CN108461446A - 一种单栅石墨烯倍频器的制备方法 - Google Patents

一种单栅石墨烯倍频器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种单栅石墨烯倍频器的制备方法，在电子电路、微纳电子学等领域具有应用前景。本发明在常规的源(或漏)金属和石墨烯接触的基础上插入一层不连续或是多孔连续的金属氧化薄膜构成金属/氧化层/石墨烯的接触结构，或是第二金属/第一金属/氧化层/石墨烯的接触结构，同时在石墨烯沟道上方覆盖金属、金属氧化物或是有机物等材料，得到转移特性曲线具有两个电流极小值点的石墨烯倍频器件。本发明石墨烯倍频器的三次谐波的能量或是四次谐波的能量占全部输出交流信号(基频和各次谐波)能量的比例高。

Description

一种单栅石墨烯倍频器的制备方法
技术领域
本发明提出了一种单栅石墨烯倍频器的制备方法，在电子电路、微纳电子学等领域具有应用前景。
背景技术
倍频器用在电子电路中产生高倍频率，常使用二极管，三极管等具有非线性特性器件的高次谐波制备。石墨烯具有独特的双极性电学性能,利用石墨烯的双极性特点可以制备两倍频器件。近年来，石墨烯的3倍频等高倍器件的制备上已取得了进展。目前石墨烯3倍频等高倍器件主要通过多栅器件结构实现，常用的方法有一个顶栅加上一个或两个背栅的多栅器件结构，该方法得到的石墨烯倍频器可以输出转换效率较高的3倍频和4倍频。
但是采用多栅结构制备石墨倍频器，结构复杂，制备工艺复杂，成本较高。尤其是石墨烯顶栅的制备过程中，通常需要额外做一层种子层，才能再原子层沉积制备顶栅介质。
发明内容
本发明目的在于提出了一种单栅石墨烯倍频器的制备方法。
本发明可通过如下技术方案实现：
一种单栅石墨烯倍频器的制备方法，其步骤包括：
(1)栅和栅介质的选取：具有绝缘电介质层(做栅介质)/导电层(做栅电极)的堆叠结构，其中电介质层厚度在2nm到500nm。具体为，采用高掺杂的低电阻硅做栅，然后热氧化生成10nm到500nm的氧化硅做栅介质；也可以选取石英，蓝宝石等绝缘衬底，先蒸发或是溅射一层金属做栅，然后再热蒸发或是原子层沉积一层2nm到500nm的氧化铝或其它电介质做栅介质，也可通过其它方式实现，
(2)石墨烯有源区的制备：将石墨烯薄膜转移到栅介质上，或是直接在栅介质上生长石墨烯薄膜，其中石墨烯薄膜可以是均一的单层，也可以是均一的双层或多层，也可以是不均一的单层或多层。利用光刻胶图形化之后再等离子刻蚀，形成石墨烯器件的有源区。
(3)漏与源电极的制备：漏源接触电极采用金属/氧化层的两层堆叠，其中金属通常是惰性金属，例如金或铂等，厚度小于500微米；氧化层是活波金属(铝或钛或镍或钇等)氧化之后形成的岛状不连续金属氧化薄膜或是多孔连续金属氧化薄膜或是含有上述两种结构构成的混合形状金属氧化薄膜，厚度小于10nm。或者漏源接触电极采用第一金属/第二金属/氧化层的三层堆叠结构，第二金属是粘附层，通常由钛或铬或钯等金属构成，厚度小于100nm。第一金属通常是惰性金属，例如金或铂等，厚度小于500微米，氧化层是活波金属(铝或钛或镍或钇等)氧化之后形成的岛状不连续金属氧化薄膜或是多孔连续金属氧化薄膜或是含有上述两种结构构成的混合形状金属氧化薄膜，厚度小于5nm。
源和漏电极可以都做上述两层或是三层堆叠结构。也可以源或漏电极中的一个做成上述两层或是三层堆叠结构，而另一个电极做成金属与石墨烯直接接触方式，即不加氧化层的结构。
(4)石墨烯沟道处理：在石墨烯沟道上覆盖材料。可以是的岛状不连续金属颗粒；可以是岛状不连续金属氧化薄膜或是多孔连续金属氧化薄膜或是含有上述两种结构构成的混合形状金属氧化薄膜；可以是连续的金属氧化物薄膜；也可以是有机物(例如PMMA、PDMS)构成的连续薄膜或是岛状不连续薄膜或是多孔连续薄膜。覆盖的方式可以是在石墨烯沟道上部分覆盖，或是全部覆盖。
(5)石墨烯倍频器件：本发明制备的器件的转移特性曲线具有双电流波谷(有两个电流极小值点)，可以做为石墨烯倍频器。
本发明的技术效果如下：
本发明在常规的源(或漏)金属和石墨烯接触的基础上插入一层不连续或是多孔的金属氧化薄膜构成金属/氧化层/石墨烯的接触结构，或是第一金属/第二金属/氧化层/石墨烯的接触结构，同时在石墨烯的沟道上方覆盖金属、金属氧化物或是有机物等材料改变沟道石墨烯的掺杂类型，在该石墨烯器件结构下，得到器件的转移特性曲线具有两个电流极小值点。
本发明选取合适的栅极和漏极偏置电压使得石墨烯倍频器处在合适的直流偏置下，将基波频率的交流信号耦合到栅电极上，在石墨烯倍频器的漏极加上带通滤波器(3倍基波频率或是4倍基波频率作为带通滤波器的中心频率点)，即可得到3倍基波频率或是4倍基波频率。
附图说明
图1是本发明的石墨烯倍频器的器件结构,(a)俯视图，(b)剖面图；
1-----第二金属层；2-----第一金属层；3-----氧化层；4------石墨烯沟道上覆盖物；5-----石墨烯；6-------栅介质；7-------栅电极；
图2是本发明的石墨烯倍频器转移特性曲线示意图；
图3是采用石墨烯倍频器产生多倍频率的电路示意图；
图4是制备的石墨烯倍频器实物光学显微镜照片；
图5是制备的石墨烯倍频器实物的转移特性曲；
图6是制备的石墨烯倍频器的做3倍频时的数值分析结果；其中(a)是输入电压；(b)是输出电流波形；(c)是输出波形的频谱分析。
图7是制备的石墨烯倍频器的做4倍频时的数值分析结果；其中(a)是输入电压；(b)是输出电流波形；(c)是输出波形的频谱分析。
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。
实例1：石墨烯三次倍频器的制备。
1)石墨烯有源区的制备：
在450微米厚的低阻硅(做栅电极)表面高温热氧化形成300nm的二氧化硅层(做栅介质)，将均一的单层石墨烯薄膜转移到二氧化硅表面，利用光刻胶做保护层图形化之后再利用氧离子刻蚀形成长8微米，宽1微米的石墨烯线条，构成石墨烯的有源区。
2)石墨烯源漏电极的制备：
将制备的样品表面旋涂上一层PMMA胶，光刻、显影之后露出源、漏接触部分，待做源、漏和金属的接触。将样品放入电子束蒸发金属设备的腔体中，等待真空度到大约10- 6Torr时，开始蒸发钛金属，由于真空度相对较低，先蒸发的钛金属与腔体内残留的氧气结合，形成氧化钛不连续薄膜薄层，附着在源、漏接触区域的石墨烯表面，构成器件接触的氧化层部分。随着蒸发的进行钛金属消耗设备中残留的氧气，同时随着真空泵持续的抽真空也会使得残留的氧气几乎耗尽，后蒸发上的钛几乎不再被氧化，形成金属钛/不连续的氧化钛/石墨烯的接触结构。接着再蒸镀50nm的金，做测试接触电极。最终形成金/钛/不连续的氧化钛/石墨烯的源、漏接触结构。然后放入丙酮中，剥离掉非源、漏接触部分的金属，形成石墨烯背栅器件。
3)石墨烯沟道处理：然后再在样品表面旋涂上一层PMMA胶，光刻、显影之后只在石墨烯沟道上留下PMMA胶。
4)石墨烯倍频器件的筛选：
利用半导体参数分析仪测试制备的石墨烯器件的转移特性曲线，其中转移特性曲线有两个电流极小值点的器件做石墨烯倍频器。
5)石墨烯倍频器三次倍频的实现：
将石墨烯倍频器以共源的连接方式连接，将基波频率的交流信号耦合到栅电极上，在石墨烯倍频器的漏极加上示波器或是频谱分析仪显示输出信号的频谱，调节栅偏置电压，漏极偏置电压和输入交流信号的振幅，使得输出的三次谐波的能量占全部输出交流信号的能量的比值达到最大。此时的栅偏置电压，漏极偏置电压和输入交流信号的振幅为三次倍频器的最佳值条件值。之后将示波器或频谱分析仪去除，在漏电极后端接上一个三次谐波带通滤波器，即可实现三次谐波的输出。
实例2：石墨烯三次倍频器的制备。
1)石墨烯有源区的制备：
在300微米厚的低阻硅(做栅电极)表面高温热氧化形成100nm的二氧化硅层(做栅介质)，将均一的单层石墨烯薄膜转移到二氧化硅表面，利用光刻胶做保护层图形化之后再利用氧离子刻蚀形成长8微米，宽2微米的石墨烯线条，构成石墨烯的有源区。
2)石墨烯源漏接触的制备：
将制备的样品表面旋涂上一层PMMA胶，光刻、显影之后露出源、漏接触部分，待做源、漏和金属的接触。将样品放入电子束蒸发金属设备的腔体中，等待真空度到小于10- 8Torr时，开始蒸发钛金属，由于真空度相对较高，先蒸发的钛金属几乎不被氧化，先蒸镀1nm的钛金属薄膜，由于较薄通常不连续或是多孔，然后将样品取出蒸发设备，待其自然氧化之后形成氧化钛不连续薄膜薄层，附着在源、漏接触区域的石墨烯表面，然后再放回蒸镀金属设备的腔体中，接着蒸镀5nm的钛，50nm的金。最终形成金/钛/不连续的氧化钛/石墨烯的源、漏接触结构。然后放入丙酮中，剥离掉非源、漏接触部分的金属，形成石墨烯背栅器件。
3)石墨烯沟道处理：再将样品放入电子束蒸发金属设备的腔体中，蒸镀1nm的金属钇，由于较薄通常不连续或是多孔，取出样品，在空气自然氧化1天。可以在石墨烯沟道表面上形成氧化钇的颗粒
4)石墨烯倍频器件的筛选：
利用半导体参数分析仪测试制备的石墨烯器件的转移特性曲线，其中转移特性曲线有两个电流极小值点的器件做石墨烯倍频器。
5)石墨烯倍频器三次倍频的实现：
将石墨烯倍频器以共源的连接方式连接，将基波频率的交流信号耦合到栅电极上，在石墨烯倍频器的漏极加上示波器或是频谱分析仪显示输出信号的频谱，调节栅偏置电压，漏极偏置电压和输入交流信号的振幅，使得输出的三次谐波的能量占全部输出交流信号的能量的比值达到最大。此时的栅偏置电压，漏极偏置电压和输入交流信号的振幅为三次倍频器的最佳值条件值。之后将示波器或频谱分析仪去除，在漏电极后端接上一个三次谐波带通滤波器，即可实现三次谐波的输出。
实例3：石墨烯四次倍频器的制备。
1)石墨烯有源区的制备：
在石英表面，热蒸发上5nm钛和100nm金做栅金属，然后原子层沉积方式生长50nm的氧化哈，将均一的单层石墨烯薄膜转移到氧化哈表面，利用光刻胶做保护层图形化之后再利用氧离子刻蚀形成长8微米，宽1微米的石墨烯线条，构成石墨烯的有源区。
2)石墨烯源漏接触的制备：
将制备的样品表面旋涂上一层PMMA胶，光刻、显影之后露出源、漏接触部分，待做源、漏和金属的接触。将样品放入电子束蒸发金属设备的腔体中，等待真空度到小于10- 8Torr时，先蒸发1到2nm的钇金属，接着在蒸镀50nm的铂。最终形成铂/钇/石墨烯的源、漏接触结构。然放入丙酮中，剥离掉非源、漏接触部分的金属，形成石墨烯背栅器件。将制备的器件放在空气中加热，使得金属钇氧化，最终形成铂/氧化钇/石墨烯的源、漏接触结构。
3)石墨烯沟道处理：再将样品放入电子束蒸发金属设备的腔体中，蒸镀1nm的金属钛，取出样品，在空气自然氧化1天。可以在石墨烯沟道表面上形成氧化钛的颗粒。
4)石墨烯倍频器件的筛选：
利用半导体参数分析仪测试制备的石墨烯器件的转移特性曲线，其中转移特性曲线有两个电流极小值点的器件做石墨烯倍频器。
5)石墨烯倍频器四次倍频的实现：
将石墨烯倍频器以共源的连接方式连接，将基波频率的交流信号耦合到栅电极上，在石墨烯倍频器的漏极加上示波器或是频谱分析仪显示输出信号的频谱，调节栅偏置电压，漏极偏置电压和输入交流信号的振幅，使得输出的四次谐波的能量占全部输出交流信号的能量的比值达到最大。此时的栅偏置电压，漏极偏置电压和输入交流信号的振幅为四次倍频器的最佳值条件值。之后将示波器或频谱分析仪去除，在漏电极后端接上一个四次谐波带通滤波器，即可实现四次谐波的输出。
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 (7)

1.一种单栅石墨烯倍频器的制备方法，其特征在于，包括：
1)制备绝缘电介质层/导电层的堆叠结构，其中绝缘电介质层厚度在2nm到500nm；
2)将石墨烯薄膜转移到绝缘电介质层上，或是直接在绝缘电介质层上生长石墨烯薄膜，利用光刻胶图形化之后再等离子刻蚀，形成石墨烯有源区；
3)制备漏和源电极，其中源和漏电极采用金属/氧化层的两层堆叠，或是第一金属/第二金属/氧化层的三层堆叠结构；或者；源或漏中的一个电极采用金属/氧化层的两层堆叠，或是第一金属/第二金属/氧化层的三层堆叠结构，另一个电极采用金属材料直接与石墨烯薄膜接触；
4)在石墨烯沟道上覆盖金属、金属氧化物或有机物材料，构成石墨烯倍频器。
2.如权利要求1所述的单栅石墨烯倍频器的制备方法，其特征在于，步骤2)所述石墨烯薄膜是均一的单层或多层，或者所述石墨烯薄膜是不均一的单层或多层。
3.如权利要求1所述的单栅石墨烯倍频器的制备方法，其特征在于，步骤3)所述氧化层是铝、钛、镍或钇氧化之后形成的不连续或是多孔的金属氧化薄膜，厚度小于5nm。
4.如权利要求1所述的单栅石墨烯倍频器的制备方法，其特征在于，步骤3)第二金属是粘附层，采用钛、铬或钯，厚度小于100nm。
5.如权利要求1所述的单栅石墨烯倍频器的制备方法，其特征在于，步骤3)中所示金属和第一金属是惰性金属金或铂，厚度小于500微米。
6.如权利要求1所述的单栅石墨烯倍频器的制备方法，其特征在于，步骤4)中金属是指岛状不连续金属颗粒；金属氧化物是指岛状不连续金属氧化薄膜或是多孔连续金属氧化薄膜或是含有上述两种结构构成的混合形状金属氧化薄膜；有机物是指PMMA、PDMS构成的连续薄膜或是岛状不连续薄膜或是多孔连续薄膜。
7.如权利要求1所述的单栅石墨烯倍频器的制备方法，其特征在于，步骤4)中覆盖的方式是在石墨烯沟道上部分覆盖，或是全部覆盖。
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