CN103985762B - 超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管，包括衬底以及位于衬底之上的源极和漏极，源极和漏极之间形成沟道区，沟道区从下往上依次为：石墨烯层、介质层和栅极。其制备方法包括：①形成石墨烯层；②沉积介质层；③在介质层上，通过光刻胶图形覆盖沟道区域；④腐蚀掉暴露出来的介质层；⑤刻蚀掉暴露出来的石墨烯层；⑥蒸发源漏极欧姆接触金属，形成欧姆接触金属层；⑦通过光刻胶图形覆盖所需要的源极和漏极区域；⑧形成源极和漏极；⑨形成栅极。本发明的方法实现了源漏欧姆接触金属与石墨烯的一维线接触，从而大大减小石墨烯与金属的接触电阻，从而增大最大振荡频率，有利于实现石墨烯场效应晶体管的应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域。
背景技术
理想二维晶体结构材料石墨烯具有超高的载流子迁移率（106 cm2/V·s），超高载流子饱和漂移速度（5×107 cm/s），是制备高频晶体管的理想选择。
石墨烯场效应晶体管（GFET）的截止频率f T已达到427 GHz，已经接近最好的硅基晶体管。但是最大振荡频率f max仍然较低，通常小于50 GHz， f max 代表了晶体管具有放大能力的极限，因此偏低的f max限制了GFET的实际应用，成为限制GFET发展的一个瓶颈。然而f max低的一个重要原因为高的寄生参量，而接触电阻是寄生参量的主要来源，因此降低接触电阻成为解决问题的关键。
发明内容
本发明提供一种超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管及其制备方法，实现了源漏欧姆接触金属与石墨烯的一维线接触，从而大大减小石墨烯与金属的接触电阻，从而增大最大振荡频率，有利于实现石墨烯场效应晶体管的应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管，包括衬底以及位于衬底之上的源极和漏极，源极和漏极之间形成沟道区，沟道区从下往上依次为：石墨烯层、介质层和栅极。
衬底优选为SiC、Si、SiO2、玻璃或柔性绝缘衬底。
柔性绝缘衬底优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷衬底。
优选的，介质层材质为HfO2、ZrO2、La2O3、Al2O3、TlO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、HfOxNy、ZrOxNy、La2OxNy、Al2OxNy、TiOxNy、SrTiOxNy、LaAlOxNy、Y2OxNy、硅酸盐中的一种或两种以上的混合物，其中x=0.5-3，Y=0-2；源极、漏极和栅极材质为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴、铁中的一种或两种以上组成的合金。
进一步优选的，栅极为直栅、T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅或V型栅。
本发明还提供了超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管的制备方法，包括下述步骤：
①在衬底上形成石墨烯层；
②在石墨烯层上沉积介质层；
③在介质层上，通过光刻胶图形覆盖沟道区域；
④用光刻胶图形作为掩膜，腐蚀掉暴露出来的介质层；
⑤用光刻胶图形作为掩膜，刻蚀掉暴露出来的石墨烯层；
⑥蒸发源漏极欧姆接触金属，形成欧姆接触金属层，然后剥离、去除光刻胶；
⑦通过光刻胶图形覆盖所需要的源极和漏极区域；
⑧用光刻胶图形作为掩膜，去除掉暴露出来的欧姆接触金属，形成源极和漏极；然后然后去除光刻胶图形；
⑨光刻栅，蒸发栅金属，形成栅极。
步骤①中衬底优选为SiC、Si、SiO2、玻璃或柔性绝缘衬底。
柔性绝缘衬底优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷衬底。
优选的，介质层材质为HfO2、ZrO2、La2O3、Al2O3、TlO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、HfOxNy、ZrOxNy、La2OxNy、Al2OxNy、TiOxNy、SrTiOxNy、LaAlOxNy、Y2OxNy、硅酸盐中的一种或两种以上的混合物，其中x=0.5-3，Y=0-2；所述源极、漏极和栅极的材质为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴、铁中的一种或两种以上组成的合金。
进一步优选的，栅极为直栅、T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅或V型栅。
一维线接触原理：晶体管中石墨烯的一维边界与源漏欧姆接触金属接触，可以缩短石墨烯与接触金属间的结合距离，与表面接触相比石墨烯与接触金属的电子轨道重叠大，同时还可以增加电子从欧姆接触金属进入到石墨烯的隧穿系数，从而可以极大的减小石墨烯与金属的接触电阻。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明的方法实现了源漏欧姆接触金属与石墨烯的一维线接触，从而大大减小石墨烯与金属的接触电阻，从而增大最大振荡频率，有利于实现石墨烯场效应晶体管的应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管的结构示意图；
图2是进行步骤①之后的结构示意图；
图3是进行步骤②之后的结构示意图；
图4是进行步骤③之后的结构示意图；
图5是进行步骤④之后的结构示意图；
图6是进行步骤⑤之后的结构示意图；
图7、图8是进行步骤⑥之后的结构示意图；
图9是进行步骤⑦之后的结构示意图；
图10是进行步骤⑧之后的结构示意图。
其中，1、衬底；2、石墨烯层；3、介质层；4、光刻胶图形；5、源极；6、栅极；7、漏极；8、欧姆接触金属层。
具体实施方式
实施例1
超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管，包括衬底1以及位于衬底1之上的源极5和漏极7，其特征在于：源极5和漏极7之间形成沟道区，沟道区从下往上依次为：石墨烯层2、介质层3和栅极6。
优选的技术方案为，衬底1为SiC、Si、SiO2、玻璃或柔性绝缘衬底。柔性绝缘衬底优选采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷衬底。
进一步优选的技术方案为，介质层3材质为HfO2、ZrO2、La2O3、Al2O3、TlO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、HfOxNy、ZrOxNy、La2OxNy、Al2OxNy、TiOxNy、SrTiOxNy、LaAlOxNy、Y2OxNy、硅酸盐中的一种或两种以上的混合物，其中x=0.5-3，Y=0-2；所述源极（5）、漏极（7）和栅极（6）材质为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴、铁中的一种或两种以上组成的合金。
更进一步优选的技术方案为，栅极为直栅、T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅或V型栅。
实施例2
①在衬底1上形成石墨烯层2，本实施例衬底为SiC材质，如图2所示；
②在石墨烯层2上沉积4 nm Al，并自氧化形成Al2O3，作为介质层3，如图3所示；
③在介质层3上，通过光刻胶图形4覆盖沟道区域，如图4所示；
④用光刻胶图形4作为掩膜，BOE溶液湿法腐蚀去除掉沟道区域外的暴露出来的介质层3，如图5所示；
⑤用光刻胶图形4作为掩膜，氧等离子体刻蚀沟道区域外的暴露出来的石墨烯层2，如图6所示；
⑥电子束蒸发100 nm Au作为源极、漏极欧姆接触金属，形成欧姆接触金属层8，剥离，去除光刻胶图形4，如图7、8所示；
⑦通过光刻胶图形4覆盖所需要的源极和漏极区域，如图9所示；
⑧用光刻胶图形4作为掩膜，去除掉暴露出来的欧姆接触金属，形成源极5、漏极7，然后然后去除光刻胶图形4；如图10所示；
⑨电子束光刻100 nm栅长的T型栅，蒸发Au作为栅金属，剥离，形成栅极6，如图1所示。
实施例3
①在衬底1上形成石墨烯层2，本实施例衬底为SiO2材质；石墨烯层采用撕拉法制备的单层石墨烯，如图2所示；
②在石墨烯层2上沉积2 nm Ti，并自氧化形成TiO2，作为种子层，利用ALD（原子层沉积）在种子层上沉积HfO2，形成介质层3，如图3所示；
③在介质层3上，通过光刻胶图形4覆盖沟道区域，如图4所示；
④用光刻胶图形4作为掩膜，使用HNO3与H2O2混合溶液湿法腐蚀去除掉沟道区域外的暴露出来的介质层3，如图5所示；
⑤用光刻胶图形4作为掩膜，氧等离子体刻蚀沟道区域外的暴露出来的石墨烯层2，如图6所示；
⑥电子束蒸发50 nm Pd作为源极、漏极欧姆接触金属，形成欧姆接触金属层8，剥离并去除光刻胶图形4，如图7、图8所示；
⑦通过光刻胶图形4覆盖所需要的源极和漏极区域，如图9所示；
⑧用光刻胶图形4作为掩膜，去除掉暴露出来的欧姆接触金属，形成源极5、漏极7，然后去除光刻胶图形4；如图10所示；
⑨电子束光刻100 nm栅长的直栅，蒸发Au作为栅金属，剥离，形成栅极6，如图1所示。
其他实施例：
将步骤②中所述介质层材质采用下述材质替换：HfO2、ZrO2、La2O3、Al2O3、TlO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、HfOxNy、ZrOxNy、La2OxNy、Al2OxNy、TiOxNy、SrTiOxNy、LaAlOxNy、Y2OxNy、硅酸盐中的一种或两种以上的混合物，其中x=0.5-3，Y=0-2。
将步骤⑥中欧姆接触金属采用下述材质替换：钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴、铁中的一种或两种以上组成的合金。
将步骤⑨中栅金属采用下述材质替换：钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴、铁中的一种或两种以上组成的合金；栅采用直栅、T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅或V型栅。
方法同实施例1，效果较好。详略。
Claims (10)
1.一种超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管，包括衬底（1）以及位于衬底（1）之上的源极（5）和漏极（7），其特征在于：源极（5）和漏极（7）之间形成沟道区，沟道区从下往上依次为：石墨烯层（2）、介质层（3）和栅极（6）；
所述晶体管中石墨烯的一维边界与源极（5）、漏极（7）欧姆接触金属接触。
2.根据权利要求１所述的超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管，其特征在于衬底（1）为SiC、Si、SiO2、玻璃或柔性绝缘衬底。
3.根据权利要求2所述的超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管，其特征在于柔性绝缘衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷衬底。
4.根据权利要求１所述的超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管，其特征在于所述介质层（3）材质为HfO2、ZrO2、La2O3、Al2O3、TlO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、HfOxNy、ZrOxNy、La2OxNy、Al2OxNy、TiOxNy、SrTiOxNy、LaAlOxNy、Y2OxNy、硅酸盐中的一种或两种以上的混合物，其中x=0.5-3，Y=0-2；所述源极（5）、漏极（7）和栅极（6）材质为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴、铁中的一种或两种以上组成的合金。
5.根据权利要求1所述的超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管，其特征在于所述栅极为直栅、T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅或V型栅。
6.如权利要求1所述的超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
①在衬底（1）上形成石墨烯层（2）；
②在石墨烯层（2）上沉积介质层（3）；
③在介质层（3）上，通过光刻胶图形（4）覆盖沟道区域；
④用光刻胶图形（4）作为掩膜，腐蚀掉暴露出来的介质层（3）；
⑤用光刻胶图形（4）作为掩膜，刻蚀掉暴露出来的石墨烯层（2）；
⑥蒸发源漏极欧姆接触金属，形成欧姆接触金属层（8），然后剥离、去除光刻胶；
⑦通过光刻胶图形（4）覆盖所需要的源极和漏极区域；
⑧用光刻胶图形（4）作为掩膜，去除掉暴露出来的欧姆接触金属，形成源极（5）和漏极（7）；然后去除光刻胶图形（4）；
⑨光刻栅，蒸发栅金属，形成栅极（6）。
7.根据权利要求6所述的超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管的制备方法，其特征在于步骤①中所述衬底（1）为SiC、Si、SiO2、玻璃或柔性绝缘衬底。
8.根据权利要求7所述的超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管的制备方法，其特征在于柔性绝缘衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷衬底。
9.根据权利要求6所述的超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管的制备方法，其特征在于所述介质层（3）材质为HfO2、ZrO2、La2O3、Al2O3、TlO2、SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、HfOxNy、ZrOxNy、La2OxNy、Al2OxNy、TiOxNy、SrTiOxNy、LaAlOxNy、Y2OxNy、硅酸盐中的一种或两种以上的混合物，其中x=0.5-3，Y=0-2；所述源极（5）、漏极（7）和栅极（6）的材质为钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、钛、铝、铬、锗、钼、镍、钨、铜、钴、铁中的一种或两种以上组成的合金。
10.根据权利要求6所述的超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管的制备方法，其特征在于所述栅极为直栅、T型栅、T-T型栅、U型栅、G型栅或V型栅。
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