CN103400859B - 基于石墨烯的隧穿场效应管单元、阵列及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管单元、阵列及其形成方法，所述单元至少包括衬底；所述衬底上自下而上依次包括底栅电极、第一电介质层、底层石墨烯、绝缘阻挡层、顶层石墨烯、第二电介质层及顶栅电极；所述底层石墨烯及所述顶层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1~100nm。本发明通过在底层石墨烯及顶层石墨烯之间引入绝缘阻挡层，这样底层石墨烯及顶层石墨烯中载流子浓度可以分别通过加在底栅电极和顶栅电极上的电压进行调节，从而实现器件的较高的开关比。同时顶栅电极和底栅电极可以进行精确的单元选址，实现大规模器件集成运用。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种场效应管，特别是涉及一种基于石墨烯的隧穿场效应管单元、阵列及其形成方法。
背景技术
自从2004年曼彻斯特大学的Novoselov和Geim小组发现了单层石墨以来[K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,andA.A.Firsov,ElectricFieldEffectinAtomicallyThinCarbonFilms,Science306,666(2004)]，石墨烯的研究引起了人们的广泛关注。石墨烯具有其他碳家族成员所不具备的独特的物理特性，如反常整数量子霍尔效应，本征石墨烯的有限电导，以及普适光电导等。利用这些有趣的物理特性，石墨烯可以用于新型晶体管器件的设计。
由于平面结构的单层石墨能够很容易地进行操纵与裁剪，并且与现有的大规模集成电路工艺技术有很高的兼容性，人们有望把未来的“芯片”刻蚀到石墨片上，这也使得石墨烯成为目前理论和实验研究的热门对象。通过控制切割的方向和裁剪的尺度，石墨烯纳米带的边界可以裁剪成折线（zigzag）状或者扶椅（armchair）状等，从而改变石墨带的电子能带结构和电学性质。利用这些新奇的物理特性，人们可以研制出一些新型的纳米量子器件。可以说，石墨烯以及石墨烯纳米带的研究是当今科学技术研究的一个重要发展方向，他们将在基于石墨烯的器件研制方面得到广泛应用。
通常以石墨烯为沟道材料的场效应管中，由于石墨烯的能带结构中没有带隙，其开关比在室温下很难超过100。该比例虽然足够保证石墨烯在高频模拟器件中的应用，但无法将其应用到数字集成电路中。如果要在石墨烯材料中引入带隙，必须将其加工到宽度小于10nm的纳米带。此时才有可能在石墨烯场效应管中获得较高的开关比。目前，将石墨烯加工到10nm以下通常有来自于高精度电子光刻工艺，基于衬底结构的自组装技术，石墨烯的各项异性控制刻蚀技术，碳纳米管的轴向剖解技术等多种方法。以上工艺方法不但非常复杂而且无法保持石墨烯结构完整及其器件的一致性，更重要的是其无法实现大规模器件集成。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管单元、阵列及其形成方法，用于解决现有技术中石墨烯场效应管的开关比低级难以实现大规模集成应用的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管单元，所述基于石墨烯的隧穿场效应管单元至少包括衬底；所述衬底上自下而上依次包括底栅电极、第一电介质层、底层石墨烯、绝缘阻挡层、顶层石墨烯、第二电介质层及顶栅电极；所述底层石墨烯及所述顶层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm。
可选地，所述绝缘阻挡层为少层六角氮化硼薄膜或二硫化钼薄膜；所述少层六角氮化硼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述二硫化钼薄膜的厚度范围是1～2nm。
可选地，所述第一电介质层及第二电介质层为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm。
本发明还提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管阵列，所述基于石墨烯的隧穿场效应管阵列包括：
衬底；
至少两个纵向平行排列的底栅电极，形成于所述衬底上；
第一电介质层，形成于所述衬底上并覆盖所述底栅电极中间部分，所述底栅电极两端接触部分露出；
至少两个纵向平行排列的底层石墨烯，所述底层石墨烯中间部分形成于所述第一电介质层上且正对所述底栅电极；所述底层石墨烯的两端接触部分形成于所述衬底上且不与所述底栅电极两端接触；所述底层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；
绝缘阻挡层，形成于所述第一电介质层上并覆盖所述底层石墨烯中间部分，所述底层石墨烯两端接触部分及所述底栅电极两端接触部分露出；
至少两个横向平行排列的顶层石墨烯，所述顶层石墨烯中间部分形成于所述绝缘阻挡层上，所述顶层石墨烯两端接触部分形成于所述衬底上；所述顶层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；
第二电介质层，形成于所述绝缘阻挡层上并覆盖所述顶层石墨烯中间部分，所述顶层石墨烯两端接触部分、所述底层石墨烯两端接触部分及所述底栅电极两端接触部分露出；
至少两个横向平行排列的顶栅电极，所述顶栅电极中间部分形成于所述第二电介质层上且正对所述顶层石墨烯，所述顶栅电极两端接触部分形成于所述衬底上且不与所述顶层石墨烯两端接触。
可选地，所述绝缘阻挡层为少层六角氮化硼薄膜或二硫化钼薄膜；所述少层六角氮化硼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述二硫化钼薄膜的厚度范围是1～2nm。
可选地，所述第一电介质层及第二电介质层为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm。
本发明还提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：
1）提供一衬底，在所述衬底上形成至少两个纵向平行排列的底栅电极；
2）在所述衬底上形成一覆盖所述底栅电极中间部分的第一电介质层，所述底栅电极两端接触部分露出；
3）在步骤2）获得的结构上形成至少两个纵向平行排列的底层石墨烯；所述底层石墨烯中间部分形成于所述第一电介质层上且正对所述底栅电极；所述底层石墨烯的两端接触部分形成于所述衬底上且不与所述底栅电极两端接触；所述底层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；
4）在所述第一电介质层上形成一覆盖所述底层石墨烯中间部分的绝缘阻挡层；所述底层石墨烯两端接触部分及所述底栅电极两端接触部分露出；
5）在步骤4）获得的结构上形成至少两个横向平行排列的顶层石墨烯；所述顶层石墨烯中间部分形成于所述绝缘阻挡层上；所述顶层石墨烯的两端接触部分形成于所述衬底上；所述顶层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；
6）在所述绝缘阻挡层上形成覆盖所述顶层石墨烯中间部分的第二电介质层；所述顶层石墨烯两端接触部分、所述底层石墨烯两端接触部分及所述底栅电极两端接触部分露出；
7）在步骤6）获得的结构上形成至少两个横向平行排列的顶栅电极；所述顶栅电极中间部分形成于所述第二电介质层上且正对所述顶层石墨烯，所述顶栅电极两端接触部分形成于所述衬底上且不与所述顶层石墨烯两端接触。
可选地，所述绝缘阻挡层为少层六角氮化硼薄膜或二硫化钼薄膜；所述少层六角氮化硼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述二硫化钼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述少层六角氮化硼薄膜通过化学气相沉法生长得到并转移到所述第一电介质层上或通过机械剥离方法直接在所述第一电介质层上形成。
可选地，所述第一电介质层及第二电介质层为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm；所述厚层六角氮化硼薄膜通过化学气相沉法生长得到并转移所述衬底上或所述绝缘阻挡层上，或通过机械剥离方法直接在所述衬底上或所述绝缘阻挡层上形成；所述氧化铝薄膜通过原子层沉积法形成。
可选地，所述带状石墨烯通过将石墨烯薄膜转移到所述第一电介质层上或所述绝缘阻挡层上并刻蚀得到。
如上所述，本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管单元、阵列及其形成方法，具有以下有益效果：基于石墨烯的隧穿场效应管采用的结构为底栅电极—第一电介质层—底层石墨烯—绝缘阻挡层—顶层石墨烯—第二电介质层—顶栅电极，通过在底层石墨烯及顶层石墨烯之间引入绝缘阻挡层，这样底层石墨烯及顶层石墨烯中载流子浓度可以分别通过加在底栅电极和顶栅电极上的电压进行调节，从而实现器件的较高的开关比。通过底栅电极和顶栅电极分别改变底层石墨烯和顶层石墨烯中的载流子密度，同时改变薄绝缘阻挡层的有效厚度和隧道势垒高度，从而极大地改变相邻两个的石墨烯电极之间的隧道电流。同时顶栅电极和底栅电极可以进行精确的单元选址，实现大规模器件集成运用。
附图说明
图1显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管单元的示意图。
图2显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管单元工作在关断状态的原理图。
图3显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管单元工作在导通状态的原理图。
图4显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的示意图。
图5显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的俯视图。
图6显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法中在衬底上形成底栅电极的示意图。
图7显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法中形成第一电介质层的示意图。
图8显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法中形成底层石墨烯的示意图。
图9显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法中形成绝缘阻挡层的示意图。
图10显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法中形成顶层石墨烯的示意图。
图11显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法中形成第二电介质层的示意图。
元件标号说明
1衬底
2底栅电极
3第一电介质层
4底层石墨烯
5绝缘阻挡层
6顶层石墨烯
7第二电介质层
8顶栅电极
X，Y坐标轴方向
Vbottom底栅电压
Vtop顶栅电压
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
本发明提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管单元，请参阅图1，显示为所述基于石墨烯的隧穿场效应管单元的示意图，如图所示，该单元至少包括衬底1；所述衬底1上自下而上依次包括底栅电极2、第一电介质层3、底层石墨烯4、绝缘阻挡层5、顶层石墨烯6、第二电介质层7及顶栅电极8；所述底层石墨烯4及所述顶层石墨烯6为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm。
具体的，所述衬底1为常规的绝缘基片如SiO2、MgO、类金刚石薄膜（DLC）等，也可以是其它柔性衬底如PET等。所述绝缘阻挡层5为少层六角氮化硼薄膜或二硫化钼薄膜；所述少层六角氮化硼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述二硫化钼薄膜的厚度范围是1～2nm。本实施例中，所述绝缘阻挡层5优选为少层六角氮化硼，六角氮化硼薄膜具有与石墨烯相似的晶体结构，具有较好的绝缘性、导热性和化学稳定性，可以通过改变绝缘阻挡层的厚度来控制有效势垒的高度，从而实现器件较高的开关比。
所述第一电介质层3及第二电介质层7为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm。六角氮化硼(hexagonalboronnitride)具有单原子厚度、属性和石墨烯类似，均为六边形，晶格常数相同，表面极为平整，将石墨烯置于其上，最终得到的混合材料既有石墨烯的导电特性，还具备建造晶体管所必需的能隙。石墨烯是极好的导体，六方氮化硼则是很好的绝缘体，能够阻挡电子流通，二者组合，可以得到高质量的半导体。而氧化铝是一种良好的绝缘体，介电系数及介电强度也非常高，是一种良好的介质材料。
本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管的工作原理如下：器件工作时，在底栅电极和顶栅电极上同时加电压，底层石墨烯和顶层石墨烯的载流子浓度会随着电压发生改变，由于绝缘阻挡层对电子具有屏蔽作用，因此栅电压只会对邻近的是石墨烯产生影响，即其中底栅电极只调制底层石墨烯，顶栅电极只调制顶层石墨烯，二者互不影响。当在底层石墨烯和顶层石墨烯上加一个偏压，就会在底层石墨烯和顶层石墨烯间产生隧穿电流流经所述绝缘阻挡层。改变偏压大小时，电压变化引起电场变化，绝缘阻挡层的隧道势垒有效高度会随之变化，越过势垒的有效载流子数量也将变化，因此隧穿电流大小会改变。
栅电压为0时，底层石墨烯和顶层石墨烯的费米面位于中性点处，其中，中性点指的是该处电子和空穴浓度相同。若加了栅电压，底层石墨烯和顶层石墨烯费米面都被抬高，产生载流子。此时顶层石墨烯和底层石墨烯晶体管为两个独立工作的器件，没有隧道电流流过绝缘势垒层，此时晶体管断开。如果在两层石墨烯上加了偏压，导致处于此能级的电子隧穿势垒高度下降且厚度减薄，产生隧道电流流经绝缘阻挡层，此时晶体管导通。
请参阅图2及图3，其中图2显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管单元工作在关断状态的原理图，图3显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管单元工作在导通状态的原理图，图中Vbottom为底栅电压，Vtop为顶栅电压。
本发明中采用的底层石墨烯和底层石墨烯的形状并不一定局限于带状，也可为普通石墨烯。为了便于器件图形化及阵列等工艺，优选为将石墨烯刻蚀成带状或直接采用石墨烯纳米带。
与通常的石墨烯晶体管相比，本发明采用的结构为隧穿场效应晶体管结构，上下金属栅电极同时调制载流子的浓度，可以极大并连续的改变器件的隧穿电流，提高器件的开关比。当增加偏压时，绝缘阻挡层的有效势垒高度相对于中性点进一步降低，此外，随着费米能级远离中性点，底层石墨烯和顶层石墨烯中隧穿电子态密度的增加也会导致隧穿电流的增加，二者共同作用从而进一步提高器件开关比。本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管单元的开关比超过平面石墨烯晶体管的十倍以上，可达104数量级甚至更高。
实施例2
请参阅图4及图5，本发明提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管阵列，其中，图4显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的透视示意图，图5显示为本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的俯视图。
如图4所示，所述基于石墨烯的隧穿场效应管阵列包括衬底1；所述衬底1为常规的绝缘基片如SiO2、MgO、类金刚石薄膜（DLC）等，也可以是其它柔性衬底如PET等。
所述基于石墨烯的隧穿场效应管阵列还包括至少两个纵向平行排列的底栅电极2，所述底栅电极2形成于所述衬底1上；其中，此处纵向平行排列指的是沿坐标轴Y方向平行排列，下同。所述底栅电极2的材料为Au、Ag、Pt、Cu、Al等导电金属。
所述衬底1上形成有第一电介质层3，所述第一电介质层3覆盖所述底栅电极2中间部分，所述底栅电极2两端接触部分露出。需要指出的是，图4中未示出底栅电极两端部分细节，从图5可看出所述底栅电极两端接触部分露出。
具体的，所述第一电介质层为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm。
所述基于石墨烯的隧穿场效应管阵列还包括至少两个纵向平行排列的底层石墨烯4，所述底层石墨烯中间部分形成于所述第一电介质层3上且正对所述底栅电极；所述底层石墨烯4的两端接触部分形成于所述衬底1上且不与所述底栅电极两端接触；所述底层石墨烯4为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm。
需要指出的是，为了便于接触，所述底层石墨烯两端接触部分的宽度可大于中间部分的宽度，即所述底层石墨烯4可以为哑铃状，上述带状石墨烯的宽度及石墨烯纳米带的宽度均定义的是中间部分的宽度，同理，所述底栅电极2也可以为哑铃状。
此外，由于所述底层石墨烯中间部分正对所述底栅电极，而所述底栅电极2两端接触部分及所述底层石墨烯4两端接触部分在所述衬底1上分立排列以避免短路，因此，可将所述底层石墨烯4或底栅电极2的两端设计为“之”字型等形状，可以实现底层石墨烯4位于所述底栅电极2的正上方，而二者的两端接触部分互不接触。
该阵列还包括绝缘阻挡层5，所述绝缘阻挡层5形成于所述第一电介质层3上并覆盖所述底层石墨烯4中间部分，所述底层石墨烯4两端接触部分及所述底栅电极2两端接触部分露出。
具体的，所述绝缘阻挡层为少层六角氮化硼薄膜或二硫化钼薄膜；所述少层六角氮化硼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述二硫化钼薄膜的厚度范围是1～2nm。本实施例中，所述绝缘阻挡层5优选为少层六角氮化硼，六角氮化硼薄膜具有与石墨烯相似的晶体结构，具有较好的绝缘性、导热性和化学稳定性，通过在两层石墨烯上加偏压，改变绝缘阻挡层的厚度来控制有效势垒的高度，这样可以改变隧道电流大小，从而实现器件较高的开关比。
所述绝缘阻挡层5上形成有至少两个横向平行排列的顶层石墨烯6，所述顶层石墨烯6中间部分形成于所述绝缘阻挡层5上，所述顶层石墨烯6两端接触部分形成于所述衬底1上；所述顶层石墨烯6为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm。需要指出的是，此处横向平行排列指的是沿坐标轴X方向平行排列，X方向与Y方向垂直。为了便于接触，所述顶层石墨烯6两端接触部分的宽度可大于中间部分的宽度，即所述顶层石墨烯6可以为哑铃状，上述带状石墨烯的宽度及石墨烯纳米带的宽度均定义的是中间部分的宽度。
该阵列进一步包括第二电介质层7，所述第二电介质层7形成于所述绝缘阻挡层5上并覆盖所述顶层石墨烯6中间部分，所述顶层石墨烯6两端接触部分、所述底层石墨烯4两端接触部分及所述底栅电极2两端接触部分露出。图4中未示出顶层石墨烯6两端部分细节，从图5的俯视图中可看出所述顶层石墨烯6两端接触部分、所述底层石墨烯4两端接触部分及所述底栅电极2两端接触部分露出。
具体的，所述第二电介质层7为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm。
本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列还包括至少两个横向平行排列的顶栅电极8，所述顶栅电极中间部分形成于所述第二电介质层7上且正对所述顶层石墨烯，所述顶栅电极8两端接触部分形成于所述衬底1上且不与所述顶层石墨烯两端接触。为了便于接触，所述顶栅电极8两端接触部分的宽度可大于中间部分的宽度，即所述顶栅电极8可以为哑铃状。
由于所述顶栅电极8中间部分正对所述顶层石墨烯6，而所述顶栅电极8两端接触部分及所述顶层石墨烯6两端接触部分在所述衬底1上分立排列以避免短路，因此，可将所述顶层石墨烯6或所述顶栅电极8的两端设计为“之”字型等形状，可以实现底层石墨烯4位于所述底栅电极2的正上方，而二者的两端接触部分互不接触。
如图5所示，本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列中，所述顶栅电极8两端接触部分、所述顶层石墨烯6两端接触部分、所述底层石墨烯4两端接触部分及所述底栅电极2两端接触部分均形成于所述衬底1上并露出，通过分别在其中一个底栅电极2与其中一个顶栅电极8上加电信号，可以实现单元选址，从而实现器件的有效工作区域。通过在其中一个底层石墨烯和其中一个顶层石墨烯上加偏压，可以实现单元的导通或关断。
本发明基于石墨烯的隧穿场效应管阵列为高速石墨烯基数字器件及集成电路提供了可行的路径，在室温下其电子穿过势垒的时间极短，只要几飞秒，比亚微米级的平面晶体管中电子越过势垒的速度快，因此其开关比已经超过平面石墨烯晶体管的十倍以上。
实施例3
请参阅图6～图11及图5，本发明还提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：
步骤1），请参阅图6，提供一衬底1，在所述衬底1上形成至少两个纵向平行排列的底栅电极6。
具体的，所述衬底1为常规的绝缘基片如SiO2、MgO、类金刚石薄膜（DLC）等，也可以是其它柔性衬底如PET等。所述底栅电极6的材料为Au、Ag、Pt、Cu、Al等导电金属。为了便于接触，所述底栅电极两端接触部分宽度可大于中间部分的宽度，即可为哑铃状，为了图示的方便，图中所述底栅电极两端接触部分宽度与中间部分宽度一致。同理，下面所述底层石墨烯、顶层石墨烯及顶栅电极的两端接触部分的宽度均可大于中间部分的宽度。另外，所述纵向排列指的是沿坐标轴Y方向平行排列，下面所述横向排列指的是沿坐标轴X方向平行排列，图6中示出了坐标轴X-Y。
具体的，在衬底上通过图形化技术如光刻、电子束曝光等得到所需底栅电极图形结构，再采用金属沉积及剥离工艺获得所需底栅电极。
步骤2），请参阅图7，在所述衬底1上形成一覆盖所述底栅电极2中间部分的第一电介质层3，所述底栅电极2两端接触部分露出。
具体的，所述第一电介质层3为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm。
具体的，所述厚层六角氮化硼薄膜可以通过化学气相沉法生长得到并转移所述衬底上，或通过机械剥离方法直接在所述衬底上形成。所述氧化铝薄膜可通过原子层沉积法（ALD），可以精确控制其厚度。
步骤3），请参阅图8，在步骤2）获得的结构上形成至少两个纵向平行排列的底层石墨烯4；所述底层石墨烯4中间部分形成于所述第一电介质层3上且正对所述底栅电极；所述底层石墨烯4的两端接触部分形成于所述衬底1上且不与所述底栅电极两端接触；所述底层石墨烯4为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm。
具体的，所述带状石墨烯通过将预先制备好的石墨烯薄膜转移到所述第一电介质层3上并刻蚀得到，也可以将预先制备好的带状石墨烯直接转移到所述第一电介质层3上。所述石墨烯纳米带也可通过将预先制备好的纳米带转移到所述第一电介质层3上得到。制备石墨烯薄膜、石墨烯纳米带的方法包括但不限于化学气相沉积法、离子注入法、电弧放电法、激光法等。
由于所述底层石墨烯中间部分正对所述底栅电极，而所述底栅电极2两端接触部分及所述底层石墨烯4两端接触部分在所述衬底1上分立排列以避免短路，因此，可将所述底层石墨烯4或底栅电极2的两端设计为“之”字型等形状，可以实现底层石墨烯4位于所述底栅电极2的正上方，而二者的两端接触部分互不接触。
步骤4），请参阅图9，在所述第一电介质层3上形成一覆盖所述底层石墨烯4中间部分的绝缘阻挡层5；所述底层石墨烯4两端接触部分及所述底栅电极2两端接触部分露出。
具体的，所述绝缘阻挡层5为少层六角氮化硼薄膜或二硫化钼薄膜；所述少层六角氮化硼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述二硫化钼薄膜的厚度范围是1～2nm。
具体的，所述少层六角氮化硼薄膜可通过化学气相沉法生长得到并转移到所述第一电介质层上或通过机械剥离方法直接在所述第一电介质层上形成。本实施例中，所述绝缘阻挡层5优选为少层六角氮化硼，六角氮化硼薄膜具有与石墨烯相似的晶体结构，具有较好的绝缘性、导热性和化学稳定性，可以通过改变绝缘阻挡层的厚度来控制有效势垒的高度，从而实现器件较高的开关比。
步骤5），请参阅图10，在步骤4）获得的结构上形成至少两个横向平行排列的顶层石墨烯6；所述顶层石墨烯6中间部分形成于所述绝缘阻挡层5上；所述顶层石墨烯6的两端接触部分形成于所述衬底1上；所述顶层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm。
具体的，所述带状石墨烯通过将预先制备好的石墨烯薄膜转移到所述绝缘阻挡层5上并刻蚀得到，也可以将预先制备好的带状石墨烯直接转移到所述绝缘阻挡层3上。所述石墨烯纳米带也可通过将预先制备好的纳米带转移到所述绝缘阻挡层上得到。制备石墨烯薄膜、石墨烯纳米带的方法包括但不限于化学气相沉积法、离子注入法、电弧放电法、激光法等。
步骤6），请参阅图11，在所述绝缘阻挡层5上形成覆盖所述顶层石墨烯6中间部分的第二电介质层7；所述顶层石墨烯6两端接触部分、所述底层石墨烯4两端接触部分及所述底栅电极2两端接触部分露出。
具体的，所述第二电介质层7为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm。
具体的，所述厚层六角氮化硼薄膜可以通过化学气相沉法生长得到并转移所述绝缘阻挡层上，或通过机械剥离方法直接在所述绝缘阻挡层上形成。所述氧化铝薄膜可通过原子层沉积法（ALD），可以精确控制其厚度，得到的氧化铝薄膜具有良好的绝缘性。
步骤7），请参阅图5，在步骤6）获得的结构上形成至少两个横向平行排列的顶栅电极8；所述顶栅电极8中间部分形成于所述第二电介质层7上且正对所述顶层石墨烯，所述顶栅电极8两端接触部分形成于所述衬底1上且不与所述顶层石墨烯两端接触。
具体的，所述顶栅电极8的材料为Au、Ag、Pt、Cu、Al等导电金属，所述顶栅电极8可以通过图形化技术如光刻、电子束曝光等得到所需底栅电极图形结构，再采用金属沉积及剥离工艺获得所需顶栅电极。
由于所述顶栅电极8中间部分正对所述顶层石墨烯6，而所述顶栅电极8两端接触部分及所述顶层石墨烯6两端接触部分在所述衬底1上分立排列以避免短路，因此，可将所述顶层石墨烯6或所述顶栅电极8的两端设计为“之”字型等形状，可以实现底层石墨烯4位于所述底栅电极2的正上方，而二者的两端接触部分互不接触。
至此，形成得到了本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列，本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法可以提高石墨烯场效应管的开关比并实现大规模集成应用，通过进一步优化此隧穿场效应晶体管结构及工艺，其横向尺寸能够缩小到10nm以内以满足超大规模集成电路的需求。
综上所述，本发明的基于石墨烯的隧穿场效应管单元、阵列及其形成方法，采用的结构为底栅电极—第一电介质层—底层石墨烯—绝缘阻挡层—顶层石墨烯—第二电介质层—顶栅电极，通过在底层石墨烯及顶层石墨烯之间引入绝缘阻挡层，这样底层石墨烯及顶层石墨烯中载流子浓度可以分别通过加在底栅电极和顶栅电极上的电压进行调节，从而实现器件的较高的开关比。通过底栅电极和顶栅电极分别改变底层石墨烯和顶层石墨烯中的载流子密度，同时改变薄绝缘阻挡层隧道势垒的有效厚度和高度，从而极大地改变相邻两个的石墨烯电极之间的隧道电流。同时顶栅电极和底栅电极可以进行精确的单元选址，实现大规模器件集成运用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种基于石墨烯的隧穿场效应管阵列，其特征在于，所述基于石墨烯的隧穿场效应管阵列包括：
衬底；
至少两个纵向平行排列的底栅电极，形成于所述衬底上；
第一电介质层，形成于所述衬底上并覆盖所述底栅电极中间部分，所述底栅电极两端接触部分露出；
至少两个纵向平行排列的底层石墨烯，所述底层石墨烯中间部分形成于所述第一电介质层上且正对所述底栅电极；所述底层石墨烯的两端接触部分形成于所述衬底上且不与所述底栅电极两端接触；所述底层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；
绝缘阻挡层，形成于所述第一电介质层上并覆盖所述底层石墨烯中间部分，所述底层石墨烯两端接触部分及所述底栅电极两端接触部分露出；
至少两个横向平行排列的顶层石墨烯，所述顶层石墨烯中间部分形成于所述绝缘阻挡层上，所述顶层石墨烯两端接触部分形成于所述衬底上；所述顶层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；
第二电介质层，形成于所述绝缘阻挡层上并覆盖所述顶层石墨烯中间部分，所述顶层石墨烯两端接触部分、所述底层石墨烯两端接触部分及所述底栅电极两端接触部分露出；
至少两个横向平行排列的顶栅电极，所述顶栅电极中间部分形成于所述第二电介质层上且正对所述顶层石墨烯，所述顶栅电极两端接触部分形成于所述衬底上且不与所述顶层石墨烯两端接触。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列，其特征在于：所述绝缘阻挡层为少层六角氮化硼薄膜或二硫化钼薄膜；所述少层六角氮化硼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述二硫化钼薄膜的厚度范围是1～2nm。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列，其特征在于：所述第一电介质层及第二电介质层为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm。
4.一种基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：
1)提供一衬底，在所述衬底上形成至少两个纵向平行排列的底栅电极；
2)在所述衬底上形成一覆盖所述底栅电极中间部分的第一电介质层，所述底栅电极两端接触部分露出；
3)在步骤2)获得的结构上形成至少两个纵向平行排列的底层石墨烯；所述底层石墨烯中间部分形成于所述第一电介质层上且正对所述底栅电极；所述底层石墨烯的两端接触部分形成于所述衬底上且不与所述底栅电极两端接触；所述底层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；
4)在所述第一电介质层上形成一覆盖所述底层石墨烯中间部分的绝缘阻挡层；所述底层石墨烯两端接触部分及所述底栅电极两端接触部分露出；
5)在步骤4)获得的结构上形成至少两个横向平行排列的顶层石墨烯；所述顶层石墨烯中间部分形成于所述绝缘阻挡层上；所述顶层石墨烯的两端接触部分形成于所述衬底上；所述顶层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；
6)在所述绝缘阻挡层上形成覆盖所述顶层石墨烯中间部分的第二电介质层；所述顶层石墨烯两端接触部分、所述底层石墨烯两端接触部分及所述底栅电极两端接触部分露出；
7)在步骤6)获得的结构上形成至少两个横向平行排列的顶栅电极；所述顶栅电极中间部分形成于所述第二电介质层上且正对所述顶层石墨烯，所述顶栅电极两端接触部分形成于所述衬底上且不与所述顶层石墨烯两端接触。
5.根据权利要求4所述的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法，其特征在于：所述绝缘阻挡层为少层六角氮化硼薄膜或二硫化钼薄膜；所述少层六角氮化硼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述二硫化钼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述少层六角氮化硼薄膜通过化学气相沉法生长得到并转移到所述第一电介质层上或通过机械剥离方法直接在所述第一电介质层上形成。
6.根据权利要求4所述的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法，其特征在于：所述第一电介质层及第二电介质层为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm；所述厚层六角氮化硼薄膜通过化学气相沉法生长得到并转移所述衬底上或所述绝缘阻挡层上，或通过机械剥离方法直接在所述衬底上或所述绝缘阻挡层上形成；所述氧化铝薄膜通过原子层沉积法形成。
7.根据权利要求4所述的基于石墨烯的隧穿场效应管阵列的形成方法，其特征在于：所述带状石墨烯通过将石墨烯薄膜转移到所述第一电介质层上或所述绝缘阻挡层上并刻蚀得到。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160120 |