CN106206683A - 一种石墨烯基场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯基场效应晶体管及其制备方法,该场效应晶体管包含衬底、沟道层、源极、漏极和栅极,沟道层为通过3D打印形成的石墨烯基沟道层,源极、漏极为通过3D打印形成的石墨烯基源极、漏极。本发明的石墨烯基场效应晶体管中,源极和漏极与沟道层都是通过3D打印石墨烯基导电及半导体墨水形成,表面特性类似,源极和漏极与沟道层间附着力优于金属电极,还可以避免肖特基势垒的形成,进而大幅度降低接触电阻。并且,其工艺过程简单,完全使用3D打印技术,无污染、低耗能,所有的工艺可以应用到卷对卷的工艺上,降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯基场效应晶体管及其制备方法,属于半导体元件等领域。
背景技术
石墨烯具有最高的电导率200,000cm2/V·s,最大的机械强度及柔韧性,最好的导热性、导电性及高温稳定性,是呼声最高的新材料之一。近年来基于石墨烯的导电石墨烯粉末制备、石墨烯导电墨水制备及石墨烯导电墨水的3D打印技术等不断发展发展并且已逐步趋于成熟。
石墨烯墨水、浆料可以通过3D打印技术打印互联线路应用在RFID、柔性显示器、太阳能电池、超级电容器、印制电路板、传感器等电子信息产品上。
场效应晶体管是一种应用广泛的半导体器件,但是现有技术制备的场效应晶体管中源极和漏极由金属材料制成,与沟道层的材料性质相差较大,导致源极和漏极与沟道层间附着力不足,场效应晶体中的肖特基势垒很高,接触电阻较大;且现有技术中,石墨烯基场效应晶体管的制备工艺流程相当繁琐,生产成本较高。
发明内容
本发明解决的技术问题是,克服现有技术中场效应晶体管的源极和漏极与沟道层间附着力不足,场效应晶体中的肖特基势垒很高,接触电阻较大,生产成本较高等的问题。
本发明的技术方案是,提供一种石墨烯基场效应晶体管,包含沟道层、源极、漏极,其中沟道层为石墨烯沟道层,源极、漏极为石墨烯基材料制成的源极、漏极,简称石墨烯基源极、石墨烯基漏极。
进一步地,石墨烯基源极、漏极中的石墨烯材料中,石墨烯含量大于30%,进一步大于50%,进一步的,大于80%,进一步地,大于90%。
进一步的,其还包括衬底、栅极介质层和栅极。
进一步地,所述沟道层中的石墨烯基导电材料为半导体石墨烯。
进一步地,所述半导体石墨烯为硼或氮掺杂的半导体石墨烯。
进一步地,所述栅极通过3D打印的石墨烯基导电材料形成。
进一步地,所述栅极介质层通过3D打印的介质材料形成。
进一步地,栅极介质层中的介质材料为有机或无机介质,如氧化铝、氮化硼、类金刚石、介电树脂。
进一步地,栅极介质层中的介质材料为离子凝胶、环氧基树脂、光刻胶等液相介质材料。
进一步地,所述源极、漏极和栅极中的石墨烯基导电材料来源于石墨烯导电墨水或石墨烯导电浆料。
进一步地,所述石墨烯导电墨水或石墨烯导电浆料中掺有金属铜、银和金中的一种或几种;
进一步地,所述金属铜、银和金为铜纤维、银纤维和金纤维。
进一步地,所述金属铜、银和金为铜纳米线、银纳米线和金纳米线。
进一步地,所述沟道层、源极、漏极和栅极厚度可以为10nm-2μm,其中优选10-500nm,更优选10-100nm;所述栅极介质层厚度为50nm-1μm,其中优选50nm-200nm。
进一步地,所述衬底为硅,金刚石,GaAs,GaN,SiC,玻璃,聚对苯二甲酸薄膜,聚酰亚胺薄膜,纸张等硬质或柔性衬底。
同时,本发明还公开了一种石墨烯基场效应晶体管的制备方法,该方法包括通过3D打印形成石墨烯基沟道层,通过3D打印形成石墨烯基源极、漏极和栅极。
进一步的,其还包括衬底、栅极介质层和栅极。
进一步地,所述沟道层中的石墨烯基导电材料为半导体石墨烯。
进一步地,所述半导体石墨烯为硼或氮掺杂的半导体石墨烯。
进一步地,栅极介质层中的介质材料为有机或无机介质,如氧化铝、氮化硼、类金刚石、介电树脂。
进一步地,栅极介质层中的介质材料为离子凝胶、环氧基树脂、光刻胶等液相介质材料。
进一步地,所述源极、漏极和栅极中的石墨烯基导电材料来源于石墨烯导电墨水或石墨烯导电浆料。
进一步地,所述石墨烯导电墨水或石墨烯导电浆料中掺有金属铜、银和金中的一种或几种。
进一步地,所述石墨烯导电墨水或浆料,是以石墨烯为主要导电相的导电墨水;可选的,添加各种金属铜、银或金。
进一步地,所述栅极介质层通过3D打印形成;优选的,所述的栅极介质层为离子凝胶,环氧基树脂,光刻胶。
进一步地,通过3D打印的方法一次性制备源极、漏极、栅极、栅介电层、沟道层,以进一步降低成本。
进一步地,所述3D打印包含喷墨打印、气溶胶喷射打印、微三维打印。优选地,沟道层、源极、漏极、栅极介质层和栅极均使用同一种3D打印技术。
进一步地,3D打印为常温下液相过程。
进一步地,制作的场效应晶体管在100-400℃条件下干燥。
本发明提供的一种石墨烯基场效应晶体管,其源极、漏极、栅极,沟道层,都是通过3D打印石墨烯基导电体及半导体墨水形成,均为常温下液相处理,表面特性类似,源极和漏极与沟道层间附着力优于金属电极,还可以避免肖特基势垒的形成,可以降低接触电阻,使用同一种工艺技术,制造成本大大降低,石墨烯场效应晶体管的栅极介质层也采用相同的3D打印,制造成本进一步降低。
本发明的有益效果是,本发明的石墨烯基场效应晶体管及制备方法具有以下优点:
1.源极和漏极与沟道层都是通过3D打印石墨烯基导电及半导体墨水形成,表面特性类似,源极和漏极与沟道层间附着力优于金属电极,还可以避免肖特基势垒的形成,进而降低接触电阻。
2.其工艺过程简单,完全使用3D打印技术,无污染、低耗能。
3.所有的工艺可以应用到卷对卷的工艺上,降低制造成本。
附图说明
图1表示本发明实施例1制作的一种石墨烯场效应晶体管的结构示意图。
图2表示本发明实施例2制作的一种石墨烯场效应晶体管的结构示意图。
图3表示本发明实施例3制作的一种石墨烯场效应晶体管的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明的各实施方式进行详细的阐述。所举实例只用于解释本发明,并非用于限制本发明的范围。
实施例1
在衬底1上通过3D打印厚度500nm的高导性的石墨烯导电墨水形成栅极2,在栅极2之上通过3D打印50nm厚度的环氧基树脂层形成栅极介质层3,在栅极介质层3的两端通过3D打印厚度500nm高导性的石墨烯导电墨水形成源极和漏极(如图1中的标号4),在源极和漏极之间通过3D打印硼掺杂的石墨烯基导电墨水形成拱形的沟道层5。这样制作的结构,250℃,1小时焙烧处理后制得的底接触场效应晶体管。
实施例2
在衬底1上通过3D打印厚度500nm的高导性的石墨烯导电墨水形成栅极2,在栅极2之上通过3D打印50nm厚度的环氧基树脂层形成栅极介质层3,在栅极介质层3上通过3D打印硼掺杂的石墨烯基导电墨水形成500nm厚的沟道层5,在沟道层5的两端通过3D打印厚度500nm高导性的石墨烯导电墨水形成源极和漏极(如图2中的标号4)。这样制作的结构,250℃,1小时焙烧处理后制得的底接触场效应晶体管。
实施例3
在衬底1上通过3D打印500nm高导性的石墨烯导电墨水形成源极和漏极(如图3中的标号4),在源极和漏极之间通过3D打印硼掺杂的石墨烯基导电墨水形成500nm厚的沟道层5,在沟道层5上通过3D打印50nm厚度的环氧基树脂层形成栅极介质层3,在栅极介质层3上方通过3D打印500nm高导性的石墨烯导电墨水形成栅极2。
上面各种方法的步骤划分,只是为了描述清楚,实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分,分解为多个步骤,只要包含相同的逻辑关系,都在本专利的保护范围内;对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计,但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本领域的普通技术人员可以理解,上述各实施方式是实现本发明的具体实施例,而在实际应用中,可以在形式上和细节上对其作各种改变,而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种石墨烯基场效应晶体管的制备方法,该场效应晶体管包含衬底、沟道层、源极、漏极和栅极,其特征在于,沟道层是通过3D打印形成的石墨烯基沟道层,源极和漏极是通过3D打印形成的石墨烯基源极、漏极。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,形成石墨烯基沟道层的石墨烯为半导体石墨烯,优选硼、氮掺杂石墨烯。
3.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法,其特征在于,石墨烯基源极、漏极由石墨烯墨水或浆料制备而成;可选的,所述石墨烯基导电墨水,添加金属铜、银或金。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述石墨烯基场效应晶体管还包含栅极介质层,所述栅极介质层通过3D打印形成;优选地,沟道层、源极、漏极、栅极介质层和栅极均使用同一种3D打印技术。
5.一种石墨烯基场效应晶体管,其特征在于,包含沟道层、源极、漏极,其中沟道层为石墨烯基沟道层;源极、漏极为石墨烯基源极、漏极。
6.根据权利要求5所述的场效应晶体管,形成石墨烯基沟道层的石墨烯为半导体石墨烯,优选硼、氮掺杂石墨烯;可选的,源级和漏极中添加金属铜、银或金。
7.根据权利要求5-6中任一项所述的场效应晶体管,其特征在于,包括衬底、沟道层、源极、漏极和栅极;沟道层是通过3D打印形成石墨烯基沟道层,源极和漏极是通过3D打印形成石墨烯基源极、漏极。
8.根据权利要求7所述的场效应晶体管,其特征在于,所述石墨烯场效应晶体管还包含栅极介质层,所述栅极介质层通过3D打印形成;优选地,沟道层、源极、漏极、栅极介质层和栅极均使用同一种3D打印技术。
9.根据权利要求5-8任一项所述的场效应晶体管,其特征在于,石墨烯基源极、漏极和栅极由石墨烯导电墨水/浆料制备而成。
10.根据权利要求8所述的场效应晶体管,其特征在于,所述3D打印包含喷墨打印、气溶胶喷射打印、微三维打印等3D打印技术。
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Address after: 410205 Hunan province Changsha Wenxuan High-tech Development Zone, Road No. 27 building 7 layer B8 Yuyuan mountain valley Applicant after: Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd Address before: Yuelu District City, Hunan province 410205 Changsha Wenxuan Road No. 27 building 7 layer B8 Applicant before: Hunan Aerospace New Material Technology Inst Co Ltd |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |