CN105448714A - 一种大开关比场效应晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
<b>本发明公开了一种大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于，按下述步骤进行：①采用机械剥离法制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片，选取带有氧化层的单晶硅片作为衬底，将石墨烯薄片、二硫化钨薄片、石墨烯薄片依次转移到衬底上，形成石墨烯异质结；②在石墨烯异质结上均匀旋涂光刻胶，再将掩膜版上图形通过曝光转移到光刻胶上，并采用电子束蒸镀沉积Ti/Au金属得到Ti/Au电极，制得基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管。本发明结合了石墨烯的高载流子迁移率和过渡金属硫化物的带隙，以石墨烯和二硫化钨组成的异质结构作为沟道材料，获得高响应速度和大开关比的场效应晶体管。</b>
Description
技术领域
本发明涉及一种纳机电系统（NEMS）应用领域，特别是一种可用于数字逻辑电路的大开关比场效应晶体管的制备方法。
背景技术
石墨烯是碳原子以sp
2
轨道杂化组成六角形蜂巢状晶格的平面薄膜，拥有独特的机械和电学性能。其高电子迁移率、室温下的量子霍尔效应、弹道运输、自旋极化的运输等特性，在未来微电子领域具有巨大的应用潜力，很有可能代替硅作为下一代晶体管的理想材料。当前，石墨烯在微电子领域最成熟的器件概念是石墨烯场效应晶体管，这种结构最有前景的两个应用方向是数字逻辑电路和射频电路。其中，对于数字逻辑电路，要求晶体管具有高的载流子迁移率、大的开关比、高的电导率和低的截止电导。经过测试发现，悬浮石墨烯的载流子迁移率可达到10
6
cm
2
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-1
s
-1
。将石墨烯转移到衬底上时，由于衬底的影响和杂质散射等原因，实际的迁移率达不到悬浮石墨烯的水平。据研究表明，把机械剥离的石墨烯转移到具有氧化层的硅片上时，其载流子迁移率通常可达到10,000-15,000cm
2
V
-1
s
-1
，甚至可达到40,000-70,000cm
2
V
-1
s
-1
。单层石墨烯高的载流子迁移率可以保证晶体管的快速响应，但是石墨烯是一种零带隙的二维材料。带隙的缺乏表明石墨烯不能确保低的截止电流，限制了其在数字逻辑电路上的应用。在此基础上，科研工作者尝试采用各种方法来为石墨烯打开带隙，例如把石墨烯加工成纳米带，在双层石墨烯中外加电场，对石墨烯施加应力，化学功能化，边缘修饰法等等。但是这些方法会对石墨烯的结构造成破坏，从而降低其本征迁移率。
过渡金属硫化物（Transitionmetaldichalcogenides,TMDCs）是一类以MX
2
为化学式的材料，其中M为过渡金属元素，X为硫族元素。这类材料具有与石墨烯相似的层状结构，由两个硫族元素原子组成的六角形平面和夹在中间的金属原子平面构成。最引人注目的是这种材料具有带隙，并且随着材料由体状结构变为单层结构，其带隙有增大的趋势（1.1-1.9eV）。这些特点使得研究工作者对其在晶体管上的应用产生了极大的兴趣，目前已经有基于单层过渡金属硫化物的场效应晶体管被制备出来了，这种晶体管具有单层石墨烯场效应晶体管所不具备的关断特性。但是经过测试发现，过渡金属硫化物转移到衬底上时，其载流子迁移率仅有几百cm
2
V
–1
s
–1
，而转移到SiO
2
衬底上时，单层石墨烯仍可达到10,000cm
2
V
–1
s
–1
，载流子迁移率对晶体管的响应速度有很大影响，因此相对较小的载流子迁移率不利于基于过渡金属硫化物的场效应晶体管的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种大开关比场效应晶体管的制备方法。本发明结合了石墨烯的高载流子迁移率和过渡金属硫化物的带隙，以石墨烯和二硫化钨组成的异质结构作为沟道材料，获得高响应速度和大开关比的场效应晶体管。
本发明的技术方案：一种大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于，按下述步骤进行：
①采用机械剥离法制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片，选取带有氧化层的单晶硅片作为衬底，将石墨烯薄片、二硫化钨薄片、石墨烯薄片依次转移到衬底上，形成石墨烯异质结；
②在石墨烯异质结上均匀旋涂光刻胶，再将掩膜版上图形通过曝光转移到光刻胶上，并采用电子束蒸镀沉积Ti/Au金属得到Ti/Au电极，制得基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管。
前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述步骤①中的机械剥离法采用粘胶带的方法，胶带采用3MScotch胶带。
前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述步骤①中的衬底采用带有300nm的二氧化硅氧化层的n型掺杂单晶硅片。
前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，在背栅石墨烯场效管隧穿晶体管中，以n型掺杂单晶硅片作为背栅极，以顶层石墨烯薄片的一端作为源极，以底层石墨烯薄片的一端作为漏极。
前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述步骤①中制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片的原材料分别是高定向热解石墨和二硫化钨的块状晶体。
前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述石墨烯薄片是长条状的，二硫化钨薄片是正方形状的，底层的长条状石墨烯薄片与顶层的长条状石墨烯薄片交叉布置，正方形状二硫化钨薄片位于交叉处。
前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述步骤②中采用电子束蒸镀沉积10nm厚度的Ti金属和50nm的Au金属。
与现有技术相比，本发明结合了石墨烯的高载流子迁移率和过渡金属硫化物的带隙，以石墨烯和二硫化钨（单层时能带隙能为1.9eV）组成的异质结构作为沟道材料，获得高响应速度和大开关比的场效应晶体管，为数字逻辑电路的发展提供了理论依据。本发明采用石墨烯作为沟道材料，保证了晶体管的响应速度，并且电流在异质结中以隧穿的形式流动，需要克服石墨烯的隧穿态密度和二硫化钨的隧穿势垒，突破了石墨烯的零带隙限制，保证了晶体管的开关特性，克服了石墨烯场效应晶体管在数字逻辑电路应用上的局限性。
附图说明
图1是石墨烯异质结的结构示意图；
图2是基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管的示意图；
图3是基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管电路接线示意图。
附图中的标记为：1-n型掺杂单晶硅片，2-300nm的二氧化硅氧化层，3-石墨烯薄片，4-二硫化钨薄片，5-石墨烯薄片，6-Ti/Au电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于，按下述步骤进行：
①采用机械剥离法制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片，选取带有氧化层的单晶硅片作为衬底，将石墨烯薄片、二硫化钨薄片、石墨烯薄片依次转移到衬底上，形成石墨烯异质结；
②在石墨烯异质结上均匀旋涂光刻胶，再将掩膜版上图形通过曝光转移到光刻胶上，并采用电子束蒸镀沉积Ti/Au金属得到Ti/Au电极，制得基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管。
较优的是，所述步骤①中的机械剥离法采用粘胶带的方法，胶带采用3MScotch胶带。所述步骤①中的衬底采用带有300nm的二氧化硅氧化层的n型掺杂单晶硅片。在背栅石墨烯场效管隧穿晶体管中，以n型掺杂单晶硅片作为背栅极，以顶层石墨烯薄片的一端作为源极，以底层石墨烯薄片的一端作为漏极。
更优的是，所述步骤①中制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片的原材料分别是高定向热解石墨和二硫化钨的块状晶体。
更优的是，所述石墨烯薄片是长条状的，二硫化钨薄片是正方形状的，底层的长条状石墨烯薄片与顶层的长条状石墨烯薄片交叉布置，正方形状二硫化钨薄片位于交叉处。
最优的是，所述步骤②中采用电子束蒸镀沉积10nm厚度的Ti金属和50nm的Au金属。
本发明在具体制备时，采用机械剥离法制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片，采用粘胶带的方式，胶带采用特殊的3MScotch（思高）胶带，所选原材料为高定向热解石墨（HighlyOrientedPyrolyticGraphite,HOPG）和二硫化钨的块状晶体。衬底选用带有300nm二氧化硅氧化层2的n型掺杂单晶硅片1，大小为1cm×1cm。衬底先用丙酮超声清洗5min，然后用乙醇超声清洗5min，最后用去离子水清洗并用氮气吹干，使衬底表面更加清洁。用镊子夹取15cm左右的Scotch胶带贴附在HOPG石墨片表面，轻轻地压实，使胶带能够紧紧地贴附在石墨片上，并慢慢撕下胶带。胶带表面会粘附有很薄的一层石墨片，然后将胶带的两端对折，使石墨薄片夹在胶带具有粘性一侧的中间，轻轻压实，慢慢撕下，平稳地将石墨薄片一分为二，完美地剥离。重复剥离5到10次，直至胶带上出现颜色像墨水斑点一样的石墨薄片。小心地将附有石墨薄片的胶带倒扣在图形衬底上，用弹性球轻轻挤压掉胶带和硅片之间的空气，使图形衬底与胶带完全贴附，并轻磨图形衬底5min，最后将胶带缓慢地从图形衬底上揭下。由于石墨中原子层与层之间的结合力较弱，因此会在图形衬底上留下长条状石墨烯薄片3。采用同样的方法剥离小块正方形二硫化钨薄片4，然后贴附在石墨烯薄片的正中间。再采用机械剥离法剥离长条状石墨烯薄片5贴附在二硫化钨薄片4的上面，两层长条状石墨烯薄片交叉放置，二硫化钨薄片夹在两层石墨烯之间使其不直接接触，最后形成graphene/WS
2
/graphene异质结，如图1所示。
在石墨烯异质结上均匀旋涂光刻胶，将掩膜版上图形通过曝光转移到光刻胶上，然后采用显影液显影并烘干，采用电子束蒸镀，均匀沉积Ti/Au(10nm/50nm)金属，用丙酮腐蚀光刻胶，形成石墨烯的四个电极6，获得基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管，如图2所示。
基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管的接线图如图3所示，其中以n型掺杂的Si片作为背栅极(Gate)，以底层石墨烯片的一端作为源极(Source)，以顶层石墨烯片的一端作为漏极(Drain)。在栅极和源极之间施加栅源电压V
GS
，电流在异质结中以隧穿的形式流动，需要克服石墨烯的隧穿态密度和二硫化钨的隧穿势垒。当栅源电压小于阀值电压时，晶体管处于截止状态；当栅源电压大于阀值电压时，会在异质结中形成导电通道，再在漏极和源极之间施加漏源电压V
DS
，异质结中就会有电流I
DS
流过，接上电流表A，就可以测得电流大小，通过栅源电压控制导电沟道的打开与关闭。
Claims (7)
1.一种大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于，按下述步骤进行：
①采用机械剥离法制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片，选取带有氧化层的单晶硅片作为衬底，将石墨烯薄片、二硫化钨薄片、石墨烯薄片依次转移到衬底上，形成石墨烯异质结；
②在石墨烯异质结上均匀旋涂光刻胶，再将掩膜版上图形通过曝光转移到光刻胶上，并采用电子束蒸镀沉积Ti/Au金属得到Ti/Au电极，制得基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤①中的机械剥离法采用粘胶带的方法，胶带采用3MScotch胶带。
3.根据权利要求1所述的大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤①中的衬底采用带有300nm的二氧化硅氧化层的n型掺杂单晶硅片。
4.根据权利要求3所述的大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于：在背栅石墨烯场效管隧穿晶体管中，以n型掺杂单晶硅片作为背栅极，以顶层石墨烯薄片的一端作为源极，以底层石墨烯薄片的一端作为漏极。
5.根据权利要求1所述的大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤①中制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片的原材料分别是高定向热解石墨和二硫化钨的块状晶体。
6.根据权利要求1所述的大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述石墨烯薄片是长条状的，二硫化钨薄片是正方形状的，底层的长条状石墨烯薄片与顶层的长条状石墨烯薄片交叉布置，正方形状二硫化钨薄片位于交叉处。
7.根据权利要求1-6任一项所述的大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述步骤②中采用电子束蒸镀沉积10nm厚度的Ti金属和50nm的Au金属。
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