CN103493203A - 晶体管器件以及用于制造晶体管器件的材料 - Google Patents

Abstract

本申请涉及石墨烯基异质结构和包含石墨烯的晶体管器件。异质结构包括：（i）第一石墨烯层；（ii）间隔层；以及（iii）第三石墨烯。晶体管包括：（i）包括石墨烯层的电极；以及（ii）绝缘阻挡层。

Description

晶体管器件以及用于制造晶体管器件的材料

技术领域

本发明一般地涉及包括电极的晶体管器件，该电极包括石墨烯层。本发明还涉及石墨烯异质结构，所述器件可以由该结构制成。特别地，本发明涉及晶体管，其包括：（i）电极，该电极包括石墨烯层，和（ii）绝缘阻挡（insulating barrier）层。在一个变型中，绝缘阻挡层可以包括至少一个氮化硼（BN）层和/或至少一个二硫化钼层。因此，在一些实施方案中，本发明的晶体管可以包括氮化硼/石墨烯异质结构。然而，期望当大规模生产根据本发明的晶体管时，绝缘阻挡层很有可能由例如下述不同的材料制成。

背景技术

研究石墨烯的主要挑战在于找到创新的方式来利用其卓越的特性。特别令人感兴趣的是使用石墨烯作为硅基电子器件的替代材料的可能性，但是缺少能隙在关闭状态下实现低功率损耗方面存在严重障碍。

石墨烯在中性点（NP）的金属电导率和由于克莱因隧穿电子未受阻碍地传输穿过势垒已经阻碍了石墨烯基场效应晶体管（FET）的性能，其将可实现的开关切换比率限制为～10³，并且将那些在室温下迄今实现的开关切换比率限制为＜100（A.K.Geim,Graphene:status and prospects.Science324,1530-1534(2009).）。这些低比率对于单个的高频晶体管和模拟电子器件而言是足够的（Y.Wu et al.,High-frequency,scaled graphenetransistors on diamond-like carbon.Nature472,74-78(2011).），但是对于石墨烯基集成电路（1-7）的任何现实前景而言，这些低比率存在根本的问题。可能的解决方案是例如通过使用双层石墨烯（E.V.Castro et al,Biased bilayer graphene:semiconductor with a gap tunable by electricfield effect.Phys.Rev.Lett.99,216802(2007).）、纳米带、量子点或化学衍生物来打开石墨烯中的带隙，但是已经证实了难以在不降低石墨烯的电子质量的情况下实现高的开关比率。

因此，本发明旨在提供可替代的石墨烯晶体管结构，即，基于从石墨烯电极穿过薄的绝缘阻挡层的量子隧穿的场效应晶体管。

在本申请中，示出了一种双极场效应隧穿晶体管，其优点不仅在于具有高的电导率和单原子层厚度的石墨烯，而且在于与其类似狄拉克（Dirac-like）谱相关联的低态密度。

本发明的晶体管为石墨烯异质结构，其在一些实施方案中包括原子级薄的氮化硼或二硫化钼作为隧穿势垒。本发明的晶体管允许高隧穿电流>1mA/μm²和室温开关切换比率≈10⁴，该值可以通过优化器件结构而得到进一步增强（例如，通过改变绝缘阻挡层的组成和厚度）。这些三端隧穿器件在高频操作和大规模集成方面具有潜力。

本发明的器件的操作依赖于石墨烯中的隧穿态密度（DoS）的电压可调性，以及与石墨烯电极相邻的隧穿势垒的有效高度Δ和形状。

因此，本文公开了一种双极场效应晶体管，其利用了石墨烯的低态密度和其单原子层的厚度。本发明的器件为具有原子级薄的氮化硼或二硫化钼或者下述其它材料的石墨烯异质结构，以起到垂直传输势垒的作用。它们分别呈现出≈50和≈10,000的室温切换比率。这样的器件对于高频操作和大规模集成上具有潜力。还可以通过适当地选择与石墨烯结合使用的材料来“设计”期望的切换比率。

在本公开内容中，可以将提及的石墨烯理解为布置为蜂巢晶格的单原子厚的碳原子平面片层。类似地，可以将提及的石墨烯理解为意为布置为蜂巢晶格的单原子厚的硼原子和氮原子平面片层。然而，这些材料还可以以具有更多个原子层例如两个或更多个石墨烯原子层或氮化硼原子层的片形式使用。类似地，下文描述的其它材料例如二硫化钼可以以具有多于一个的单个原子层的片形式存在。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种石墨烯异质结构，其具有：

第一石墨烯层；

第二石墨烯层；以及

位于第一石墨烯层与第二石墨烯层之间的间隔层。

根据第二方面，本发明提供一种晶体管，其包括：

源电极；

漏电极；以及

与源电极和漏电极两者接触并且位于源电极与漏电极两者之间的绝缘阻挡层，该绝缘阻挡层包括1至30个一种或更多种材料的层；

其中源电极和漏电极至少之一包括石墨烯层，而另一电极包括导电材料层。

晶体管必须还包括栅电极；然而，在本发明的情况下，栅电极的位置和性质是次要的。本发明的晶体管因源电极和漏电极相对于彼此的位置和其至少之一由石墨烯形成的事实而享有其独特的益处。

在一个实施方案中，源电极和漏电极两者都包括石墨烯层。因此，第二方面的晶体管器件可包括第一方面的异质结构。在这样的情况下，晶体管的源电极可以是异质结构的第一石墨烯层，而晶体管的漏电极可以是异质结构的第二石墨烯层。另外，晶体管的源电极可以是异质结构的第二石墨烯层，而晶体管的漏电极可以是异质结构的第一石墨烯层。异质结构的间隔层对应晶体管的绝缘阻挡层。本说明书中使用的术语“间隔层”和“绝缘阻挡层”是可互换的。

异质结构

上文使用的术语石墨烯包括“原始的”（即，未经化学改性的）石墨烯和功能化的石墨烯。因此，形成顶部和/或底部电极的单独石墨烯层可以是石墨烯或者功能化的石墨烯。还可以通过物理方法如热处理来对石墨烯进行改性。在下文中，为了简洁起见，本发明将石墨烯和经改性的石墨烯两者统一简称为石墨烯。

通过对石墨烯层进行分隔，可以对石墨烯层之间的相互作用进行研究和利用，详细情况参见实验1。优选地，一个或两个石墨烯层中的载流子迁移率高达2.5m²/Vs、5m²/Vs或10m²/Vs。优选地，石墨烯异质结构使得穿过间隔层的漏电流无法检测到（＞1GΩ）。

优选地，间隔层包含氮化硼（更优选为由氮化硼制成）。更优选地，间隔层包含六方氮化硼（更优选为由六方氮化硼制成）。例如，间隔层可以是例如六方氮化硼晶体。

因为六方氮化硼对于石墨烯可以起到原子级平滑和惰性基底的作用，所以六方氮化硼作为用于间隔层的材料是优选的。另外，六方氮化硼可以制成薄的，使得石墨烯层可以设置为靠在一起，同时仍提供有效阻挡以防止各石墨烯层之间的漏电流。石墨烯层设置成靠在一起产生可以进行研究和利用的传输特性（例如，不同寻常的库伦拖曳特性），详细情况参见实验1。两个石墨烯层设置成靠在一起同时仍提供有效阻挡以防止漏电流与例如已知的GaAs/AlGaAs双量子阱结构不同，GaAs/AlGaAs双量子阱结构一般需要维持在低温下以减小漏电流。如下述更详细地讨论，可以使用除六方氮化硼以外的材料（例如，氧化铝）作为本发明的间隔层。每种材料的优点取决于其自身特殊的特性，并且一些材料比其它材料更适合。因此，一些替代材料优于hBN，而一些则劣于hBN。影响这些材料的适用性的一个重要特征是其是否能够采用平坦结构和/或是否便于大规模实施。

在BN上，特别是在六方BN上生长石墨烯是无法预测的，并且目前难以实现。本发明已经首次成功提供了可以制造和表征的BN石墨烯复合结构。

实际上，例如，本发明已经发现当试图形成结构时的主要问题之一与以下事实有关：hBN上石墨烯的沉积可导致许多含有捕获的吸附物（推测是烃）的“气泡”。这可严重影响石墨烯的电子特性和作为一个整体的异质结构。现有技术中甚至没有考虑这个问题。然而，如果这种气泡存在于器件的有源部分中，则将导致显著的电荷不均匀性并且有效致使器件失效。当提供具有间隔层的石墨烯基晶体管时本发明已经克服了该问题和其它问题。

优选地，间隔层紧挨着第一石墨烯层，即在间隔层与第一石墨层之间没有层。优选地，第二石墨烯层紧挨着间隔层，即在间隔层与第二石墨层之间没有层。

优选地，间隔层具有10nm或更小的厚度，更优选为2nm至4nm的范围内的厚度，并且可以具有约等于3nm的厚度。在这些厚度下，间隔层（尤其是如果间隔层是六方氮化硼）是薄的，同时仍可以防止室温下的漏电流（如果使用例如六方氮化硼作为用于间隔层的材料）。对于一些应用而言，间隔层可以具有小于3nm、小于2nm的厚度乃至在电流泄露（例如，室温下）不是问题的应用中可以只具有一个原子的厚度。

优选地，第一石墨烯层为单个石墨烯片，即，优选为一个原子厚。优选地，第二石墨烯层为单个石墨烯片，即，其优选为一个原子厚。然而，第一石墨烯层和/或第二石墨烯层还可以包括多个石墨烯片。例如，第一石墨烯层和/或第二石墨烯层可以包括两个石墨烯片（所谓的“双层石墨烯”），乃至可以是三个石墨烯片（所谓的“三层石墨烯”）。认为，超过三个石墨烯片，石墨烯层电子特性的有用性变低。因此，优选地，除了结构缺陷以外，第一石墨烯层和/或第二石墨烯层包括不超过三个石墨烯片，在所述缺陷处石墨烯可以具有不连续性或可以超过三层厚度。

优选地，例如通过移除层的一部分（例如，通过蚀刻，例如，通过电子束光刻和/或氧等离子蚀刻）来将第一石墨烯层和/或第二石墨烯层成形以形成结构。该结构可以包括一个或更多个用于使该结构与外部器件连接的接触区域。可以使第二石墨烯层成形以形成与通过第一石墨烯层形成的结构对应的结构，或者可以成形以形成不同的结构。例如，第一石墨烯层和/或第二石墨烯层中形成的结构可以是例如霍尔棒结构，但是其它结构同样是可以的，例如，该结构可以简单地为单个导电轨道。霍尔棒结构是众所周知的，并且在下述实验中示出了一些实例。霍尔棒结构可以使得能够对石墨烯异质结构的特性进行研究，例如参见实验1。

石墨烯异质结构可以包括一个或更多个触点，例如金属触点，例如以使第一石墨烯层和/或第二石墨烯层与外部电子器件连接。一个或更多个触点中的每个触点可以位于包括在第一石墨烯层中形成的结构和/或第二石墨烯层中形成的结构（参见上文）中的一个或更多个相应的接触区域上。

优选地，间隔层与第一石墨烯层对准，或者间隔层相对于第一石墨烯层具有开口，使得间隔层仅覆盖第一石墨烯层的一部分，优选地使得包括在第一石墨烯层中形成的结构（参见上文）中的一个或更多个接触区域不被间隔层覆盖。这使得在已经例如通过电子束光刻在石墨烯层上沉积第二石墨烯层之后，能够在包括在第一石墨烯层中形成的结构和/或第二石墨烯层中形成的结构中的一个或更多个接触区域上沉积一个或更多个触点。有利地，在单一光刻运行中，可以在包括在第一石墨烯层中形成的结构和第二石墨烯层中形成的结构中的一个或更多个接触区域上沉积触点。

石墨烯异质结构可以包括基层，第一石墨烯层位于基层上。优选地，第一石墨烯层与基层直接相邻，即，在第一石墨烯层与基层之间没有层。优选地，基层包含氮化硼（更优选为基层是氮化硼）。更优选地，基层包含六方氮化硼（更优选为基层是六方氮化硼）。例如，基层可以是六方氮化硼晶体。因为六方氮化硼对于石墨烯为原子级平滑和惰性基底，所以六方氮化硼作为基层是优选的。据认为，原则上可以使用除六方氮化硼以外的材料（例如，氧化铝）作为基层。然而，因为这些其它材料不如氮化硼平坦并且/或者不具有氮化硼具有的其它有用特性，所以其不是优选的。

石墨烯异质结构可以包括基底，基层（或者第一石墨烯层）位于基底上。优选地，基层（或第一石墨烯层）与基底直接相邻，即，在基层与第一石墨烯层之间没有层。优选地，基底包括硅晶片，优选为经氧化的硅晶片，例如，使得基底具有SiO₂绝缘层。

本发明的第一方面还可以提供制造石墨烯异质结构的方法，该石墨烯异质结构具有：

第一石墨烯层；

第二石墨烯层；以及

位于第一石墨烯层与第二石墨烯层之间的间隔层。

该方法可以包括实施或者对应于所述的与本发明的第二方面有关的任何装置特性的任何方法步骤。

例如，该方法可以包括：

在第一石墨烯层上沉积间隔层；和

在间隔层上沉积第二石墨烯层，使得间隔层位于第一石墨烯层与间隔层之间。

作为另一实例，优选地，间隔层包含氮化硼（更优选地间隔层是氮化硼）。更优选地，间隔层包含六方氮化硼（更优选地间隔层是六方氮化硼）。例如，间隔层可以为六方氮化硼晶体。

作为另一实例，优选地，间隔层沉积为使得间隔层与第一石墨烯层直接相邻。类似地，优选地，第二石墨烯层沉积为使得第二石墨烯层与间隔层直接相邻。

作为另一实例，优选地，间隔层沉积为具有10nm或更小的厚度，更优选地具有在2nm至4nm的范围内的厚度，并且可以具有约等于3nm的厚度。

作为另一实例，优选地，石墨烯层的第一层沉积为单个石墨烯片，即，使得其优选为一个原子厚。优选地，石墨烯层的第二层沉积为单个石墨烯片，即，使得其优选为一个原子厚。

作为另一实例，优选地，该方法包括例如通过移除层的一部分（例如，通过蚀刻，例如，通过光刻和/或氧等离子蚀刻）来使第一石墨烯层和/或第二石墨烯层成形以形成结构。优选地，在沉积第一石墨烯层之后但在沉积间隔层之前进行第一石墨烯层的成形。优选地，在沉积第二石墨烯层之后进行第二石墨烯层的成形。例如，第一石墨烯层和/或第二石墨烯层中形成的结构可以是霍尔棒结构，但是其它结构也同样是可以的，例如该结构可以简单地为单个导电轨道。霍尔棒结构是众所周知的，并且在下述实验中示出了一些实施例。霍尔棒结构可以使得能够对石墨烯异质结构的特性进行研究，例如参见实验1。

作为另一实例，该方法可以包括沉积一个或更多个触点，例如金属触点，例如，以使第一石墨烯层和/或第二石墨烯层与外部电子器件连接。可以在包括在第一石墨烯层中形成的结构和/或第二石墨烯成中形成的结构（参见上文）中的一个或更多个接触区域上沉积一个或更多个触点（即，使得触点位于接触区域上）。

作为另一实例，间隔层可以仅覆盖第一石墨烯层的一部分，使得包括在第一石墨烯层中形成的结构（参见上文）中的一个或更多个接触区域不被间隔层覆盖。优选地，在第一石墨烯层上沉积间隔层之前例如使用光学掩模校准器来使间隔层对准。

作为另一实例，该方法可以包括在基层上沉积第一石墨烯层。优选地，该步骤在沉积间隔层和沉积第二石墨烯层之前进行。优选地，沉积第一石墨烯层使得第一石墨烯层与基层直接相邻。优选地，基层包含氮化硼（更优选为基层是氮化硼）。更优选地，基层包含六方氮化硼（更优选为基层是六方氮化硼）。例如，基层可以为六方氮化硼晶体。

作为另一实例，该方法可以包括在基底上沉积基层（或者第一石墨烯层）。优选地，该步骤在沉积间隔层、沉积第二石墨烯层、以及（如果适用的话）沉积第一石墨烯层之前进行。优选地，基层（或者第一石墨烯层）沉积为使得基层（或者第一石墨烯层）与基底直接相邻。优选地，基底包括硅晶片，优选为经氧化的硅晶片，例如，使得基底具有SiO₂绝缘层。

可以通过例如作为现有技术中被充分理解的技术——剥离法（机械剥离）在基底上机械沉积基层（或者第一石墨烯层）。

虽然通过剥离法可以在基底上沉积基层（或者第一石墨烯层），但是该技术对于在基层上沉积第一石墨烯层、在第一石墨烯层上沉积间隔层、或者在间隔层上沉积第二石墨烯层不是非常适合，例如剥离法可能难以使各层对准并且/或者造成污染。

因此，可根据使用前体结构的方法在基层上沉积第一石墨烯层，前体结构包括位于载体层上的第一石墨烯层，该方法包括：

在基层上沉积前体结构，其中第一石墨烯层面向基层（并且因此载体层背对基层）；以及

接着（即，在基层上沉积前体结构之后）将载体层从第一石墨烯层移除。

类似地，根据使用前体结构的方法可以在第一石墨烯层上沉积间隔层，前体结构包括位于载体层上的间隔层，该方法包括：

在第一石墨烯层上沉积前体结构，其中间隔层面向第一石墨烯层（并且因此载体层背对第一石墨烯层）；以及

接着（即，在第一石墨烯层上沉积前体结构之后）将载体层从间隔层移除。

类似地，根据使用前体结构的方法可以在间隔层上沉积第二石墨烯层，前体结构包括位于载体层上的第二石墨烯层，该方法包括：

在间隔层上沉积前体结构，其中第二石墨烯层面向间隔层（并且因此载体层背对间隔层）；以及

接着（即，在间隔层上沉积前体结构之后）将载体层从第二石墨烯层移除。该方法可以包括本发明的第三方面中所描述的或者与本发明的第三方面关联的任何附加步骤。

优选地，该方法包括在沉积任意一个或更多个层之后（特别是在沉积第一石墨烯层、间隔层以及第二石墨烯层中的任意一个或更多个之后）通过例如退火，在例如约等于300℃的温度下和/或氩-氢气氛中来清洁石墨烯异质结构，例如以移除残余物和/或其它污染物。

虽然在下列实验中，石墨烯和氮化硼被从块状晶体中机械剥离，但是该技术对于大规模实施可能不是非常适合，并且有可能被适合的生长方法所取代。根据石墨烯和氮化硼制造工艺的选择，所描述的层序列可以是直接生长而成，或者由单独制造的层组装而成。

该方法可以包括一个或更多个可选的附加步骤以包括一个或更多个附加层。因此，可以向通过上述方法获得的石墨烯基复合结构添加附加的石墨烯层或者其它材料的层。

晶体管器件

根据第二方面，本发明提供一种晶体管，其包括：

源电极；

漏电极；以及

与源电极和漏电极两者接触的绝缘阻挡层，该绝缘阻挡层包括1至30个半导体材料层；

其中源电极与漏电极至少之一包括石墨烯层，而另一电极包括导电材料层。

绝缘阻挡层位于源电极与漏电极之间，并且与源电极和漏电极两者接触。因此在本方面中，本发明提供一种晶体管，包括：源电极；漏电极；以及与源电极和漏电极两者接触并且位于源电极与漏电极两者之间的绝缘阻挡层，该绝缘阻挡层包括1至30个一种或更多种半导体材料层；其中源电极与漏电极至少之一包括石墨烯层，而另两个电极包括导电材料层。

本发明的晶体管具有包括至少三层的类似夹心结构，但是更通常还包括一些如下所述的附加层。在其最简单的形式中，本发明涉及一种晶体管，其包括顶部电极，其可以由包括金属的任何导电材料制成，但是优选为石墨烯；绝缘阻挡层，顶部电极位于绝缘阻挡层上；以及底部电极层。因此，绝缘层被夹在顶部电极层与底部电极层之间。源电极与漏电极的特性将取决于施加至晶体管的偏压和绝缘层的材料。

为便于参考，在垂直晶体管的情况下，本发明将电极称为“顶部”电极和“底部”电极，其中顶部电极为存在于顶部（即，晶体管的外表面（除非还被可选的保护层覆盖））的电极。这样的结构可以参见图4。

顶部电极可以为任何导电材料。在一个优选的实施方案中，顶部电极可以为石墨烯层。因此，在一个特别优选的实施方案中，顶部电极为石墨烯层，底部电极也由石墨烯制成。在替代实施方案中，顶部电极可以为金属，并且可以为例如经掺杂的半导体。

在一个实施方案中，绝缘阻挡层（也被称为中间层或间隔层）包含氮化硼。在另一实施方案中，绝缘阻挡层为半导体（例如，Si、Ge或者第III-V族半导体（例如，GaAs或AlGaAs））。在又一实施方案中，绝缘阻挡层为过渡金属（即，d区元素）的硫属化物或二硫属化物。硫属化合物或二硫属化合物包括氧化物、硫化物、硒化物和碲化物，并且硫属化合物或二硫属化合物优选为硫化物或氧化物。特别优选地，化合物包括MoS₂和HfO₂。在一个实施方案中，使用经机械转移的六方BN和MoS₂层用于绝缘层。另外，绝缘阻挡层为有机半导体或电介质。用于绝缘阻挡层的其它适合材料包括氮化物如氮化镓或氮化硅，其中优选为氮化硅。其它适合材料包括氧化物如SiO₂和氧化铝。绝缘阻挡层可以包括一个或更多个上面列出的材料的层。绝缘阻挡层还可以由两个或更多个不同材料的层的混合层形成。例如，绝缘阻挡层可以由一个或更多个六方BN层和一个或更多个MoS₂层形成。

理想地，中间势垒层为化学稳定的材料。中间势垒层的材料的性质影响晶体管的切换比率。例如，使用MoS₂可以获得在室温下或接近室温下最高为10,000的切换比率。

在一个实施方案中，绝缘阻挡层为分层材料，并且具有一个原子层至约50个原子层的厚度，并且更优选地具有上限为约30个原子层的厚度。因此，绝缘阻挡层的厚度最高为约15nm，并且更通常最高为约10nm。根据层的组成，一个原子层通常占约0.35nm的厚度。

在一个实施方案中，晶体管还包括下层，底部电极层位于下层上。下层是用来增强底部电极层如石墨烯的特性的绝缘体。下层用来提高一种或更多种以下特性：粗糙度、应力、电导率以及均匀性、化学或热稳定性。其还用作用于生长石墨烯的基底。适合于下层的材料包括六方氮化硼（h-BN）。

在另一实施方案中，下层本身布置在起到栅极绝缘体作用的材料层的顶部上。可以使用任何已知的栅极绝缘材料作为栅极绝缘体。实例包括SiO₂、氮化硅、氧化铝和HfO₂等。

在另一实施方案中，栅极绝缘体和在栅极绝缘体上方的晶体管层位于起到栅极导体或栅极电极作用的材料层的顶部上。栅极导体或栅极电极可以由具有足够平坦的表面的任何导电材料制成，并且可以为例如金属或高掺杂半导体。特别适合的栅极导体或栅极电极为高掺杂的硅，并且在一个实施方案中，这可以在不需要附加支持的情况下使用。另外，可选地，可以在附加基底的顶部上制造栅极导体。

因此，在一个实施方案中，本发明的晶体管可以具有如图4所示的结构。该晶体管为包括顶部电极、中间（间隔）层、石墨烯层、下层、栅极绝缘体层以及栅极导体层的夹心结构。

制造绝缘阻挡层的方法，实际上为制造根据本发明的晶体管器件的方法可以是使用例如半导体（绝缘体）生长的任何常规技术，以及包括CVD、PE-CVD、MBE、ALD、热蒸镀或电子束蒸镀、溅射或者从液体溶液中沉积的沉积法。

在一个实施方案中，绝缘阻挡层包括1至30个层。在一个实施方案中，该材料为氮化硼。在优选实施方案中，绝缘阻挡层包括3至8个材料（如氮化硼）层，例如3、4、5、6、7或8个材料层。对于绝缘阻挡层，优选实施方案为3个材料层。对于绝缘阻挡层，替代实施方案为4至8个层。绝缘阻挡层可以为下述多种材料中的一种或更多种。因此，在一个实施方案中，绝缘阻挡层包含六方氮化硼，例如六方氮化硼晶体。在替代实施方案中，绝缘阻挡层包括1至30个二硫属化物层、并且更优选为3至8个二硫属化物层。

在一个实施方案中，从块状石墨中提取石墨烯晶体并且使石墨烯晶体机械转移以形成晶体管堆叠体。然而，石墨烯层可以在所述基底上直接生长（如图4的情况）、在所述基底的顶部上转移，或者从与所制造的基底不同基底的顶部上的其它层一起转移。生长石墨烯的方法的实例包括CVD（化学气相沉积）、PE-CVD（等离子增强型化学气相沉积）、MBE（分子束外延）、ALD（原子层沉积）、DAS等。还可以对石墨烯化学改性或功能化以提高晶体管性能。石墨烯的化学功能化可以改变态密度（DoS）和势垒参数，由此改变晶体管的特性。在这一点上，可以通过选择适当功能化（或部分功能化）的石墨烯成分来调整晶体管的性能。在一个实施方案中，石墨烯成分或功能化的石墨烯成分为石墨烯。在另一实施方案中，石墨烯成分或功能化的石墨烯成分为之前未化学改性的石墨烯。石墨烯的化学功能化还可以帮助制造晶体管。如文献所述，可以使用用于将官能团如氢基、卤基以及含氧基等引到石墨烯上的任何已知方法来实现化学改性。

在一个实施方案中，源电极包括石墨烯层。

在一个实施方案中，漏电极包括石墨烯层。

在一个实施方案中，源电极包括石墨烯层，并且漏电极包括石墨烯层。

在一个实施方案中，晶体管还包括覆盖源电极的封装层。在一个实施方案中，封装层具有1nm至100nm，例如20nm至50nm的厚度。

在另一实施方案中，晶体管还包括覆盖漏电极的封装层。在一个实施方案中，封装层具有1nm至100nm，例如20nm至50nm的厚度。在一个实施方案中，封装层包含BN。

通过对源电极和/或漏电极进行封装，使电极不易受到其环境的影响。当电极包括石墨烯层时，这特别重要，因为其可以导致电极具有提高的电荷载流子迁移率μ。因此，石墨烯电极的电荷载流子迁移率μ优选地在室温下（例如，20℃）可以为约100,000cm²V^-1s^-1或更大。在一个实施方案中，封装层包含BN。

对于绝缘阻挡层，六方氮化硼是适合的材料，这是因为其对石墨烯电极可以起到原子级平滑和惰性基底的作用。使用六方氮化硼尤其可以导致石墨烯异质结构表现出1μm距离的室温弹道传输和即使在室温下也为高的电荷载流子迁移率μ。

在一个实施方案中，漏电极/源电极和绝缘阻挡层全部彼此直接相邻，即，其间没有层。

优选地，源电极/漏电极的石墨烯层为单个石墨烯片，即，其优选为一个原子厚。然而，石墨烯层还可以包括多个石墨烯片。例如，石墨烯层可以包括两个石墨烯片（所谓的“双层石墨烯”），或者甚至三个石墨烯片（所谓的“三层石墨烯”）。超过三个石墨烯片，石墨烯层的电性能在一些情况下可能变得不太有用。在某种程度上，这取决于晶体管中存在的其它材料。因此，在一个实施方案中，石墨烯层优选地包括不超过三个石墨烯片。

优选地，例如通过移除层的一部分（例如，通过蚀刻，诸如通过电子束光刻和氧等离子蚀刻）来使源电极/漏电极的石墨烯层成形以形成结构。该结构可以包括用于使该结构与外部器件连接的一个或更多个接触区域。

源电极层/漏电极层的石墨烯层可以包括一个或更多个触点，例如，金属触点，例如，以使石墨烯层与外部电子器件连接。一个或更多个触点中的每个触点可以位于包括在石墨烯层中形成的结构中的一个或更多个相应的接触区域上。

本发明的晶体管还可以包括基底，源电极（或经封装的源电极）位于基底上。优选地，源电极（或经封装的源电极）与基底直接相邻，即，在源电极与基底之间没有层。优选地，基底包括晶片，优选为经氧化的晶片，例如，使得基底具有约等于50nm与500nm之间，例如80nm与400nm之间的厚度的SiO₂。

附图说明

现在将通过下图示出本发明，其中：

图1（a）是多层样品的器件示意图。

图1（b）是多层样品的光学图像。

图1（c）示出了不同间隔厚度的量子电容（圆圈）和模拟（实线）的实验结果。

图2（a）示出了对称情况下作为层间电压（实线）（V_int）的函数的拖曳。

图2（b）示出了非对称情况下的拖曳电阻（R_drag）。

图2（c）示出了作为背栅电压的函数的R_drag。

图3示出了不同V_int下拖曳电阻的温度相关性。

图3（插图）示出了三个不同温度下的R_drag（V_int）。

图4示出了对数坐标下的R_drag（n）。

图5（a）至（d）示出了根据本发明的晶体管的操作。

图6A示出了使用石墨烯作为隧穿电极的Gr_B层和Gr_T层的作为V_g的函数的平面电阻率ρ的性能。

图7示出了具有作为隧穿势垒的6±1个hBN层的石墨烯-hBN器件的隧穿特性。

图8示出了本发明的第二方面的晶体管的一个实施方案的结构。

图9示出了根据本发明的第二方面的hBN-石墨烯-hBN-石墨烯-hBN器件。

图10示出了根据本发明的第二方面的晶体管的两个石墨烯电极中的作为栅极电压的函数的电荷载流子浓度的非线性相关性。

图11示出了根据本发明的第二方面的两个不同的4-hBN-层器件在零栅极电压下的隧穿I-V特性和其与理论的对比。

图12示出了根据本发明的第二方面的另一hBN-石墨烯-hBN-石墨烯-hBN场效应器件，以及

图13示出了根据本发明的第二方面的石墨烯MoS₂器件的I-V特性。

具体实施方案

实验1：非弱相互作用双层BN-石墨烯异质结构中的库伦拖曳

制造多层氮化硼/石墨烯异质结构。所开发的技术使得能够将石墨烯封装在两个六方BN晶体之间，同时保持载流子迁移率高达10m²/Vs。示出了对两个间隔紧密、独立接触的石墨烯层的传输研究的结果。由于小的层间分离，所以库伦拖曳表现出超过之前研究的弱相互作用区域范围的非同寻常的性能。

对有源传输经过数年研究之后，关于石墨烯中的电子-电子相互作用仍然知之甚少。由于其对薄片电阻的作用很小，所以常规晶体管结构中的电子-电子相互作用的直接测量需要复杂的分析。两个间隔紧密的石墨烯薄片的传输特性的观察结果可以阐明包括例如激子凝聚的各种新的相互作用的现象。因为拖曳是由两个二维电子气（“2DEG”）的电子密度波动之间的散射造成的，所以电子拖曳是探测层内密度激子和层间电子-电子相互作用的非常有用的工具。

在本实验中，对关于高质量BN/石墨烯异质结构进行报道，并且研究了它们的传输特性。探究了本发明的样品中的拖曳效应。本发明使得能够将两个石墨烯层布置成比可比较的GaAs/AlGaAs异质结构的情况更紧密一个数量级；这些石墨烯层被仅几纳米厚的BN晶体隔开，同时保持漏电流微乎其微。这使得本发明通过在两个层之间施加电压能够达到高达2·10¹²的载流子浓度。因此，与主要影响底层的常规Si背栅结合，可以独立控制顶层浓度（n_t）和底层浓度（n_b）。由于石墨烯层仅与化学惰性的和原子级平坦的六方氮化硼片接触，所以本技术的另一优势为本发明的样品在高至室温下的高迁移率。

样品制造起始于使用标准的机械剥离技术[PNAS]在Si/SiO₂晶片的顶部上沉积BN晶体。接着本发明挑选干净和均匀的BN薄片，然后将大的石墨烯晶体转移至BN薄片的顶部上。在使用氧等离子蚀刻将该石墨烯薄片成形为霍尔棒之后，再次将几个层厚的BN间隔物转移至石墨烯薄片的顶部上。使间隔物对准为使其仅覆盖霍尔棒结构，而不覆盖石墨烯“引线”（参见图4（a））。最后，转移顶部石墨烯层，接着进行标准的触点沉积。因为底部薄片的部分仍是开放的，所以可以在一个电子束光刻运行中将触点做到两个层上。还可以通过细致的蚀刻来使顶层成形，接着使底层的台面结构成形。在每个转移阶段之前通过在Ar/H₂中、300℃下退火数小时以清洁表面。

图1（a）是多层样品的器件示意图。图1（a）中描绘的层顺序如下：厚的BN下层（蓝色）、底部石墨烯（灰色）、薄的BN间隔物（红色）以及顶部石墨烯层（深灰色）。

图1（b）是多层样品的光学图像。红线表示BN间隔物的边缘。虽然在这些条件下BN上的石墨烯的对比度消失，但是由于BN下层被部分蚀刻，使得可以看见底部霍尔棒。标尺为5μm。

图1（c）示出了不同间隔物厚度下的量子电容（圆圈）和模拟（实线）的实验结果。

转移过程涉及在Si/PMGI/PMMA堆叠体的顶部上进行标准的薄片沉积，接着通过在弱碱溶液中蚀刻掉PMGI脱模层来剥离PMMA膜。在该过程期间，具有薄片的顶部PMMA表面保持干燥。然后将该膜拾取到支撑物（金属环）上，对准并面朝下放置在目标基底上。使用精度为约2μm的光学掩模校准器来进行对准。在转移之后，将PMMA载体膜溶解在丙酮中。对经转移的薄片进行退火经常伴随着形成有机物质和气体物质的微小泡，因此进行光刻以使霍尔棒置于在这样的泡之间。

本发明已经研究了具有不同间隔物厚度（d）（2nm、2.8nm、3.6nm）的三种样品。虽然样品显示了非常相似的性能，但是为了在没有明显泄露的情况下获得较高的载流子浓度，本文中示出的大多数结果已经在较厚的器件上测量过。对于最厚的器件，穿过BN夹层的泄露小偏压下无法检测到（＞1GΩ），并且在0.6V下漏电流指数上升至约1nA。对器件表面的AFM研究确定各层为平坦的，并且均匀间隔，RMS粗糙度低于。每个结构与底层具有10个触点，并且与顶部具有至少6个触点。底层的载流子迁移率（最高为15m²V^-1s^-1）优于顶部的载流子迁移率（2.5m²V^-1s^-1至5m²V^-1s^-1）。

层间间隔物的良好质量使得本发明能够在石墨烯层之间使用电压V_int以控制电荷密度。与主要影响底层的背栅一起，可以实现顶层浓度（n_t）和底层浓度（n_b）的不同组合。然而，载流子密度不再是电压V_int的线性函数。

为了对此进行探索，本发明已经研究了本发明的器件的电容（图1（c））。

这已经通过根据霍尔效应测量电荷载流子浓度n（V_inter）来完成：n=eB/R_H（其中，B为磁场，R_H为霍尔电阻）。然后通过微分：C＝edndV_inter获得电容（每单位面积）。只要在石墨烯片中存在一种类型的载流子（即，不太接近NP），该方法就是有效的。图4（c）中显示的结果表明对于带有金属板的电容器，C并不是如预期那样的恒定。偏差是由源于石墨烯中低电荷载流子浓度和作为串联电容操作的量子电容C_q所导致的。在T=0并且忽略无序性的情况下，其中费米速度v_F=1.1·10⁶m/c。总电容C＝(2/C_q+d/εε₀)^-1，其中ε=4.8为BN的介电常数，而系数2是因为本发明具有两个由石墨烯制成的板的事实。使用厚度作为唯一的拟合参数，本发明活动d为约4nm，其与AFM测量的结果一致。

此处，ε=4.8为AC值，其中V_F取作1.1×10⁶。

因为2DEG很接近，所以在每层电子密度波动之间的散射事件中出现动量转移。驱动电流I_a在多个层（有源）之一中流通导致在其它层（无源）中产生拖曳电流。在两个层具有相同的载流子类型（n-n，p-p）的情况下，这两种电流具有相同的方向，并且在n-p（p-n）结构的情况下，电流的方向相反。因此，开路结构中的拖曳电阻R_drag=V_p/I_a在n-n（p-p）情况下为负，在p-n（n-p）情况下为正，并且如果多个层之一具有零平均浓度则拖曳电阻为零。

由于在本发明的器件中观测到可以忽略的固有掺杂（估计），所以对于两个层而言零栅极电压导致E_F=0。然后，向顶层施加恒定电压V_int（底层接地），产生符号相反的相等电荷密度n=n_t=-n_b。对于拖曳测量而言，底层用作有源层，并且顶层用作无源层，但是有源层与无源层互换并不显著改变拖曳电阻（5%以内）。如所预期的，测量的拖曳电阻不依赖于驱动电流（在20K以上最高至0.5μA），并且在AC/DC两者的设置中相同。

图2（a）示出了对称情况下n=n_t=-n_b的作为层间电压的函数的拖曳（实线）。虚线示出了B=0.5T下，顶层的R_xy（相同的V_int标度，垂直标度未示出）。水平点线表示R_xy=0。曲线图分别示出了底层和顶层的费米能级。T=124K。

图2（b）示出了非对称情况下的拖曳电阻：在相同的载流子类型的两层中为负（黑色曲线-空穴，红色曲线-电子），并且对于p-n（n-p）结构为正。曲线图涉及蓝色曲线。T=124K。

图2（c）示出了不同V_int下作为背栅电压的函数的R_drag。T=110K。曲线图涉及黑色曲线。

图2（a）示出了当V_back=0（即，n=n_t=-n_b）时，所测量的作为层间电压V_int的函数的R_drag。在电子中性（EN）点V_int=0时，空间不均匀性将石墨烯裂解为随机热弥散电子-空穴坑系统，并且平均R_drag接近于零。随着弥漫（inform）浓度大量增加，R_drag急剧上升，达到了最大值，然后由于屏蔽引起的层间相互作用的弱化而下降。

为了评估在V_int中非均匀区域有多大，本发明测量了顶层的R_xy，其中迁移率较低（图2（a）中的虚线）。R_xy的最大值和最小值对应于从均匀浓度区域（当R_xy应减小为1/n时）至非均匀区域（由于温度有限并且潜在无序，所以存在两种类型的载流子）的交叉。其位置（在V_int=±0.05V下由垂直虚线所示）与拖曳电阻R_drag的峰值（如图中垂直虚线所示）几乎完全匹配。因此，本发明认为R_drag（V_int）的中心深度与气体在低能量下的不均匀性直接相关。

当施加有限的背栅电压V_back时，两个层具有相同类型的载流子：如图2（b）所示拖曳电阻为负。引入V_int将增加一个薄片中的浓度并且耗尽其它薄片中的浓度。最终，多个层之一的EN点将与费米能级匹配——在该点，R_drag将改变符号穿过0。这样的转变大小再次与无序性相关。因为各层中的迁移率不同，所以两种转变不是对称的。

还可以测量作为V_back的函数的拖曳电阻。图2（c）示出了对于载流子类型的不同组合的这样的测量结果：V_int=0mV、50mV、-100mV。由于部分屏蔽的原因，所以背栅电压以不同的方式影响两个层的浓度。由于其对称地限定浓度n_t，n_b并且清晰直观，所以进一步的报道将集中在与图2（a）中给出的测量结果类似的测量结果。

图3示出了不同V_int下拖曳电阻的温度相关性。实线示出了对应于幂为2的斜率。图3（插图）示出了三个不同温度下的R_drag（V_int）。

因为库伦拖曳源自层间散射过程，所以其是由散射事件中可利用的相位空间所决定的。文献中施加于石墨烯的库伦拖曳的一般理论是基于其中屏蔽的层间相互作用依赖于波矢量

和频率ω的二阶摄动理论（perturbation theory）。对于弹道区域而言，当平均自由程I>>d（这无疑是本发明实验条件的情况）时，拖曳电阻率可以估计为：

${\mathrm{\ρ}}_D\∝{\left(\frac{k_{B}T}{E_F}\right)}^2\underset{\stackrel{\→}{q}}{\mathrm{\Σ}}{\left|U_{12}(\stackrel{\→}{q},0)\right|}^2---\left(1\right)$

图3的插图示出了实验T与拖曳效应的相关性：R_drag随着温度降低而减小，在T为约30K下进入介观区域。在图3中在对数坐标下示出对于不同值的层间电压所提取的R_drag（T）。在实验精度范围内曲线为线性，其中在高浓度下斜率γ接近2。

认为，平方差相关性可以源于例如辅助拖曳机制。存在两种可能的附加拖曳机制：虚声子和等离子体拖曳增强。另一可能的原因是由于C（T）或k_BT所引起的载流子浓度的变化。

现在本发明讨论在T²下的系数的浓度相关性。对于相同的石墨烯层的情况，屏蔽的层间相互作用可以从以下一般表达式中获得：

$U_{12}=(\stackrel{\→}{q},\mathrm{\ω})=\frac{v_c\left(q\right)}{2[v_c\left(q\right)\mathrm{\Π}(q,\mathrm{\ω}){]}^2\sinh \left(\mathrm{qd}\right)+1[1+{2v}_c\left(q\right)\mathrm{\Π}(q,\mathrm{\ω})]\exp \left(\mathrm{qd}\right)}---\left(2\right)$

其中，石墨烯的极化函数П（q,ω）可以取自文献，并且裸库伦相互作用的傅里叶分量ν_c(q)应从本发明的几何构型的静电问题的解决方法中获得。对于具有介电常数分布的三域介质：

$\mathrm{\&epsiv;}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&epsiv;}}_1,& z>d\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_2,& d>z>0\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_3,& z<0\end{array}\right.$

其具有

$v_c\left(q\right)=\frac{{8\mathrm{\&pi;e}}^2{\mathrm{\&epsiv;}}_2\exp \left(\mathrm{qd}\right)}{q[({\mathrm{\&epsiv;}}_2+{\mathrm{\&epsiv;}}_1)({\mathrm{\&epsiv;}}_2+{\mathrm{\&epsiv;}}_3)\exp \left(2\mathrm{qd}\right)-({\mathrm{\&epsiv;}}_2-{\mathrm{\&epsiv;}}_1)({\mathrm{\&epsiv;}}_2-{\mathrm{\&epsiv;}}_3)]}---\left(3\right)$

之前关于石墨烯中的拖曳的理论工作描述了当层间距离远大于屏蔽电子密度波动κd>>1（其中，

为反托马斯-费米屏蔽半径，ε为介质的平均介电常数）时的弱相互作用的区域。根据石墨烯的库伦拖曳理论，拖曳电阻R_drag与T²d^-4n_t ^-3/2n_b ^-3/2成比例。

显然，本发明没有局限于理论工作。在本发明的器件的载流子浓度为2·10¹²cm^-2的情况下，参数κd接近于1，除此以外总是较低。与本发明的实验结果进行对比显示出显著的偏差为n^-3的相关性。图4示出了图2（a）的作为n的函数的在对数坐标下描绘的拖曳电阻。正如可以看到的，随着斜率增加，在高浓度下几乎达到n^-2。正n和负n（实线曲线和虚线曲线）的斜率性能再现，而不依赖于温度（不同的颜色表示不同的温度）。斜率随着参数κd增加的事实可以表明当满足κd>>1时，其最终可以达到3。

图4中以绿色实线示出了基于方程式（1）至（3）的计算结果，并且实际上与实验结果接近。注意，对于相反极限κd<<1，拖曳电阻率的浓度相关性为：

${\mathrm{\&rho;}}_D\left(n\right)\&Proportional;\frac{1}{n}\ln \frac{1}{\mathrm{\&kappa;d}}\&Proportional;\frac{1}{n}\ln \frac{1}{{\mathrm{nd}}^2}$

图4示出了对数坐标下的R_drag（n）。不同的颜色对应不同的温度，实线和虚线分别为正n和负n。紫色实线指示n^-1。本发明的计算结果以绿线表示，并且接近于n^-2。

实验2

图5示出了本发明的“概念验证”FET的结构和工作原理。

隧穿电流是态密度（DoS）和势垒参数（形状和高度）的函数。在关闭状态（即，当无栅极电压时）下，两个石墨烯层中的费米能级接近电子中性点，其中DoS非常低。从图1（b）中可以看出，当没有施加偏压时，势垒未受干扰。

在打开状态下，施加的栅极电压在两个层中感应出转移至费米能级位移的载流子。由于石墨烯中的DoS为线性的事实，所以费米能级位移非常高。这意味着有效势垒高度（从费米能级中算出）可以显著变化。这在图5（c）中示出。

迄今为止，这包含了影响隧穿电流的三个因素中的两个：（i）在提高的费米能级下较高的DoS，以及（ii）主要由线性DoS引起的较小的有效隧穿势垒。然而，存在第三个影响隧穿电流的因素：栅极电场没有完全被底部石墨烯层屏蔽的事实。该“穿透”电场在顶层中感应出电荷载流子。“穿透”电场还改变了导致较高隧穿电流的势垒自身的特性。实际上，势垒的形状因为电场穿透而改变。

总之，在打开状态电流中存在三种作用：较高的DoS、较小的有效势垒（两个都是由于E_f（即，石墨烯的线性DoS）的快速变化）、以及势垒形状的变化。势垒形状的变化是由于电场穿透——该作用的大小很大程度上取决于制造中间绝缘层（也被称为间隔层或夹层）的材料。

对于电子其在图5A、图5B、图5C以及图5D中示出。因此，图5示出了石墨烯场效应隧穿晶体管。（A）本发明的实验器件的示意性结构。在FET的最基本方案中，仅有一个石墨烯电极（Gr_B）是必需的，并且外部电极可以由金属制成。（B）没有施加栅极电压的相应能带结构。（C）对于限定的栅极电压V_g和零偏压V_b的相同的能带结构。（D）V_g和V_b两者都是限定的。锥形示出了石墨烯的类似狄拉克谱，并且简单起见，本发明考虑了电子的隧穿势垒。

然而，因为石墨烯频谱是对称的，所以晶体管可以用电子或空穴两者工作。也就是说，应注意的是，因为势垒不是对称的，所以当夹层使用不同材料时，存在优选的极性。用另一导体替代顶部石墨烯电极将造成进一步的不对称，所以可以使用材料的不同组合（对于中间层和顶部电极）以增强或调整切换比率。因此，对于中间层和顶部电极可以选择适合的材料以控制切换比率。例如，本发明通过使用材料如二硫化钼作为夹层已经能够实现约为10000的非常高的切换比率。高切换比率是因为较低石墨烯片中的载流子数量由于其低的线性态密度而填充的非常快。

为便于描述，源电极和漏电极都是由多端子霍尔棒几何结构的石墨烯层制造。这使得本发明不仅能够测量隧穿电流-电压曲线（I-V），还能够测量石墨烯电极的性能，由此提供关于晶体管运行的附加信息。隧穿势垒为六方氮化硼（hBN），并且将芯石墨烯-hBN-石墨烯结构封装在hBN中以使石墨烯电极具有较高质量。整个三明治放置在起栅电极作用的经氧化的Si晶片的顶部上（图1A、B）。

如图1C示意性所示，当在Si基底与底部石墨烯层（Gr_B）之间施加栅极电压V_g时，由于单层石墨烯的弱屏蔽，所以底部电极和顶部电极两者中的载流子浓度n_B和n_T增加。石墨烯层中的费米能级E_F增加导致主要在该能级下的电子隧穿的Δ减少。此外，如该图所示，因为穿透Gr_B的电场改变势垒的形状，所以有效高度还相对于NP降低。此外，隧穿DoS随着E_F远离NP而增加导致隧穿电流I增加。根据参数，上述三个作用的任意一个都可以控制I随着V_g变化而变化。

本发明强调在该器件架构中使用石墨烯很重要是因为这利用了石墨烯的低DoS——对于给定的V_g的变化，与具有抛物型分散性的常规二维电子气相比，其导致E_F增加更大[比较S.Luryi,QUANTUM Capacitancedevices.App.Phys.Lett.52,501-503(1988)]。这转化为Δ和隧穿DoS两者的更大的变化。

为了制造图5A所示的器件，本发明首先使用标准的解理技术在经氧化的Si晶片（300nm的SiO₂）的顶部上制备相对厚的hBN晶体（K.S.Novoselov et al.,Two-dimensional atomic crystals.Proc.Natl.Acad.SciUSA102,10451-10453（2005））。该晶体用作高质量的原子级平坦的基底。然后使用干法转移步骤将单层石墨烯（Gr_B）转移至所选择的hBN晶体（20nm至50nm厚）上（C.R.Dean et al.,Boron nitride substrates forhigh-quality graphene electronics.Nature Nano5,722-726(2010)）。在沉积金属触点（5nm Ti/50nm Au）并且蚀刻以形成多端子霍尔棒台面之后，在350℃下在合成气体中对该结构进行退火。使用光学鉴定和拉曼鉴定来识别几个原子厚的hBN晶体，然后通过使用相同步骤将其转移至Gr_B的顶部上。

该hBN层用作隧穿势垒。重复进行定位、退火以及界定霍尔棒的整个过程以制造第二（顶部）石墨烯电极（Gr_T）。最终，厚hBN晶体将整个多层结构封装（图5A；图S1）。本发明对厚度d为1至30个hBN层的隧穿势垒的器件进行测试。为了示出隧穿FET的基本原理，本发明关注从具有由4至7层制成的隧穿势垒的四个器件中所获得的数据，并且讨论对于其它d所观测到的变化。

图6示出了作为隧穿电极的石墨烯。（A）作为V_g的函数的源极石墨烯层与漏极石墨烯层的电阻。（B-D）由栅极电压感应的两个层中的载流子浓度，其根据所测量的霍尔电阻率ρ_xy，通过使用标准表达式n=B/eρ_xy（其中B为磁场，e为电子电荷）计算出。因为上述表达式在电子-空穴坑（electron-hole puddle）的不均匀区域中无效，所以在接近NP处出现了尖峰（点线曲线所示）。所示器件具有4层hBN势垒。

图2A示出了作为V_g的函数的Gr_B层和Gr_T层的平面电阻率ρ的性能。曲线表示对于封装的石墨烯几乎没有多少剩余掺杂（对于Gr_B和Gr_T分别为≈0和＜10¹¹cm^-2）。在两个层中，ρ强烈依赖于V_g表明Gr_B没有屏蔽掉由Si-栅电极感应的电场。屏蔽效率可以由霍尔效应测量值来量化（图6B至图6D）。它们表明在低浓度下栅极在两个层中感应出大约相同数量的电荷；也就是说，如果n_B小，则几乎没有屏蔽。随着Gr_B中的浓度增加，n_B（V_g）和n_T（V_g）的相关性分别变得超线性和次线性（图6B和图6C）。这是因为导致经栅极感应的电场的部分越来越大的n_B的增加被Gr_B屏蔽掉了。因此，在底部石墨烯电极中聚积有较多的电子，而较少电子到达顶部电极。如所期望的，两个层中聚积的全部电荷在V_g中为线性（图6D）。本发明可以对所观测到的关于包括石墨烯层的量子电容的对应时序电路的两个石墨烯层之间的电荷的重新分布进行描述（图S2）。注意，对于抛物线型能带，n_B与n_T之间的比率与V_g无关，因此，即使为极限零n_B，穿透进隧穿势垒的电场仍将明显减小。

图7示出了具有作为隧穿势垒的6±1个hBN层的石墨烯-hBN器件的隧穿特性。（A）不同V_g的I-V（10V的步进）。注意，由于有限掺杂，所以在V_g≈3V时实现了最小的隧穿电导率。插图对在V_g=5V下的实验性I-V（红色曲线）与考虑两个石墨烯层中的线性DoS并且假设没有动量守恒的理论（黑色曲线）进行比较。在补充材料（18）中可以发现实验性曲线和其拟合的其它实例。（B）作为V_g的函数的零偏压电导率。符号为实验性数据，并且实线曲线为本发明的模型。曲线因为残留的化学掺杂而相对于零V_g有稍许偏移。在所有的计算中，本发明假设空穴隧穿的m=0.5m₀，Δ≈1.5eV（29,30），并且使用作为通过原子力显微镜所测量的d。对每一隧穿区域的I和σ两者进行标准化，对于所研究的器件隧穿区域通常为10μm²至100μm²。温度：240K。

在Gr_B与Gr_T之间施加的偏置电压V_b引起隧穿电流穿过与器件面积成比例的薄的hBN势垒。图7示出了本发明的器件之一在不同V_g下的I-V特性。首先，本发明考虑零V_g的情况。在低V_b下，偏压中的I为线性，以对于该hBN厚度产生ρ^T=V_b/I≈100GΩ·μm²的隧穿电阻率。在较高的电压下（V_b超过约0.1V），I增长较快。可以通过假设失配石墨烯-hBN界面处的能量守恒但动量不守恒的标准量子隧穿公式来描述I-V曲线（图7A中的插图，图S3）（J.G.Simmons,Generalized formula for the electrictunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film.J.App.Phys34,1793-1803(1963)）。

如下所示，本发明可以通过实验区分电子隧穿与空穴隧穿之间，并且发现隧穿是由空穴所引起的。这符合对于石墨烯-hBN界面的最近的理论，该理论表明石墨烯中的狄拉克点与hBN的价带的顶部之间有≈1.5eV的间隔，然而远离狄拉克点的导电能带＞4eV。这与本发明的数据Δ=1.5eV产生隧穿质量m≈0.5m₀（m₀为自由电子质量）（其与hBN中的空穴的有效质量一致）保持一致。此外，本发明的分析表明I主要因隧穿DoS的变化而变化，然而，隧穿概率随着所施加的偏压而变化是显著的，但是次要的影响。这是因为对于本发明的具有相对低的ρ^T的原子级薄的势垒而言，本发明不使Δ[E_F（V_b）]的变化处于具有指数级灵敏度的区域内。

为了示出晶体管的操作，图7A描绘了栅极电压对I的影响。V_g显著增强了隧穿电流，并且在低偏压下变化最强。对于所有最高为±50V（由本发明的SiO₂栅极电介质在通常≈60V下的电击穿所设定的界限）的栅极电压而言，场效应反而是渐变的。为了对该性能进行量化，图7B描绘了作为V_g的函数的低偏压隧穿电导率σ^T=I/V_b。V_g的影响明显不对称：对于负V_g（空穴）σ^T的变化因子为≈20，而对于正V_g（电子）σ^T的变化因子为6。本发明在其它器件中观测到空穴隧穿的变化最高为≈50，并且总是相同的不对称（图S4）。另外，如对于Δ>>热能所预期的，器件的I-V曲线在室温与液氦温度之间几乎没有变化。

为了分析所观测到的σ^T（V_g）的性能，本发明通过使用关系式σ^T∝DoS_B(V_g)×DoS_T(V_g)×T(V_g)（其中，指数指两个石墨烯层，并且T（V_g）为穿过hBN势垒的传输系数）来模拟零偏压电导率。图7B中示出的结果曲线有条理地使用上面给出的相同的隧穿参数m和Δ来定性地解释所测量数据的主要特性。在V_g接近零时，对应于接近NP状态的隧穿，两个石墨烯层中的隧穿DoS由于残留的掺杂、无序性以及温度而很小但非零。因此，施加任一极性的栅极电压导致较高的DoS和较高的σ^T。因此，对于图7B中的两种极性，σ^T（V_g）逐渐增加是由于DoS增加。然而，V_g还影响传输系数。由于E_F随着V_g的变化而偏移，所以有效势垒高度Δ对于一种符号的电荷载流子降低，而对于另一种符号的电荷载流子增加（图5B）。这解释了图7B中的实验性σ^T（V_g）和经计算的σ^T（V_g）两者的不对称性：其是因为T（V_g）的变化。这清楚地表明对于本发明的器件，V_g对T（V_g）的影响相对弱（非指数）并且可与由于隧穿DoS的变化而产生的影响相比。不对称的符号表示空穴的hBN势垒高度低于电子的hBN势垒高度，其与石墨烯-hBN能带结构的计算一致。另外，还可以理解为：在高掺杂下隧穿DoS和E_F逐渐增加的越大，在高偏压下I对V_g的相关性就越弱（V_b=0.5V对应n_B≈10¹³cm^-2）。

本发明的结果和分析表明通过使用较高的V_g或用较大的d制造器件可以实现较高的开关比率，使得隧穿按指数规律的取决于偏压，并且是被势垒高度而不是DoS控制。电介质在约1V/nm下的电子击穿（对于本发明的SiO₂厚度，V_g≈300V）限制了使用较高V_g的途径。通过对图8B中所示的分析外推至这样的电压，本发明发现如果使用最高质量的SiO₂，则对于本发明的4层至7层器件而言，开关比率＞4是有可能的。然而，仍然不切实际地需要大的V_g以进入该区域，其中，E_F变为可与Δ相比，并且σ^T（V_g）按指数规律快速变化。因此，本发明已经尝试了替代选项并且研究了具有较薄hBN势垒和较厚hBN势垒两者的器件。

对于1至3个hBN层而言，本发明发现零偏压σ^T随着层数量减少而按指数规律增加，符合量子隧穿，并且如对于较大的导电区域所预期的，本发明观测到V_g对I的影响较弱。另一方面，较厚的hBN势垒易于电子击穿。然而，对于具有d≈6nm至9nm的少数器件而言，本发明能够测量未击穿的隧穿电流。在数伏偏压下出现显著的电流（＞10pA），并且电流随着V_b按指数规律增加。使用上面所使用的相同的空穴-隧穿参数可以对较厚器件的I-V特性进行拟合，由此以表示是量子隧穿而不是电子击穿的开始。遗憾的是，由V_g感应的隧穿电流没有显著变化（超过50%）。对栅极电压的这种不灵敏性仍有待了解，但可能是由于屏蔽栅极影响的电荷捕获造成的。

实现隧穿电流对栅极电压的指数相关性的替代方法是使用具有较小Δ的势垒电介质，该Δ可与在石墨烯中可实现的典型E_F相比。这样的候选材料之一为MoS₂，其具有约1.3eV的带隙并且可以以类似于hBN和石墨烯的单层状态或几层状态获得。本发明的第一hBN-石墨烯-MoS₂-石墨烯-hBN器件示出了接近10,000的开关比率，其对于一些类型的逻辑电路是足够的。

图8示出了根据本发明的一个实施方案的石墨烯垂直FET的结构。在图8中，各个组成层确定如下：GC=栅极导体，GI=栅极绝缘体，UL=下层材料，Gr1=石墨烯层，IN=中间绝缘层（也被称为间隔层或夹层），以及TE=顶部电极。如果需要，该结构还可以包括顶部保护层（图8中未示出）。

基于垂直石墨烯异质结构的场效应隧穿晶体管

实验1：实验结构

本发明的器件包括两个其间具有薄的hBN层并且放置在彼此顶部上的石墨烯霍尔棒。图9示出了所研究器件之一。图9A中的绿松石色区域是在经氧化的Si晶片的顶部上的厚hBN晶体（棕紫色）。hBN层起到基底的作用以确保底部石墨烯电极的质量。实际的石墨烯-hBN-石墨烯-hBN三明治高度透明并且在光学显微镜中所拍摄的图像上实际是看不见的（图9A）。然而，人们可以分辨出中心区域中Au引线之间的台面结构。图9B中示出了多层霍尔棒几何结构。这是相同器件的电子显微像，但是是在沉积Au触点之前。对于最后一轮电子束光刻而言，在设计阶段使用了多个层的彩色图像。Au引线（稍后被沉积）以紫罗兰色示出，并且两个石墨烯台面以橙色和绿色示出。可以看到用作隧穿势垒的hBN晶体为不规则形状的浅灰色补丁。通过使用原子力显微镜、拉曼显微镜以及光学对比来确定其厚度。

图9示出了根据本发明的hBN-石墨烯-hBN-石墨烯-hBN器件。（A）最终器件的光学图像。（B）相同器件在蒸镀Au引线之前的最终设计阶段的电子显微图像。由石墨烯制成的两个10端子霍尔棒以绿色和橙色示出。空间标尺由霍尔棒的宽度（对于该器件为2μm）来给出。制造需要对石墨烯和hBN晶体进行四次干燥转移与对准、4轮非连续的电子束光刻、3轮等离子蚀刻以及两次单独的金属沉积。

实施例2：穿过石墨烯电极的电场穿透

考虑上述图5A所示的几何结构。Si与底部石墨烯电极之间（间隔距离为D）的外部电场为F_g=V_g/D（SiO₂和hBN两者的介电常数类似，并且简便起见，本发明假设它们两者都等于ε）。Gr_B与Gr_T之间的电场F_b与石墨烯板中感应的载流子密度n_T和n_B的关系由如下方程式表示：

ε(F_b–F_g)=4πn_Be

-εF_b=4πn_Te

两个石墨烯电极之间的偏置电压V_b给出为：

eV_b=eF_bd-μ(nT)+μ(nB)

其中，d为hBN厚度，并且μ（n）为相应石墨烯层中的化学势。简便起见，本发明假设石墨烯电极为未化学掺杂，并且因此，在不存在施加电压的情况下，n_T=n_B=0。

考虑电子-空穴对称μ（-n）=-μ（n），本发明获得下列方程式：

$\frac{4\mathrm{\&pi;}{e}^{2}d}{\mathrm{\&epsiv;}}{n}_T+\mathrm{\&mu;}\left(n_T\right)+\mathrm{\&mu;}(n_T+\frac{{\mathrm{\&epsiv;F}}_g}{4\mathrm{\&pi;e}})+{\mathrm{eV}}_b=0$

其使得本发明对于给出的V_g能够确定由Gr_T中的场效应所感应的n_T。对于常规二维（2D）电子气而言，μ（n）∝n，并且方程式（S1）中的第一项（其描述了隧穿势垒的标准电容）对于大于原子间距离的任何实际的d是主要的。在具有低DoS和类似狄拉克谱的石墨烯中，这导致可以从量子电容方面来描述的定性上不同性能。

使用上述表达式以找到作为偏压V_b和栅极电压V_g的函数的n_T和n_B，然后使用结果以模拟I-V特性（参见上面图7中的理论曲线）。为了示出实验与理论之间在确定n_T和n_B的中间阶段时的一致性，图10示出了如图2B、图2C中的顶部石墨烯层和底部石墨烯层中的载流子浓度n（V_g）的相同实验性数据，并且将其与根据求解方程式（S1）预期得到的性能进行比较。

图10示出了两个石墨烯电极中作为栅极电压的函数的电荷载流子浓度的非线性相关性。符号为实验性数据（红色符号为底部石墨烯层，蓝色符号为顶部石墨烯层）。对应颜色的实线曲线为本发明的模型。未使用拟合参数。

实施例3：本发明的器件操作的模型

对于隧穿结的I-V曲线一般描述为如下表达式：

I(V)∝∫dEDoS_B(E)DoS_T(E-eV)T(E)[f(E-eV)-f(E)]    （S2）

其中，f（E）为费米分布函数。在低温下，费米函数间的差异将相关能量E积分限制为μ＜E＜μ+eV，其中，μ为化学势，并且具体而言，本发明考虑eV＞0的情况。上述公式假设不存在平面动量守恒，这最可能为实际的石墨烯-hBN界面的情况。在界面处存在数个可能的弹性散射机制，并且特别地，由于晶格失配，造成质量项不可避免的波动。注意，如果平面动量守恒，则在两个2D系统之间禁止弹性隧穿。

如果每一沟道的隧穿电导比量子电导e²/h（如在本发明的情况中）小的多，则传输概率T按指数规律变小，并且主要依赖于隧穿电子的能量E：

T(E)＝A(E)exp[-W(E)]    （S3）

其中，A为取决于界面处的波形-函数匹配细节的光滑函数。在本发明的模型中，本发明假设A=常量。

现在让本发明讨论W（E）的一些函数形式。对于各向同性势垒的情况而言，本发明需要对势垒材料的每个能带求解色散方程E＝ε_n(k_x,k_y,k_z)，其中E为电子隧穿沿着z方向的能量。在能隙内部，对于k_z没有可行的解决方案，而对于给出的E和随机k_x和k_y，控制隧穿概率的最小Imk_z给出为：

W(E)＝2dImk_z

对于抛物型能带的情况，

其中Δ为势垒高度（在本发明的情况中，为与价带的距离），并且m为有效质量。

在分层晶体的情况中，其能带结构可以最简单的近似描述为：

ε(k_x,k_y,k_z)＝τ(k_z)+ε₁(k_x,k_y)    （S4）其中，τ(k_z)=2t⊥cos(k_zl)；t⊥描述层间耦合，并且I为层间距离（对于hBN的情况，

）。通过求解对应的隧穿方程式，本发明发现带隙中的kz为：

$k_z=\frac{i}{l}\ln \left(\right|\frac{E-{\mathrm{\&epsiv;}}_1}{{2t}_{\&perp;}}|+\sqrt{{\left(\frac{E-{\mathrm{\&epsiv;}}_1}{{2t}_{\&perp;}}\right)}^2-1})$

价带顶部对应于E_max＝maxε₁(k_x,k_y)+2t_⊥（确切地说，本发明选择t_⊥＞0），并且隧穿波矢量的最优值为：

$\mathrm{Im}{k}_z=\frac{1}{l}\ln ((\frac{\mathrm{\&Delta;}}{{2t}_{\&perp;}}+1)+\sqrt{{(\frac{\mathrm{\&Delta;}}{{2t}_{\&perp;}}+1)}^2-1})---\left(S5\right)$

其中，Δ=E-E_max。如果Δ>>2t_⊥，则该表达式可以简化为

并且产生隧穿概率为T∝(t_⊥/Δ)²ⁿ，其中，n=d/I为隧穿势垒中原子层的数量。在相反极限Δ＜＜2t_⊥中，本发明得到其中，

为隧穿方向的有效质量，这表明标准的各向同性模型适用于分层晶体，只要隧穿出现地不太远离带隙边缘即可。

方程式（S4）为取决于堆叠顺序的hBN的实际能带结构的简化方案。hBN晶体通常具有AA’堆叠。在允许忽略π能带和σ能带的混合的解析解的下一个近似中，本发明获得以下色散关系[S4]：

${\mathrm{\&epsiv;}}^2(k_x,k_y,k_z)=\frac{E_g^2}{4}+{\mathrm{\&tau;}}^2\left(k_z\right)+{\mathrm{\&epsiv;}}_1^2(k_x,k_y)\&PlusMinus;2\mathrm{\&tau;}\left(k_z\right){\mathrm{\&epsiv;}}_1(k_x,k_y)---\left(S6\right)$

其中，E_g为硼晶格点与氮晶格点之间的能差。在这样的情况下，本发明发现：

$\mathrm{Im}{k}_z=\frac{1}{l}\ln ((\frac{\mathrm{\&Phi;}}{{2t}_{\&perp;}}+1)+\sqrt{{(\frac{\mathrm{\&Phi;}}{{2t}_{\&perp;}}+1)}^2-1})---\left(S7\right)$

其中，方程式（S7）与方程式（S5）的差异在于的替换，其表示用于描述穿过充分分层的材料的垂直隧穿的方程式Imk_z∝ln(Δ)的一般有效性。（S5）和（S7）均非常好地符合本发明的实验数据。值得注意的是，与显示出标准平方根能量相关性的同位素晶体相比，穿过分层晶体的隧穿指数仅弱（对数）取决于E。对于Δ的小变化，该差异不重要（参见下文）。

最终，在强电场改变隧穿势垒的矩形形状的情况下（图5D），对于W上述表达式可以在WKB近似中归纳为：

$W=2\underset{0}{\overset{d}{\&Integral;}}\mathrm{dxIm}{k}_z(\mathrm{\&Delta;}\&RightArrow;\left(x\right))$

实施例4：分层势垒与各向同性势垒

在上述描述中，为简单起见，本发明已经选择忽视本发明的隧穿势垒是由充分分层的材料制成的事实。该简化使得本发明能够参考标准的隧穿理论。然而，可以由以下事实来进一步证明假设：对于本发明器件的参数，本发明已经发现对分层材料和各向同性材料所计算出的I-V特性之间没有差异，并且因此，本发明无法区分这两种情况之间的不同。

为了示出本发明的隧穿势垒的分层结构的无差别性，图11示出了两种器件的实验性I-V曲线，并且将其与对于分层情况和各向同性情况所期望的性能进行比较。可以看出除了在图11A中在低偏压下之外，没有大的差异。各个样品的在低偏压下的实验性曲线的实际形状各不相同（参见图11A和图11B），并且因此，本发明不讨论该差异。

图11示出了根据本发明的两个不同的4层hBN器件在零栅极电压下的隧穿I-V特性，以及他们与理论的比较。（A）红色实线曲线为图7的实验性数据。通过使用上部分的公式，两个虚线曲线为本发明的各向同性势垒（Δ和m如正文中）的模型和相同高度且t_⊥=0.6eV的分层势垒的模型。注意，t_⊥=0.6eV对应m=0.5m₀。（B）名义上类似的器件（为清楚起见，实验性数据由符号表示）。曲线再次为隧穿理论的分层方案和各向同性方案。拟合参数为方程式（S3）中确定I的绝对值的常量A。理论曲线的函数形式之间接近一致验证了在正文中使用常规隧穿公式有效。

本发明的器件操作的附加实施例

本发明已经研究了6个如图9所示的多端子器件，以及＞10个的附接至每个石墨烯电极的仅具有一个或两个欧姆接触的较简单的隧穿FET。后一种类型没有提供关于石墨烯电极的特性的大量信息，但是即使一个触点也足够研究其隧穿I-V特性。如上面讨论的，具有相同hBN厚度的器件已经定性地展示了类似的性能。为了示出不同样品的再现性的程度，图12描绘了在具有包括4个hBN层的隧穿势垒的另一器件中观测到的性能。人们可以看到非线性I-V特性定性地类似于上述特性，并且其对栅极电压的响应也类似。

图12示出了根据本发明的另一hBN-石墨烯-hBN-石墨烯-hBN场效应器件。（A）隧穿I-V和其对栅极电压的响应（5V的步进，参见正文的图7）。插图对零栅极电压下的实验性I-V（红色曲线）与考虑两个石墨烯层中的线性DoS并且假设没有动量守恒的理论（黑色曲线）进行比较。温度：300K。（B）低偏压隧穿中的变化（符号）和适合于4个hBN层的理论（实线曲线）。与关于正文中的器件的主要差异在于低栅极电压下的弱响应，其可能是由于较强的无序性和模糊栅极影响的化学掺杂造成的。电子-空穴不对称再次表明空穴隧穿为如正文中所讨论的。

对于具有4个或更多个hBN原子层的一些器件而言，本发明关注的唯一恒定差异为对于名义上相同的d变化因子可以为100的绝对值σ^T。虽然这可以归因为确定较厚hBN中的层数量时可能的误差，但是更仔细地分析器件对偏压和栅极电压的响应显示出这些变化的原因更有可能是hBN的不均匀厚度。本发明相信在一些器件中，一个或两个层可以局部消失（在亚微米尺度的碎片中），使得在这些较薄的区域中隧穿电流集中。对于几层的石墨烯晶体而言，已知石墨分解剩下的偶尔的较小厚度的带，然而可以在光学显微镜中看到缺失的石墨烯碎片，hBN没有获得所需的分辨率。

使用几层MoS₂作为势垒的垂直晶体管

增加开关比率的可能途径之一为使用具有较小Δ的材料。以这样的方式，可以可行的使用较厚的势垒但位移E_F较接近势垒边缘，其使得隧穿电流对栅极电压具有指数相关性。候选材料之一为MoS₂。其为可以分解为单层的分层半导体。其具有明显低于hBN中的带隙的≈1.3eV的间接带隙。本发明已经通过使用如上述相同的程序来开发MoS₂以制备各种石墨烯-MoS₂器件。

图13A示出了具有6层MoS₂势垒的晶体管的I-V特性。图13B描绘了具有6层MoS₂势垒的晶体管的作为栅极电压的函数的电导率在固定小偏压下的测量。相关性明显为指数型，并且在该器件中已经实现了约10,000的开关比率。需要进一步的工作以进一步提高所观测的比率，以及验证造成垂直传输经过MoS₂的机制实际上是隧穿。

图13示出了根据本发明的石墨烯MoS₂器件的I-V特性。MoS₂的厚度为6层。（A）不同曲线对应于所施加的各个栅极电压。黑色：-40V；红色：-20V；蓝色：0V；紫色：+20V；和绿色：+40V。（B）在0.2V的的偏置电压下所测量的作为栅极电压的函数的电导率。即使对于栅极电压的相对受限的范围，仍然观测到开关比率＞7×10³。

本发明得到结论本发明的隧穿器件为高速石墨烯基类似物电子器件提供了可行的途径。开关比率已经超出平面石墨烯FET在室温下所示出的开关比率10倍（例如参见，F.Schweirz,Graphene transistors.NatureNano5,487-497(2010)）。隧穿电子穿过纳米厚的势垒的渡越时间预期会非常快（几飞秒），并且超过亚微米平面FET中的电子渡越时间。还可以将隧穿FET的横向尺寸减小至集成电路所要求的10nm尺度。

此外，似乎对通过优化架构和通过使用较高质量的栅极电介质、并且特别为较低的隧穿势垒（Δ＜最大可实现的E_F）来显著增强开关比率基本没有限制。使用其它半导体（如薄的二硫化钼层）可以提供隧穿区域，其中电流对V_g按指数规律敏感。本发明认为值得进一步研究所示出器件的电子特性以探索其限制和范围，以及其应用潜力。

当在本说明书和权利要求中使用词语“包括”和“包含”以及其变型时，意在包括具体的特征、步骤或整数。该术语并不被解释为排除存在其它特征、步骤或整数。

在前面的描述中、或者在下面的权利要求中、或者在附图中公开的特征以具体形式或在用于执行所公开功能的装置或者用于获得所公开结果的方法或步骤方面所表示的特征如适用可以以单独或任意组合的方式用于以不同形式实现本发明。

虽然已经结合上述示例性实施方案对本发明进行了描述，但是在给出本公开内容的情况下，在不脱离本公开的广义的概念的条件下，大量等同修改和变型对于本领域的技术人员将是明显。因此，本专利要求保护的范围仅受所附权利要求的限制，参考说明书和附图进行解释，并不限于本文所描述的实施方案。

Claims (36)

1.一种石墨烯异质结构，具有：

第一石墨烯层；

第二石墨烯层；以及

位于所述第一石墨烯层与所述第二石墨烯层之间的间隔层。

2.根据权利要求1所述的石墨烯异质结构，其中所述间隔层是六方氮化硼。

3.根据权利要求1或2所述的石墨烯异质结构，其中所述间隔层与所述第一石墨烯层直接相邻，并且所述第二石墨烯层与所述间隔层直接相邻。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述间隔层的厚度为10nm或更小。

5.根据权利要求4所述的石墨烯异质结构，其中所述间隔层的厚度在2nm至4nm的范围内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述第一石墨烯层为单个石墨烯片，并且所述第二石墨烯层为单个石墨烯片。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的石墨烯异质结构，其中将所述第一石墨烯层和/或所述第二石墨烯层成形以形成结构。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述石墨烯异质结构能够包括一个或更多个触点，所述一个或更多个触点中的每个触点位于被包括在形成于所述第一石墨烯层中的结构中和/或形成于所述第二石墨烯层中的所述结构中的一个或更多个相应的接触区域上。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述间隔层相对于所述第一石墨烯层对准，使得所述间隔层仅覆盖所述第一石墨烯层的一部分，优选地使得被包括在形成于所述第一石墨烯层中的结构中的一个或更多个接触区域不被所述间隔层覆盖。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的石墨烯异质结构，其中所述石墨烯异质结构包括基层，所述第一石墨烯层位于所述基层上。

11.根据权利要求10所述的石墨烯异质结构，其中所述基层为六方氮化硼。

12.根据权利要求10或11所述的石墨烯异质结构，其中所述石墨烯异质结构包括基底，所述基层位于所述基底上。

13.一种制造石墨烯异质结构的方法，包括：

在第一石墨烯层上沉积间隔层；以及

在所述间隔层上沉积第二石墨烯层，使得所述间隔层位于所述第一石墨烯层与所述间隔层之间。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法包括在基层上沉积所述第一石墨烯层。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法包括在基底上沉积所述基层。

16.根据权利要求15所述的方法，其中通过剥离法在所述基底上沉积所述基层。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中使用前体结构在所述基层上沉积所述第一石墨烯层，所述前体结构包括位于载体层上的所述第一石墨烯层，所述方法包括：

在所述基层上沉积所述前体结构，所述第一石墨烯层面向所述基层；以及

接着将所述载体层从所述第一石墨烯层移除。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中使用前体结构在所述第一石墨烯层上沉积所述间隔层，所述前体结构包括位于载体层上的所述间隔层，所述方法包括：

在所述第一石墨烯层上沉积所述前体结构，其中所述间隔层面向所述第一石墨烯层；以及

接着将所述载体层从所述间隔层移除。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中使用前体结构在所述间隔层上沉积所述第二石墨烯层，所述前体结构包括位于载体层上的所述第二石墨烯层，所述方法包括：

在所述间隔层上沉积所述前体结构，其中所述第二石墨烯层面向所述间隔层；以及

接着将所述载体层从所述第二石墨烯层移除。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述方法包括在沉积所述层中的任意一个或更多个层之后，通过退火来清洁所述石墨烯异质结构。

21.一种晶体管，包括：

源电极；

漏电极；以及

与所述源电极和所述漏电极两者接触并且位于所述源电极与所述漏电极两者之间的绝缘阻挡，所述绝缘阻挡包括1至30个一种或更多种材料的层；

其中所述源电极和所述漏电极至少之一包括石墨烯层，并且另一电极包括导电材料层。

22.根据权利要求21所述的晶体管，其中所述源电极包括石墨烯层。

23.根据权利要求21所述的晶体管，其中所述漏电极包括石墨烯层。

24.根据权利要求21所述的晶体管，其中所述源电极包括石墨烯层，并且所述漏电极包括石墨烯层。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的晶体管，其中所述绝缘阻挡包含氮化硼。

26.根据权利要求21至24中任一项所述的晶体管，其中所述绝缘阻挡为半导体。

27.根据权利要求26所述的晶体管，其中所述半导体为Si、Ge、或第III-V族半导体。

28.根据权利要求27所述的晶体管，其中所述半导体为GaAs或AlGaAs。

29.根据权利要求21至24中任一项所述的晶体管，其中所述绝缘阻挡为过渡金属的硫属化物或二硫属化物。

30.根据权利要求29所述的晶体管，其中所述绝缘阻挡为MoS₂和HfO₂。

31.根据权利要求21至24中任一项所述的晶体管，其中所述绝缘阻挡由一个或更多个六方BN层和一个或更多个MoS₂层形成。

32.根据权利要求21至31中任一项所述的晶体管，其中所述晶体管还包括下层，底部电极层位于所述下层上。

33.根据权利要求21至32中任一项所述的晶体管，其中所述晶体管还包括覆盖所述源电极的封装层。

34.根据权利要求21至33中任一项所述的晶体管，其中所述晶体管还包括覆盖所述漏电极的封装层。

35.根据权利要求21至34中任一项所述的晶体管，其中所述晶体管还包括基底，所述源电极位于所述基底上。

36.根据权利要求21至34中任一项所述的晶体管，其中所述晶体管包括根据权利要求1至12中任一项所述的异质结构。

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