CN103258849A - 一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法，该石墨烯场效应晶体管采用h-BN作为栅介质，来替代目前石墨烯场效应晶体管中的SiO2、HfO2等氧化物，从而提升石墨烯场效应晶体管的性能。由于h-BN的表面光学声子模式比SiO2中的相近模式的能量大两倍，因此以h-BN作为栅介质的石墨烯场效应晶体管在高频和强电场下的特性会比典型的以SiO2作为栅介质的石墨烯场效应晶体管特性要好。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管技术领域，特别涉及一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
采用SiO2作为栅介质时，石墨烯沟道薄膜的性能远不如其本征状态时。而采用悬空结构的石墨烯沟道场效应器件的性能上却有了明显的提高，然而这种悬空结构使得器件结构和功能性都受到严重的限制，无法实际应用。
实现接近于悬空石墨烯样品质量的有衬底支撑的几何结构是未来石墨烯器件结构的重要研究方向。机械剥离并转移到单晶h-BN衬底上的石墨烯薄膜在不同温度和磁场中的输运特性，与
基石墨烯器件相比，表现出更高的迁移率和更好的载流子分布均匀性，并且有效抑制了作衬底时的本征掺杂问题。在
衬底上，石墨烯中的载流子迁移率主要受到界面态、杂质、表面悬挂键和
表面光学声子的限制。同时，这些界面态、杂质和悬挂键会导致石墨烯薄膜在Dirac点附近出现二维电子气的非均匀分布以及掺杂效应，从而破坏Dirac点附近的电中性。同样的，采用其它与
类似的氧化物作栅介质时，也有着相同的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法，该石墨烯场效应晶体管的特性好。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种石墨烯场效应晶体管，其特征在于，包括衬底、石墨烯沟道层、h-BN材质的底栅介质层、h-BN材质的顶栅介质层、源电极、漏电极和顶栅电极，所述顶栅介质层和底栅介质层分别位于石墨烯沟道层的上方和下方，衬底位于底栅介质层的下方，源电极和漏电极分别位于石墨烯沟道层的两端，顶栅电极位于顶栅介质层上。
在本发明的一个优选实施例中，构成顶栅电极的材料为Ti/Au。
在本发明的一个优选实施例中，构成源电极、漏电极的材料为Cr/Au。
在本发明的一个优选实施例中，构成石墨烯沟道层的材料为单层或双层石墨烯。
一种石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供可支撑该器件结构的导电型衬底；
(2)将一片h-BN片转移至衬底上，得到h-BN材质的底栅介质层；
(3)得到一面带有PMMA的石墨烯片；
(4)使石墨烯片未带PMMA的一面与h-BN材质的底栅介质层对准并使它们粘合在一起；
(5)将石墨烯片上的PMMA溶解，得到石墨烯沟道层；
(6)在石墨烯沟道层的两端用标准的电子束光刻定义源和漏的电极，然后用热蒸发淀积Cr/Au，得到源电极和漏电极；
(7)然后再往石墨烯沟道层的上方转移一片h-BN，形成h-BN材质的顶栅介质层；
(8)在顶栅介质层上用标准的电子束光刻定义栅电极，然后再蒸上Ti/Au形成顶栅电极。
在本发明中，在步骤(4)的操作时，在石墨烯片与h-BN材质的底栅介质层粘合时，将放有h-BN材质的底栅介质层的衬底加热到110℃。
在本发明中，在步骤(3)的操作时，在另一衬底上先涂上一层水溶性层，再在其上涂上PMMA，然后将石墨烯片转移在PMMA之上；再将其整个放于去离子水溶液中，水溶性层溶解后，该衬底沉入水底，而PMMA以及其上的石墨烯片将会漂浮在水面上，得到一面带有PMMA的石墨烯片。
本发明采用h-BN作为栅介质，来替代目前石墨烯场效应晶体管中的SiO2、HfO2等氧化物，从而提升石墨烯场效应晶体管的性能。由于h-BN的表面光学声子模式比SiO2中的相近模式的能量大两倍，因此以h-BN作为栅介质的石墨烯场效应晶体管在高频和强电场下的特性会比典型的以SiO2作为栅介质的石墨烯场效应晶体管特性要好。
本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
附图说明
图1为本发明的石墨烯场效应晶体管的示意图。
图2为石墨烯场效应晶体管样品器件的转移特性曲线。
图3为石墨烯场效应晶体管样品器件的频率特性曲线示意图(a)。
图4为石墨烯场效应晶体管样品器件的频率特性曲线示意图(b)。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本发明。
如图1所示，一种石墨烯场效应晶体管，包括衬底110、石墨烯沟道层130、底栅介质层120、顶栅介质层140、源电极150、漏电极160和顶栅电极170，顶栅介质层140和底栅介质层120分别位于石墨烯沟道层130的上方和下方，衬底110位于底栅介质层120的下方，源电极150和漏电极160分别位于石墨烯沟道层的两端，顶栅电极170位于顶栅介质层140上。其中，构成顶栅电极的材料为Ti/Au。构成源电极、漏电极的材料为Cr/Au。构成石墨烯沟道层的材料为单层或双层石墨烯。
底栅介质层120、顶栅介质层140均是采用h-BN(六方氮化硼)作为栅介质。h-BN与石墨具有类似的结构。单层BN为强离子键的形成的平面结构，因此单层BN平面相对比较稳定，BN层与层之间为范德华力，且没有悬挂键以及表面电荷陷阱。BN的禁带宽度为5.97eV，t同时原子级的平面可以有效抑制石墨烯中的褶皱。h-BN的介电特性与SiO2大致相当，相对介电常数ε约为3到4，击穿电场强度约为1.7V/nm。因此可用h-BN作为栅介质，来替代目前石墨烯场效应晶体管中的SiO2、HfO2等氧化物，从而提升石墨烯场效应晶体管的性能。由于h-BN的表面光学声子模式比SiO2中的相近模式的能量大两倍，因此以h-BN作为栅介质的石墨烯场效应晶体管在高温和强电场下的特性会比典型的以SiO2作为栅介质的石墨烯场效应晶体管特性要好。
该石墨烯场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供红外线可穿透的衬底110，衬底上的氧化层111为285nm厚；
(2)采用机械剥离法剥离出单层h-BN，并将其转移到衬底110上，得到h-BN材质的底栅介质层120；
(3)在另一衬底上先涂上一层水溶性层(Mitsubishi Rayon aquaSAVE)，再在其上涂上PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后将石墨烯片转移在PMMA之上；再将其整个放于去离子水溶液中，水溶性层溶解后，该衬底沉入水底，而PMMA以及其上的石墨烯片将会漂浮在水面上，得到一面带有PMMA的石墨烯片。
(4)然后再将该石墨烯片转移到载玻片上，这个载玻片被固定在光学显微镜的机械手上。然后再光学显微镜的帮助下使石墨烯片的PMMA面与h-BN材质的底栅介质层对准然后使它们粘合。在转移过程中，衬底110需要加热到110℃以便于去除在吸附在石墨烯或者h-BN表面上的多余水分，并且也促进PMMA与h-BN的结合。
(5)转移完成后，将其放入酸中使石墨烯片上的PMMA溶解，得到石墨烯沟道层130；
(6)在石墨烯沟道层130的两端用标准的电子束光刻定义源和漏的电极，用热蒸发法蒸上0.7nm的Cr和50nm的Au以形成源、漏电极，接触电阻大约在200Ωum，得到源电极150和漏电极160；
(7)然后再往石墨烯沟道层上转移第二层h-BN，形成h-BN材质的顶栅介质层140；
(8)在顶栅介质层上用标准的电子束光刻定义顶栅，再用溅射法形成10nm的Ti和40nm的Au顶栅电极170。制作出的器件顶栅长度为450nm，源漏间距为850nm，器件有源区的宽度为3um，顶栅介质厚为8.6nm。
(9)样品制备完成以后，用Keithley公司的4200-SCS半导体特性分析系统对其直流I-V特性以及其电容特性进行了表征，其顶栅电容为0.39uF/
，导电的硅衬底与285nm厚的SiO2和h-BN一起形成了器件的底栅。顶栅与底栅电容之比为CTG/CBG≈30。附图2、3、4所示即为其转移特性和其频率特性曲线。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (7)
1.一种石墨烯场效应晶体管，其特征在于，包括衬底、石墨烯沟道层、h-BN材质的底栅介质层、h-BN材质的顶栅介质层、源电极、漏电极和顶栅电极，所述顶栅介质层和底栅介质层分别位于石墨烯沟道层的上方和下方，衬底位于底栅介质层的下方，源电极和漏电极分别位于石墨烯沟道层的两端，顶栅电极位于顶栅介质层上。
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，构成顶栅电极的材料为Ti/Au。
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，构成源电极、漏电极的材料为Cr/Au。
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，构成石墨烯沟道层的材料为单层或双层石墨烯。
5.一种石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供可支撑该器件结构的导电型衬底；
(2)将一片h-BN片转移至衬底上，得到h-BN材质的底栅介质层；
(3)得到一面带有PMMA的石墨烯片；
(4)使石墨烯片未带PMMA的一面与h-BN材质的底栅介质层对准并使它们粘合在一起；
(5)将石墨烯片上的PMMA溶解，得到石墨烯沟道层；
(6)在石墨烯沟道层的两端用标准的电子束光刻定义源和漏的电极，然后用热蒸发淀积Cr/Au，得到源电极和漏电极；
(7)然后再往石墨烯沟道层的上方转移一片h-BN，形成h-BN材质的顶栅介质层；
(8)在顶栅介质层上用标准的电子束光刻定义栅电极，然后再蒸上Ti/Au形成顶栅电极。
6.根据权利要求5所述的石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在步骤(4)的操作时，在石墨烯片与h-BN材质的底栅介质层粘合时，将放有h-BN材质的底栅介质层的衬底加热到110℃。
7.根据权利要求5所述的石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在步骤(3)的操作时，在另一衬底上先涂上一层水溶性层，再在其上涂上PMMA，然后将石墨烯片转移在PMMA之上；再将其整个放于去离子水溶液中，水溶性层溶解后，该衬底沉入水底，而PMMA以及其上的石墨烯片将会漂浮在水面上，得到一面带有PMMA的石墨烯片。
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