材料的带隙宽度有较大的选择范围，结晶和不结晶的半导体材料也都在可选范围内，这就可以构成各种不同要求的器件，如高压、高频、高速器件，以及各种敏感器件等。

所述的绝缘层由单层或多层薄膜构成，为了保证绝缘层表面基本没有悬挂键，单层结构的绝缘层或多层结构的绝缘层中与石墨烯相邻的一层采用基本没有悬挂键的材料。这里所述的基本没有悬挂键的材料包括111晶面取向的立方晶体结构的铪和锆的二元或三元氧化物，即氧化铪、氧化锆、氧化锆铪，还包括111晶面取向的立方晶体结构的镁、钙、锶、钡、锌、镉的二元或三元氟化物。所述镁、钙、锶、钡、锌、镉的三元氟化物中，特别包括氟化锶钡，其中锶和钡的原子数目比为1：1。

所述的镁、钙、锶、钡、锌、镉的三元氟化物中，金属原子的化学配置保证氟原子间距等于0.423纳米，相对误差应在1%以内，这样的结构能够与石墨烯实现晶格匹配。

所述的石墨烯层可以通过气相沉积方法直接设置在绝缘层或半导体层上，后进行钝化处理；也可以将采用其它方法制备的钝化石墨烯层转移到绝缘层或半导体层上；还可以将未钝化的石墨烯层转移后进行钝化处理。

所述的钝化处理指的是对石墨烯中的离域大pai键进行钝化处理，使得石墨烯具有绝缘体或半导体特性；所述的钝化处理包括氢化、氟化、氯化、溴化、碘化、氧化、硫化、硒化或碲化等，形成氢碳键、氟碳键、氯碳键、溴碳键、碘碳键、氧碳键、硫碳键、硒碳键或碲碳键，钝化处理可以在等离子中进行，也可在溶液中进行。

本发明与当前广泛研究的石墨烯场效应管有着本质的区别。已有的研究中，单层或少层石墨烯自身作为有源层，其高导电性和高迁移率共存。栅极上施加电压时，只是改变了载流子在石墨烯层中的位置分布，因此产生一定大小的带隙，引起的载流子浓度和迁移率的同时降低，从而导电性变小。在普通的半导体场效应管中，栅压控制沟道的形成与消失，因此导电性变化可达百万倍量级，而且输出特性高度非线性。石墨烯场效应管中，栅压仅仅导致载流子浓度和迁移率的一定程度的改变，因此开关比很小，即使栅压高达数十伏特，开关比也难超过3，而且输出特性是线性的。

本发明中，石墨烯基本不导电或导电率很低，与普通半导体材料共同构成有源层，石墨烯自身主要起到势垒功能。在栅压作用下，载流子发生隧穿效应，在石墨烯层与绝缘层之间形成沟道。采用没有表面态的绝缘层，加之石墨烯层单面钝化，即与半导体层相邻的一面钝化，则在所述的沟道里周期性势场很弱，沟道迁移率可以超过10⁴cm/vs。虽然沟道的形成机制不同，但在栅压控制沟道的有无这一点上，本发明与已有的半导体场效应管差相似，因此输出特性也相似，即具有高开关比和非线性输出。本发明利用石墨烯的超薄结构特性，人为的在绝缘层和石墨烯层之间形成一高迁移率沟道，解决了当前半导体场效应管中迁移率只有几百cm/vs的问题，大幅度提高器件的速率。

本发明的工作原理如下：在栅极电压作用下，载流子通过隧道效应穿过石墨烯层，在源极和漏极之间形成导电沟道。栅极电压可以控制源漏极之间的电流。本发明的核心技术之一是，在绝缘层上基本没有界面态电荷，当栅极电压取消时，导电沟道消失。已知的没有界面态的材料包括碘化锌、碘化镉、二硫化钼、二硫化钨、二硫化铌、二氧化钛、二氧化锆、二氧化铪、氟化碱土金属等，但具备高击穿电场的只有本专利要求中所述的几种，其中二氧化锆和二氧化铪还属于高k材料，时下广泛用于大规模集成电路中。

石墨烯材料在蜂窝状的平面外只有非常弱的离域大pai键，由于导电性太高，不能作为半导体层，更不能作为势垒层，必须进行钝化。依据钝化程度，可以成为半导体，也可以成为绝缘体。由于钝化后的化学键基本是共价键，键能增大数十倍，载流子迁移率大降，因此作为半导体层应用是没有意义的。本发明中采用其为势垒层，不存在上述问题。为了进一步提高载流子的迁移率，优选的钝化方式是硫化、氯化和硒化。由于硫、氯和硒的离子和原子半径较大，一般情况下穿不过石墨烯的蜂窝孔，钝化发生在单边，钝化原子的分布呈周期性，形成的微弱的范德华势场也是周期性的。如果钝化发生在石墨烯的双侧，则在石墨烯与绝缘层之间将出现共价键，降低载流子的迁移率，因此先设置石墨烯层，再钝化的底栅结构器件一般情况下具有更好的性能。 

需要说明的是，石墨烯层的钝化程度与半导体层的材料选择有关，如果钝化程度高，得到的石墨烯层的带隙较宽，这就需要半导体层的亲合势较小，使得石墨烯层与半导体层之间的势垒接近零，用以减小载流子隧穿需要的栅极电压。如果石墨烯的钝化程度高，而半导体材料亲合势较大时，则导电沟道将出现在石墨烯与半导体层之间，形成的是低迁移率沟道，与普通半导体材料构成的场效应管就基本没有差别了。

普通半导体材料构成的场效应管，包括MOS场效应管在内，即使采用单晶材料的半导体，在与绝缘层的界面之间既存在较强的横向周期势场，也存在相当密度的界面态，这就导致载流子的沟道迁移率远小于单晶体材料中的迁移率。采用本发明的结构后，石墨烯和绝缘层之间周期性势场很弱，而且界面态也基本为零，理想情况下的载流子迁移率远超过10⁴cm²/vs，为常规半导体器件的数十倍，这就为新一代集成电路和高速器件的发展提供了可靠的基础。

与已有技术相比，本发明不仅解决了已有石墨烯场效应管的致命缺陷，而且具备远远超过普通场效应管的性能。

附图说明

图1、图2和图3为底栅结构示意图，其中11为衬底，12为栅极，13为绝缘层，14为源极，15为漏极，16为石墨烯层，17为半导体层，18为保护层。图1中源极和漏极位于石墨烯层之上，图2中源极和漏极位于石墨烯层之下，图3中源极和漏极位于半导体层之下。

图4、图5和图6为顶栅结构示意图，其中21为衬底，22为栅极，23为绝缘层，24为源极，25为漏极，26为石墨烯层，27为半导体层。图4中源极和漏极位于石墨烯层之上，图5中源极和漏极位于石墨烯层之下，图6中源极和漏极位于半导体层之下。

图7和图8为衬底兼作为半导体层的顶栅结构示意图，其中31为衬底，32为栅极，33为绝缘层，34为源极，35为漏极，36为石墨烯层。图7中源极和漏极位于石墨烯层之上，图8中源极和漏极位于石墨烯层之下。

具体实施方式

以下以几个实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

底栅结构，衬底为半绝缘硅片，其上首先制备金属铬-钯复合薄膜栅极，再制备氧化铝/氟化锶钡绝缘层，其中氧化铝厚度50纳米，氟化锶厚度10纳米。氟化锶钡与石墨烯晶格匹配，其上采用CVD方法沉积单层石墨烯，同时制备源极和漏极。在等氯离子体中对石墨烯进行钝化处理，然后在其上沉积氮化锆半导体层和氧化铝保护层，构成完整的器件。

实施例2：

底栅结构，衬底为半绝缘硅片，其上首先制备金属铬-金复合薄膜栅极，再制备氧化铝/氧化铪绝缘层，其中氧化铝厚度20纳米，氧化铪厚度10纳米。氧化铪上采用CVD方法沉积单层石墨烯，同时制备源极和漏极。在溴等离子体中对石墨烯进行钝化处理，然后在其上沉积硫化镉半导体层和氧化铝保护层，构成完整的器件。

实施例3：

顶栅结构，衬底为绝缘碳化硅片，其上首先制备n型硅半导体层，用CVD法在铜箔上制备单层石墨烯，然后转移到n型硅半导体层上，并进行氢化处理，制备金属源极和漏极后，再制备氧化铪/氧化铝绝缘层，其中氧化铝厚度20纳米，氧化铪厚度6纳米。最后制备顶栅极，构成完整器件。

实施例4：

顶栅结构，衬底为n型半导体硅片，用CVD法在铜箔上制备单层石墨烯，先进行氟化处理后，再转移到硅片上。制备金属源极和漏极后，再制备氧化铪/氧化铝绝缘层，其中氧化铝厚度20纳米，氧化铪厚度6纳米。最后制备顶栅极，构成完整器件。

实施例5：

顶栅结构，衬底为绝缘碳化硅片，其上首先制备n型非晶硅半导体层，用CVD法沉积单层石墨烯并进行氯化处理，制备金属源极和漏极后，再制备氟化锶钡/氧化铝绝缘层，其中氟化锶钡厚度6纳米，氧化铝厚度20纳米。最后制备顶栅极，构成完整器件。

Claims (7)

1.石墨烯场效应晶体管，基本结构包括栅极、源极、漏极、绝缘层和有源层，其特征在于，所述的有源层由经过钝化处理后具有绝缘体或半导体特性的石墨烯和其它半导体材料复合而成，石墨烯的主要功能是在绝缘层表面与石墨烯之间形成高迁移率沟道，而其它半导体材料的功能与在普通半导体场效应管中相似；施加栅压时，载流子穿过石墨烯层，在石墨烯与绝缘层之间形成导电沟道；绝缘层和石墨烯层的设置保证两层之间周期性势场很弱，即绝缘层表面基本没有悬挂键，石墨烯表面基本没有共价键，导致载流子在该导电沟道中具有高迁移率。

2.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，对于底栅结构，衬底上首先设置栅极，栅极之上设置绝缘层，绝缘层上设置钝化石墨烯层，再设置半导体层；源极和漏极可以设置在石墨烯层之下，也可以设置在石墨烯层之上，还可以设置在半导体层之上；半导体层之上可以设置保护层。

3.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，对于顶栅结构，在衬底上首先沉积半导体材料层，然后设置钝化石墨烯层；源极和漏极可以设置在石墨烯层之上，亦可以设置在石墨烯层之下，还可以设置在半导体层之下，石墨烯层上设置绝缘层和栅极；顶栅结构中，也可以用衬底本身作为半导体材料，在其上设置钝化石墨烯层，源极和漏极可设置在石墨烯层之上，也可以设置在其下，在石墨烯层之上制备绝缘层和栅极。

4.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述的绝缘层由单层或多层薄膜构成，为了保证绝缘层表面基本没有悬挂键，单层结构的绝缘层或多层结构的绝缘层中与石墨烯相邻的一层采用基本没有悬挂键的材料；这里所述的基本没有悬挂键的材料包括111晶面取向的立方晶体结构的铪和锆的二元或三元氧化物，即氧化铪、氧化锆、氧化锆铪，还包括111晶面取向的立方晶体结构的镁、钙、锶、钡、锌、镉的二元或三元氟化物；所述镁、钙、锶、钡、锌、镉的三元氟化物中，特别包括氟化锶钡，其中锶和钡的原子数目比为1：1。

5.根据权利要求4所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述的镁、钙、锶、钡、锌、镉的三元氟化物中，金属原子的化学配置保证氟原子间距等于0.423纳米，相对误差应在1%以内。

6.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述的石墨烯层可以通过气相沉积方法直接设置在绝缘层或半导体层上，后进行钝化处理；也可以将采用其它方法制备的钝化石墨烯层转移到绝缘层或半导体层上；还可以将未钝化的石墨烯层转移后进行钝化处理；所述的钝化处理指的是对石墨烯中的离域大pai键进行钝化处理，使得石墨烯具有绝缘体或半导体特性；所述的钝化处理包括氢化、氟化、氯化、溴化、碘化、氧化、硫化、硒化或碲化等，形成氢碳键、氟碳键、氯碳键、溴碳键、碘碳键、氧碳键、硫碳键、硒碳键或碲碳键，钝化处理可以在等离子中进行，也可在溶液中进行。

7.根据权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，为了保证石墨烯在与绝缘层相邻的界面上基本没有共价键，所述的石墨烯采用单侧钝化，即钝化原子位于石墨烯与其它半导体材料相邻的一侧。

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