CN109817703A - 高开关比石墨烯异质结场效应管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高开关比石墨烯异质结场效应管，包括衬底，衬底上设有沟道材料层石墨烯，沟道材料层石墨烯中部为栅电极区域，栅电极区域上沉积有栅介质，栅介质上沉积有栅金属以形成栅极，栅电极区域两侧分别为源极区域和漏极区域，源极区域、漏极区域分别沉积有源漏金属以形成源漏极，所述沟道材料层石墨烯与衬底之间或沟道材料层石墨烯与栅介质之间设有用于与石墨烯形成异质结的材料层。本发明通过在石墨烯沟道下方或上方引入其它材料，形成石墨烯异质结，在栅电压的电场效应的作用下，使异质结石墨烯中的载流子发生耗尽或积累，从而使石墨烯异质结场效应管获得高开关比源漏电流。

Description

高开关比石墨烯异质结场效应管及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种高开关比石墨烯异质结场效应管及其制作方法。

背景技术

CMOS制造技术的进步将导致器件的沟道长度小于10nm，进入纳米领域，传统的按比例缩小会导致短沟道效应、介质隧穿效应和制造难度增加，将不再足以继续通过制造更小的晶体管而获得器件性能的提高，因此，从器件几何形状、结构以及材料方面着手是可行的新的解决方案。

石墨烯作为一种新型的电子功能材料，由于具有独特的物理结构及优异的电学性能，成为当今微电子材料的研究热点，在微电子领域具有广泛的应用前景。新型的半导体材料（如MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂、ReS₂、ReSe₂、BP、硅烯等）越来越受到关注。

尽管石墨烯的迁移率很高（高达2x10⁶cm²/V·s），但石墨烯的带隙为零，常规的只以石墨烯材料做为沟道的石墨烯场效应管的开关比很低，因此常规石墨烯场效应管无法应用于逻辑电路。诺贝尔奖获得者曾预测2025年以后才有可能实现石墨烯在逻辑电路的应用，如何实现石墨烯场效应管的高开关比一直是研究人员的努力方向。然而只以新型半导体材料（如MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂、ReS₂、ReSe₂、BP、硅烯、锗烯等）做为沟道的场效应管的迁移率又很低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的高开关比石墨烯异质结场效应管，并提供其制作方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种高开关比石墨烯异质结场效应管，包括衬底，衬底上设有沟道材料层石墨烯，沟道材料层石墨烯中部为栅电极区域，栅电极区域上沉积有栅介质，栅介质上沉积有栅金属以形成栅极，栅电极区域两侧分别为源极区域和漏极区域，源极区域、漏极区域分别沉积有源漏金属以形成源漏极，所述沟道材料层石墨烯与衬底之间或沟道材料层石墨烯与栅介质之间设有用于与石墨烯形成异质结的材料层。

上述高开关比石墨烯异质结场效应管，所述衬底包括基底层和位于基底层上方的绝缘层。

上述高开关比石墨烯异质结场效应管，所述基底层为半导体材料、导电材料、不同于绝缘层的材料中的一种或两种以上的混合物。

上述高开关比石墨烯异质结场效应管，所述绝缘层为 SiO₂、Si₃N₄、BN、Al₂O₃、HfO₂、AlN、SiC，Si、Sapphire、玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料 PET、聚酰亚胺 PI、聚二甲基硅氧烷等中的一种或两种以上的混合物。

上述高开关比石墨烯异质结场效应管，所述的用于与石墨烯形成异质结的材料层为黑磷、III-V族化合物半导体、过渡金属硫族化合物半导体、硅烯、锗烯中的一种。

上述高开关比石墨烯异质结场效应管，所述的用于与石墨烯形成异质结的材料层的宽度比栅电极的栅长宽，且小于源漏电极之间的间隔宽度。

上述高开关比石墨烯异质结场效应管，所述过渡金属硫族化合物半导体包括二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨、二硫化铼、二硒化铼。

上述高开关比石墨烯异质结场效应管，所述III-V族化合物半导体包括镓化砷、磷化铟、氮化镓、磷砷化镓、砷铝化镓和磷镓化铟。

一种高开关比石墨烯异质结场效应管的制作方法，包括以下步骤：

1）在衬底上转移或沉积或外延用于与石墨烯形成异质结的材料层，并图形化；

2）在材料层上面沉积或转移或外延沟道材料层石墨烯，并图形化；

3）定义沟道材料层石墨烯两侧为源、漏电极区域；

4）在源、漏电极区域沉积源漏金属；

5）剥离去除用于定义源、漏电极区域的光刻胶，形成源漏电极；

6）定义沟道材料层石墨烯中部为栅电极区域；

7）在栅电极区域沉积栅介质；

8）在栅介质上沉积栅金属；

9）剥离去除用于定义栅电极区域的光刻胶，形成栅电极。

上述高开关比石墨烯异质结场效应管的制作方法，所述步骤1）与步骤2）可互换，即先在衬底上形成沟道材料层石墨烯，再形成用于与石墨烯形成异质结的材料层；所述步骤3）-5）与步骤6）-9）可互换，即先形成栅电极后，再形成源漏电极。

本发明的有益效果在于：本发明的场效应管在沟道材料层石墨烯与衬底之间或沟道材料层石墨烯与栅介质之间设有用于与石墨烯形成异质结的材料层，通过在石墨烯沟道下方或上方引入其它材料，形成石墨烯异质结，在栅电压的电场效应的作用下，使异质结石墨烯中的载流子发生耗尽或积累，从而使石墨烯异质结场效应管获得高开关比源漏电流。

附图说明

图1为本发明的高开关比石墨烯异质结场效应管的结构示意图。

图2为本发明制作方法第一步的示意图。

图3为本发明制作方法第二步的示意图。

图4为本发明制作方法第三步的示意图。

图5为本发明制作方法第四步的示意图。

图6为本发明制作方法第五步的示意图。

图7为本发明制作方法第六步的示意图。

图8为本发明制作方法第七步的示意图。

图9为本发明制作方法第八步的示意图。

图10为本发明制作方法第九步的示意图。

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。

如图1所示，一种高开关比石墨烯异质结场效应管，包括衬底1，衬底1上设有沟道材料层石墨烯3，沟道材料层石墨烯3中部为栅电极区域8，栅电极区域8上沉积有栅介质9，栅介质9上沉积有栅金属10以形成栅极，栅电极区域8两侧分别为源极区域4和漏极区域5，源极区域4、漏极区域5分别沉积有源金属6、漏金属7以形成源漏极，所述沟道材料层石墨烯3与衬底1之间或沟道材料层石墨烯3与栅介质9之间设有用于与石墨烯形成异质结的材料层2。当材料层2是位于沟道材料层石墨烯3之上的介质层时，则该材料层2既可以与石墨烯3形成异质结又可以充当栅介质作用，如铝自氧化后形成的介质。材料层2的宽度可以小于栅电极的栅长，也可以大于栅电极的栅长（但要小于源漏电极之间的间隔宽度）。

所述衬底1包括基底层1-1和位于基底层1-1上方的绝缘层1-2。所述基底层1-1为半导体材料、导电材料、不同于绝缘层1-2的材料中的一种或两种以上的混合物。所述绝缘层1-2为 SiO₂、Si₃N₄、BN、Al₂O₃、HfO₂、AlN、SiC，Si、Sapphire、玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料 PET、聚酰亚胺 PI、聚二甲基硅氧烷等中的一种或两种以上的混合物。

所述材料层2为黑磷、III-V族化合物半导体、过渡金属硫族化合物半导体（二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨、二硫化铼、二硒化铼）、硅烯、锗烯中的一种。

所述III-V族化合物半导体包括镓化砷（GaAs）、磷化铟（InP）、氮化镓、磷砷化镓（GaAsP）、砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。

一种高开关比石墨烯异质结场效应管的制作方法，包括以下步骤：

1）在衬底1上转移或沉积或外延用于与石墨烯形成异质结的材料层2，并图形化，如图2所示；

2）在材料层2上面沉积或转移或外延沟道材料层石墨烯3，并图形化，如图3所示；

3）定义沟道材料层石墨烯3两侧为源电极区域4、漏电极区域5，如图4所示；

4）在源电极区域4、漏电极区域5沉积源金属6、漏金属7，如图5所示；

5）剥离去除用于定义源电极区域4、漏电极区域5的光刻胶，形成源漏电极，如图6所示；

6）定义沟道材料层石墨烯3中部为栅电极区域8，如图7所示；

7）在栅电极区域8沉积栅介质9，如图8所示；

8）在栅介质9上沉积栅金属10，如图9所示；

9）剥离去除用于定义栅电极区域8的光刻胶，形成栅电极，如图10所示。

另外所述步骤3）-5）与步骤6）-9）可互换，即先形成栅电极后，再形成源漏电极；所述步骤1）与步骤2）可互换，即先形成沟道材料层石墨烯，再形成用于与石墨烯形成异质结的材料层。

Claims (10)

1.一种高开关比石墨烯异质结场效应管，其特征在于：包括衬底，衬底上设有沟道材料层石墨烯，沟道材料层石墨烯中部为栅电极区域，栅电极区域上沉积有栅介质，栅介质上沉积有栅金属以形成栅极，栅电极区域两侧分别为源极区域和漏极区域，源极区域、漏极区域分别沉积有源漏金属以形成源漏极，所述沟道材料层石墨烯与衬底之间或沟道材料层石墨烯与栅介质之间设有用于与石墨烯形成异质结的材料层。

2.根据权利要求1所述的高开关比石墨烯异质结场效应管，其特征在于：所述衬底包括基底层和位于基底层上方的绝缘层。

3.根据权利要求2所述的高开关比石墨烯异质结场效应管，其特征在于：所述基底层为半导体材料、导电材料、不同于绝缘层的材料中的一种或两种以上的混合物。

4.根据权利要求2所述的高开关比石墨烯异质结场效应管，其特征在于：所述绝缘层为SiO₂、Si₃N₄、BN、Al₂O₃、HfO₂、AlN、SiC，Si、Sapphire、玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料 PET、聚酰亚胺 PI、聚二甲基硅氧烷等中的一种或两种以上的混合物。

5.根据权利要求1所述的高开关比石墨烯异质结场效应管，其特征在于：所述的用于与石墨烯形成异质结的材料层为黑磷、III-V族化合物半导体、过渡金属硫族化合物半导体、硅烯、锗烯中的一种。

6.根据权利要求1所述的高开关比石墨烯异质结场效应管，其特征在于：所述的用于与石墨烯形成异质结的材料层的宽度比栅电极的栅长宽，且小于源漏电极之间的间隔宽度。

7.根据权利要求5所述的高开关比石墨烯异质结场效应管，其特征在于：所述过渡金属硫族化合物半导体包括二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨、二硫化铼、二硒化铼。

8.根据权利要求5所述的高开关比石墨烯异质结场效应管，其特征在于：所述III-V族化合物半导体包括镓化砷、磷化铟、氮化镓、磷砷化镓、砷铝化镓和磷镓化铟。

9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的高开关比石墨烯异质结场效应管的制作方法，包括以下步骤：

1）在衬底上转移或沉积或外延用于与石墨烯形成异质结的材料层，并图形化；

2）在材料层上面沉积或转移或外延沟道材料层石墨烯，并图形化；

3）定义沟道材料层石墨烯两侧为源、漏电极区域；

4）在源、漏电极区域沉积源漏金属；

5）剥离去除用于定义源、漏电极区域的光刻胶，形成源漏电极；

6）定义沟道材料层石墨烯中部为栅电极区域；

7）在栅电极区域沉积栅介质；

8）在栅介质上沉积栅金属；

9）剥离去除用于定义栅电极区域的光刻胶，形成栅电极。

10.根据权利要求9所述的高开关比石墨烯异质结场效应管的制作方法，其特征在于：所述步骤1）与步骤2）可互换，即先在衬底上形成沟道材料层石墨烯，再形成用于与石墨烯形成异质结的材料层；所述步骤3）-5）与步骤6）-9）可互换，即先形成栅电极后，再形成源漏电极。