CN104241378B - 一种双层石墨烯隧穿场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种双层石墨烯隧穿场效应晶体管，底栅介质层位于底栅电极的上方，双层石墨烯有源区位于底栅介质层的上方，金属源电极和金属漏电极分别在双层石墨烯有源区的两端，且各覆盖部分双层石墨烯有源区，金属源电极与金属漏电极选取不同材料，对于n型器件，金属源电极的功函数较大，与其接触的石墨烯呈p型掺杂，金属漏电极的功函数较小，与其接触的石墨烯呈n型掺杂；p型器件的电极与n型器件相反；顶栅介质层覆盖在金属源电极、金属漏电极与两电极之间的石墨烯上，顶栅电极位于顶栅介质层的上方，且与金属源电极和金属漏电极都交叠。该器件制备工艺简单，与传统的双层石墨烯场效应晶体管相比，此隧穿场效应晶体管的金属源电极和漏电极分别完成。
Description
技术领域
本发明属于纳电子学技术领域，具体涉及一种基于金属接触掺杂的双层石墨烯隧穿场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
随着传统MOSFET特征尺寸的减小，器件的工作电压和阈值电压逐渐降低。由于MOSFET的亚阈值斜率受热电势的限制，存在理论极限60mV/dec，无法随着器件尺寸的减小而减小，因此器件的泄漏电流随工作电压的减小而增大。另外，小尺寸器件的短沟道效应更明显，漏致势垒降低和源-漏带带隧穿会引起泄漏电流和功耗进一步增大。目前，功耗问题已经是小尺寸逻辑器件设计重点关心的方面，并导致超陡亚阈值斜率器件等相关热点领域的产生。
作为一种超陡亚阈值斜率器件，隧穿场效应晶体管(TFET)利用源-沟道结的带带隧穿机制，可以突破传统MOSFET亚阈值斜率60mV/dec的极限。TFET具有低泄漏电流，低工作电压和工艺兼容性好等优点。但TFET开态电流受制于低的隧穿几率，较小的开态电流限制了TFET的广泛应用。窄带隙沟道材料和增强的栅控有利于隧穿几率的提高，从而改善TFET开态电流。双层石墨烯是一种具有卓越电学特性的二维材料，具有理想的栅控和较窄的带隙(<300meV)。因此，利用双层石墨烯实现TFET一直是大家追求的目标。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于金属接触掺杂的双层石墨烯隧穿场效应晶体管及其制备方法。通过不同的金属与石墨烯接触分别形成源区p型掺杂和漏区n型掺杂，利用双栅结构控制器件沟道，关态时形成i区；开态时，源-沟道隧穿窗口产生，且隧穿势垒宽度减小。此器件制备方法简单。
本发明的技术方案如下：
一种双层石墨烯隧穿场效应晶体管，包括一个底栅电极1、一个底栅介质层2、一个双层石墨烯有源区5、一个金属源电极6、一个金属漏电极7、一个顶栅介质层8和一个顶栅电极9；所述底栅介质层2位于底栅电极1的上方，双层石墨烯有源区5位于底栅介质层2的上方，金属源电极6和金属漏电极7分别在双层石墨烯有源区5的两端，且各覆盖部分双层石墨烯有源区5，金属源电极6与金属漏电极7选取不同材料，对于n型器件，金属源电极6的功函数较大(>5.4eV)，与其接触的石墨烯(源区)呈p型掺杂，金属漏电极7的功函数较小(<4.5eV)，与其接触的石墨烯(漏区)呈n型掺杂；而p型器件的电极与n型器件相反，即：金属源电极6的功函数较小(<4.5eV)，金属漏电极7的功函数较大(>5.4eV)；顶栅介质层8覆盖在金属源电极6、金属漏电极7与两电极之间的石墨烯上，顶栅电极9位于顶栅介质层8的上方，且与金属源电极6和金属漏电极7都交叠，各交叠的长度均大于100nm。
上述双层石墨烯隧穿场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(1)在底栅电极上生长底栅介质层；
(2)通过机械剥离或者化学气相淀积(CVD)转移的方法得到底栅介质层上的双层石墨烯；
(3)光刻暴露出有源区以外的区域，以光刻胶为掩膜，刻蚀形成双层石墨烯有源区；
(4)光刻暴露出金属源电极区，全片蒸发金属后剥离形成金属源电极；
(5)光刻暴露出金属漏电极区，全片蒸发金属后剥离形成金属漏电极；
(6)全片生长厚度均匀的栅介质；
(7)光刻暴露出顶栅电极区，全片蒸发金属后剥离形成顶栅电极。
上述的制备方法中，所述步骤(1)中的底栅电极选自低阻硅。
上述的制备方法中，所述步骤(1)中的底栅介质层选自SiO2、BN或者高K栅介质材料(介电常数K>3.9)。
上述的制备方法中，所述步骤(1)中的生长底栅介质层的方法选自以下方法之一：热氧化、物理气相淀积、化学气相淀积和原子层沉积(ALD)。
上述的制备方法中，所述步骤(4)中的金属源电极选自与石墨烯有较好粘附性，且功函数大于石墨烯功函数的金属(如Au，Pt等)。
上述的制备方法中，所述步骤(5)中的金属漏电极选自与石墨烯有较好粘附性，且功函数小于石墨烯功函数的金属(如Ni，Ag，Cu等)。
上述的制备方法中，所述步骤(6)中的生长顶栅介质层的方法为原子层沉积，以减小对石墨烯造成的损伤。
上述的制备方法中，所述步骤(7)中的顶栅电极选自金属(Ni，Au，Pt等)或者混合金属(Pd/Au，Ti/Au，Ti/Ni等)。
本发明的技术效果如下：
一、关态时，该器件形成反向偏置的p-i-n结构，关态电流小。
对于n型隧穿场效应晶体管，金属源电极的功函数较大(>5.4eV)，其与石墨烯的功函数差将引起电子从石墨烯向金属源电极转移，源区呈p型掺杂；金属漏电极的功函数较小(<4.5eV)，电荷转移作用导致漏区呈n型掺杂。需要指出的是，源区和漏区的掺杂浓度由金属电极的功函数决定，一般不受背栅控制，这主要是因为：金属与石墨烯之间的势垒一般很低，金属可以给石墨烯提供大量电子，从而屏蔽外加电场的影响。对于沟道，当顶栅电位移矢量和底栅电位移矢量大小相等，方向相同时(即：底栅电压为正值时，顶栅电压为负值；底栅电压为负值时，顶栅电压为正值)，沟道处于电中性状态，且石墨烯沟道的带隙与两电位移矢量的平均值成正比。此时双层石墨烯有源区形成反向偏置的p-i-n结构，该器件处于关态，电流小。
二、对于n型器件，当顶栅压Vtg增大到某一数值时，沟道导带底低于源区价带顶，隧穿窗口产生，源漏电流Ids突然增大，理论上亚阈值斜率可以突破60mV/dec的极限。随着Vtg继续增大，源-沟道隧穿势垒宽度减小，Ids随着Vtg超指数增大。p型器件的工作原理与n型器件类似。由于隧穿几率随着材料带隙的减小而增大，所以窄带隙的沟道材料有利于获得大的TFET开态电流。
三、该器件制备工艺简单，由于金属源电极和金属漏电极的材料不同，与传统的双层石墨烯场效应晶体管相比，此隧穿场效应晶体管的金属源电极和漏电极分别完成。
附图说明
图1是通过机械剥离或者化学气相淀积(CVD)转移的方法在被底栅介质层覆盖的底栅电极上得到双层石墨烯的工艺步骤示意图；
图2是光刻并刻蚀形成双层石墨烯有源区后的器件剖面图；
图3是光刻并剥离金属分别形成金属源电极和金属漏电极后的器件剖面图；
图4是均匀生长顶栅介质层后的器件剖面图；
图5是本发明的基于金属接触掺杂的双层石墨烯隧穿场效应晶体管；
图中：
1——底栅电极2——底栅介质层
3——双层石墨烯4——光刻胶
5——双层石墨烯有源区6——金属源电极
7——金属漏电极8——顶栅介质层
9——顶栅电极
具体实施方式
下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
本发明制备方法的一具体实例包括图1至图5所示的工艺步骤：
1)以(100)晶向的低阻硅片为底栅电极1，在其表面热氧化生长一层底栅介质层2，底栅介质层为SiO2，厚度为90nm；在铜箔表面CVD生长双层石墨烯，利用转移的方法得到底栅介质层2上均匀覆盖的双层石墨烯3，如图1所示。
2)光刻出有源区图形，以光刻胶4为掩膜，利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀形成双层石墨烯有源区5，如图2所示。
3)光刻暴露出金属源电极区，在带胶样品上电子束蒸发Au(80nm)，用丙酮剥离后形成金属源电极6；光刻暴露出金属漏电极区，在带胶样品上电子束蒸发Pd(80nm)，用丙酮剥离后形成金属漏电极7，如图3所示。
4)在200℃下ALD全片生长10nm Al2O3，形成顶栅介质层8，如图4所示。
5)光刻出顶栅电极图形，在带胶样品上电子束蒸发Ti/Au(10nm/70nm)，用丙酮剥离和乙醇清洗后形成顶栅电极9，此时即可制得所述的基于金属接触掺杂的双层石墨烯隧穿场效应晶体管，如图5所示。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (12)
1.一种双层石墨烯隧穿场效应晶体管，其特征是，包括一个底栅电极(1)、一个底栅介质层(2)、一个双层石墨烯有源区(5)、一个金属源电极(6)、一个金属漏电极(7)、一个顶栅介质层(8)和一个顶栅电极(9)；
所述底栅介质层(2)位于底栅电极(1)的上方；双层石墨烯有源区(5)位于底栅介质层(2)的上方；金属源电极(6)和金属漏电极(7)分别在双层石墨烯有源区(5)的两端，且各覆盖部分双层石墨烯有源区(5)；
金属源电极(6)与金属漏电极(7)选取不同材料，对于n型器件，金属源电极(6)的功函数较大，与其接触的石墨烯呈p型掺杂，金属漏电极(7)的功函数较小，与其接触的石墨烯呈n型掺杂；而p型器件的电极与n型器件相反，即：金属源电极(6)的功函数较小，金属漏电极(7)的功函数较大；所述的功函数较大指的是功函数大于5.4eV，所述的功函数较小指的是功函数小于4.5eV；
顶栅介质层(8)覆盖在金属源电极(6)、金属漏电极(7)，以及金属源电极(6)和金属漏电极(7)之间的石墨烯上，顶栅电极(9)位于顶栅介质层(8)的上方，且与金属源电极(6)和金属漏电极(7)都交叠，各交叠的长度均大于100nm。
2.权利要求1所述的双层石墨烯隧穿场效应晶体管的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)在底栅电极上生长底栅介质层；
(2)通过机械剥离或者化学气相淀积转移的方法得到底栅介质层上的双层石墨烯；
(3)光刻暴露出有源区以外的区域，以光刻胶为掩膜，刻蚀形成双层石墨烯有源区；
(4)光刻暴露出金属源电极区，全片蒸发金属后剥离形成金属源电极；
(5)光刻暴露出金属漏电极区，全片蒸发金属后剥离形成金属漏电极；
(6)全片生长厚度均匀的栅介质；
(7)光刻暴露出顶栅电极区，全片蒸发金属后剥离形成顶栅电极。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中的底栅电极选自低阻硅。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中的底栅介质层选自SiO2、BN或者高K栅介质材料。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中的生长底栅介质层的方法选自以下方法之一：热氧化、物理气相淀积、化学气相淀积和原子层沉积。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述步骤(4)中的金属源电极选自与石墨烯有粘附性，且功函数大于石墨烯功函数的金属。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述步骤(5)中的金属漏电极选自与石墨烯有粘附性，且功函数小于石墨烯功函数的金属。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述步骤(6)中的生长顶栅介质层的方法为原子层沉积。
9.如权利要求2所述的制备方法，其特征是，所述步骤(7)中的顶栅电极选自金属或者混合金属。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征是，所述的功函数大于石墨烯功函数的金属为Au或Pt。
11.如权利要求7所述的制备方法，其特征是，所述的功函数小于石墨烯功函数的金属为Ni、Ag、Cu之一。
12.如权利要求9所述的制备方法，其特征是，所述的金属为Ni、Au、Pt之一；所述的混合金属为Pd/Au、Ti/Au、Ti/Ni之一。
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