CN105023950A - 一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管及其制备方法，该石墨烯晶体管包括衬底层、由下向上依次生长在衬底层上的金属电极层、介质层、石墨烯沟道层以及金属纳米颗粒层，所述的石墨烯沟道层两端分别设有第一金属电极及第二金属电极，所述的金属电极层为栅极，所述的第一金属电极为源极，所述的第二金属电极为漏极。与现有技术相比，本发明结构简单，工艺条件温和，有效解决了石墨烯晶体管低开关电流比的问题，同时保持了石墨烯晶体管高导电特性，具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电子器件及石墨烯技术领域，涉及一种石墨烯晶体管及其制备方法，尤其是涉及一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管及其制备方法。
背景技术
石墨烯(graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型，呈蜂巢晶格的平面薄膜，由于在狄拉克点附近的线性能带结构色散和电子与空穴二者极高的载流子迁移率，石墨烯呈现出奇特的电子特性，如量子自旋霍尔效应，基于上述原因，石墨烯作为下一代半导体材料，引起了相当多的关注。和传统的硅基晶体管的制备材料相比，石墨烯具有优异的力学、热学、光学及电学特性，石墨烯的这些优异的性能促使其在电子器件和光电器件领域具有巨大的应用潜力。
然而，由于石墨烯不具备带隙，其在室温下无法实际用于低功率损耗的逻辑器件。由于零带隙的特点，使得石墨烯场效应晶体管的开关电流较低，一般小于10。因此，如何提高石墨烯晶体管的开关电流比，仍然是一个重要的问题，但目前与此相关的技术鲜有报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于金属吸收层的具有高开关电流比的石墨烯晶体管及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，该石墨烯晶体管包括衬底层、由下向上依次生长在衬底层上的金属电极层、介质层、石墨烯沟道层以及金属纳米颗粒层，所述的石墨烯沟道层两端分别设有第一金属电极及第二金属电极，所述的金属电极层为栅极，所述的第一金属电极为源极，所述的第二金属电极为漏极。
所述的衬底层为n型重掺杂Si衬底层。
所述的金属电极层为通过电子束蒸发生长在衬底层上的金层，厚度在200nm以内。
所述的介质层为SiO2介质层，该SiO2介质层的厚度在100nm以内。
所述的石墨烯沟道层的厚度在1nm以内。
所述的金属纳米颗粒层的厚度为3-5nm。
所述的金属纳米颗粒层的材质为Ni、Co、Au或Fe中的一种。
所述的第一金属电极及第二金属电极的厚度为10-200nm，材质为Au、Al或Ti中的一种。
一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)清洗衬底：将衬底层清洗干净；
(2)制作金属电极层：通过电子束蒸发法或磁控溅射法在衬底层上生长一层金属电极层；
(3)制作介质层：通过热氧化方法在金属电极层上生长一层SiO2介质层，控制厚度在100nm以内；
(4)制作石墨烯沟道层：在介质层上直接生长或通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯沟道层；
(5)制作金属纳米颗粒层：先通过电子束蒸发法或磁控溅射法在石墨烯沟道层上生长一层金属吸收层，控制厚度为3-5nm，再于200-300℃条件下，退火5-30min，退火后，金属吸收层受热融化，转变成金属纳米颗粒层；
(6)制作电极：用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯沟道层上制作源电极与漏电极。
步骤(4)中，在介质层上采用化学气相沉积法直接生长一层石墨烯沟道层或通过标准机械剥离工艺获得石墨烯，之后通过转移技术转移到介质层上。
本发明的核心技术是在石墨烯沟道层上先生长一层金属吸收层，再于200-300℃条件下退火，金属吸收层吸热后融化，变成金属纳米颗粒层。由于碳元素在Ni、Co、Fe内的固溶度较大，故石墨烯中的碳元素会吸附到金属吸收层内，进而在石墨烯内产生纳米网状结构。纳米网状结构产生的量子效应，能够打开石墨烯的禁带宽度，产生了石墨烯隙，导致石墨烯漏电流降低，从而提高石墨烯晶体管的开关电流比。
本发明的工作原理如下：在栅极电压作用下，载流子通过隧道效应穿过石墨烯沟道层，在源极和漏极之间形成导电沟道，而栅极电压可以控制源极与漏极之间的电流。
本发明中，石墨烯是一种零带隙半导体材料，其透光性较好，光谱吸收范围可以从紫外到太赫兹频段，采用石墨烯作为沟道，可以在一个广泛的频谱范围内工作。此外，石墨烯具有超高的载流子迁移率，响应速度很快；同时，在石墨烯沟道层上覆盖一层金属纳米颗粒层后，因金属纳米颗粒的曲率半径很小，光照后，金属纳米颗粒的电场增强，使得石墨烯与电场之间耦合增强，光吸收率增大，器件的量子效率增大。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)由于采用金属纳米颗粒层，电场增强，使得石墨烯与电场之间耦合增强，光吸收率增大，器件的量子效率增大；
2)由于采用石墨烯作为沟道，可以在一个广泛的频谱范围内工作，并且响应速度快；
3)结构简单，工艺条件温和，有效解决了石墨烯晶体管低开关电流比的问题，同时保持了石墨烯晶体管高导电特性，具有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中标记说明：
1—衬底层、2—金属电极层、3—介质层、4—石墨烯沟道层、5—金属纳米颗粒层、6—第一金属电极、7—第二金属电极。
具体实施方式
下文结合特定实例说明的实施方式，此处的实施例及各种特征和有利细节将参考附图中图示以及以下描述中详述的非限制性实施例而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的使此处的实施例难以理解。在制作所述结构时，可以使用半导体工艺中众所周知的传统工艺。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围。
实施例1：
如图1所示，一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，该石墨烯晶体管包括衬底层1、由下向上依次生长在衬底层1上的金属电极层2、介质层3、石墨烯沟道层4以及金属纳米颗粒层5，石墨烯沟道层4两端分别设有第一金属电极6及第二金属电极7，金属电极层2为栅极，第一金属电极6为源极，第二金属电极7为漏极。
其中，衬底层1为n型重掺杂Si衬底层；金属电极层2为通过电子束蒸发生长在衬底层1上的金层，厚度在200nm以内；介质层3为SiO2介质层，该SiO2介质层的厚度在100nm以内；石墨烯沟道层4的厚度在1nm以内；金属纳米颗粒层5的厚度为5nm，并且金属纳米颗粒层5的材质为Au。
第一金属电极6及第二金属电极7的厚度均为200nm，材质为Al。
本实施例具有高开关电流比的石墨烯晶体管的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)清洗衬底：将衬底层1清洗干净；
(2)制作金属电极层2：通过电子束蒸发法在衬底层1上生长一层金属电极层2；
(3)制作介质层3：通过热氧化方法在金属电极层2上生长一层SiO2介质层，控制厚度在100nm以内；
(4)制作石墨烯沟道层4：在介质层3上采用化学气相沉积法直接生长一层石墨烯沟道层4；
(5)制作金属纳米颗粒层5：先通过电子束蒸发法在石墨烯沟道层4上生长一层金属吸收层，控制厚度为5nm，再于300℃条件下，退火5min，退火后，金属吸收层受热融化，转变成金属纳米颗粒层5；
(6)制作电极：用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯沟道层4上制作源电极与漏电极。
实施例2：
本实施例中，金属纳米颗粒层5的厚度为4nm，并且金属纳米颗粒层5的材质为Fe；第一金属电极6及第二金属电极7的厚度均为80nm，材质为Ti。
制备时，采用以下步骤：
(1)清洗衬底：将衬底层1清洗干净；
(2)制作金属电极层2：通过磁控溅射法在衬底层1上生长一层金属电极层2；
(3)制作介质层3：通过热氧化方法在金属电极层2上生长一层SiO2介质层，控制厚度在100nm以内；
(4)制作石墨烯沟道层4：通过标准机械剥离工艺获得石墨烯，之后通过转移技术转移到介质层3上；
(5)制作金属纳米颗粒层5：先通过磁控溅射法在石墨烯沟道层4上生长一层金属吸收层，控制厚度为4nm，再于260℃条件下，退火15min，退火后，金属吸收层受热融化，转变成金属纳米颗粒层5；
(6)制作电极：用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯沟道层4上制作源电极与漏电极。
其余同实施例1。
实施例3：
本实施例中，金属纳米颗粒层5的厚度为3nm，并且金属纳米颗粒层5的材质为Co；第一金属电极6及第二金属电极7的厚度均为120nm，材质为Au。
制备时，采用以下步骤：
(1)清洗衬底：将衬底层1清洗干净；
(2)制作金属电极层2：通过磁控溅射法在衬底层1上生长一层金属电极层2；
(3)制作介质层3：通过热氧化方法在金属电极层2上生长一层SiO2介质层，控制厚度在100nm以内；
(4)制作石墨烯沟道层4：在介质层3上采用化学气相沉积法直接生长一层石墨烯沟道层4；
(5)制作金属纳米颗粒层5：先通过磁控溅射法在石墨烯沟道层4上生长一层金属吸收层，控制厚度为3nm，再于200℃条件下，退火30min，退火后，金属吸收层受热融化，转变成金属纳米颗粒层5；
(6)制作电极：用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯沟道层4上制作源电极与漏电极。
其余同实施例1。
实施例4：
本实施例中，金属纳米颗粒层5的厚度为5nm，并且金属纳米颗粒层5的材质为Ni；第一金属电极6及第二金属电极7的厚度均为10nm，材质为Al。
制备时，采用以下步骤：
(1)清洗衬底：将衬底层1清洗干净；
(2)制作金属电极层2：通过电子束蒸发法在衬底层1上生长一层金属电极层2；
(3)制作介质层3：通过热氧化方法在金属电极层2上生长一层SiO2介质层，控制厚度在100nm以内；
(4)制作石墨烯沟道层4：在介质层3上采用化学气相沉积法直接生长一层石墨烯沟道层4；
(5)制作金属纳米颗粒层5：先通过磁控溅射法在石墨烯沟道层4上生长一层金属吸收层，控制厚度为5nm，再于220℃条件下，退火20min，退火后，金属吸收层受热融化，转变成金属纳米颗粒层5；
(6)制作电极：用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯沟道层4上制作源电极与漏电极。
其余同实施例1。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术发案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，其特征在于，该石墨烯晶体管包括衬底层、由下向上依次生长在衬底层上的金属电极层、介质层、石墨烯沟道层以及金属纳米颗粒层，所述的石墨烯沟道层两端分别设有第一金属电极及第二金属电极，所述的金属电极层为栅极，所述的第一金属电极为源极，所述的第二金属电极为漏极。
2.根据权利要求1所述的一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，其特征在于，所述的衬底层为n型重掺杂Si衬底层。
3.根据权利要求1所述的一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，其特征在于，所述的金属电极层为通过电子束蒸发生长在衬底层上的金层，厚度在200nm以内。
4.根据权利要求1所述的一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，其特征在于，所述的介质层为SiO2介质层，该SiO2介质层的厚度在100nm以内。
5.根据权利要求1所述的一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，其特征在于，所述的石墨烯沟道层的厚度在1nm以内。
6.根据权利要求1所述的一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，其特征在于，所述的金属纳米颗粒层的厚度为3-5nm。
7.根据权利要求1或6所述的一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，其特征在于，所述的金属纳米颗粒层的材质为Ni、Co、Au或Fe中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管，其特征在于，所述的第一金属电极及第二金属电极的厚度为10-200nm，材质为Au、Al或Ti中的一种。
9.一种如权利要求1所述的具有高开关电流比的石墨烯晶体管的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)清洗衬底：将衬底层清洗干净；
(2)制作金属电极层：通过电子束蒸发法或磁控溅射法在衬底层上生长一层金属电极层；
(3)制作介质层：通过热氧化方法在金属电极层上生长一层SiO2介质层，控制厚度在100nm以内；
(4)制作石墨烯沟道层：在介质层上直接生长或通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯沟道层；
(5)制作金属纳米颗粒层：先通过电子束蒸发法或磁控溅射法在石墨烯沟道层上生长一层金属吸收层，控制厚度为3-5nm，再于200-300℃条件下，退火5-30min，退火后，金属吸收层受热转变成金属纳米颗粒层；
(6)制作电极：用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯沟道层上制作源电极与漏电极。
10.根据权利要求9所述的一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，在介质层上采用化学气相沉积法直接生长一层石墨烯沟道层或通过标准机械剥离工艺获得石墨烯，之后通过转移技术转移到介质层上。
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