CN110211881B - 一种调控石墨烯场效应晶体管的m形电阻特性曲线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，在电子电路、微纳电子学等领域具有应用前景。本发明提出的石墨烯场效应晶体管器件结构：紧靠石墨烯沟道上方栅介质层有两种不同功函数的金属栅。这种结构的石墨烯场效应晶体管可产生M形电阻特性曲线，并且通过选择这两种栅金属的种类和相对长度可实现对M形电阻特性曲线形状的可控调节。
Description
技术领域
本发明提出了一种调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，在电子电路、微纳电子学等领域具有应用前景。
背景技术
由于石墨烯具有双极特性，石墨烯场效应晶体管(GFETs)电阻特性(输出电阻-栅电压曲线，R-Vg)通常呈Λ形，只有单个电阻峰。具有Λ形电阻特性曲线的石墨烯场效应晶体管可用来实现高输出频谱纯度的二倍频器。近年来，具有M形电阻特性曲线的石墨烯场效应晶体管的研究也取得了进展，不同于Λ形R-Vg曲线，M形R-Vg曲线有两个电阻峰值，利用具有M形电阻特性曲线的GFETs可实现高输出频谱纯度的三倍频器和四倍频器等。
但目前具有M形电阻特性曲线的石墨烯效应晶体管结构复杂(例如采用背栅加顶栅器件结构)、制备工艺复杂、成本较高。此外，M形电阻特性曲线的形状也较难控制，严重影响了其在电路中(例如在三倍频器和四倍频器电路中)的应用。
发明内容
本发明目的在于提出一种调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法。
本发明可通过如下技术方案实现：
一种调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其步骤包括：
(1)石墨烯图形化：采用电子束光刻和氧等离子刻蚀技术定义石墨烯场效应晶体管的有源区。石墨烯可以是单层或是多层(2～10层)。
(2)源/漏电极制备：电子束光刻图形化定义源/漏接触区域，电子束蒸镀金属作接触金属，lift-off工艺剥离掉多余金属，形成源/漏接触电极。
(3)栅介质制备：采用电子束蒸镀电介质材料或是原子层沉积电介质材料作栅介质层。或是蒸镀易氧化金属(例如钇或是铝)，然后自氧化生成金属氧化物作栅介质层。
(4)栅电极制备：栅金属制备过程：首先对沟道局部区域进行光刻图形化，然后依次蒸镀金属M11/M12/M13/……/M1n(n代表蒸镀金属的层数，至少蒸镀一层金属，即n≥1)，lift-off 工艺剥离掉多余金属，形成部分栅电极；再对沟道进行第二次光刻图形化，然后依次蒸镀金属M21/M22/M23/……/M2m(m代表蒸镀金属的层数，至少蒸镀一层金属，即m≥1)，lift-off工艺剥离掉多余金属，形成另一部分栅电极，先后两次蒸镀的金属共同构成器件的栅电极。
(5)按上述器件工艺，制备的石墨烯场效应晶体管可能的器件结构有多种，如图1所示。这些器件结构的特点：虽然栅电极包含多种金属(M11/M12/M13/……/M1n和 M21/M22/M23/……/M2m)，但紧靠石墨烯沟道上方栅介质层的金属有且只有两种(M11和M21)，这两种金属栅各控制着石墨烯沟道的部分区域，这两种金属的各自总长度分别记作LM11和LM21。其中M11金属与M21金属是两种功函数不同的金属，功函数分别记作ΦM11和ΦM21。
(6)M形电阻特性曲线形状的控制方法：通过调整M11和M21金属之间的功函数差，可控制M形电阻特性曲线中横向两个电阻峰值之间的距离的大小。通过调整LM11和LM21的比例(LM11： LM21)可以控制M形电阻特性曲线中纵向两个电阻峰值的相对高低。
本发明的技术效果如下：
本发明提出了一种石墨烯场效应晶体管器件结构，能可控获得具有M形电阻特性曲线的石墨烯场效应晶体管。紧靠石墨烯沟道上方栅介质层有两种不同功函数的金属栅，这种石墨烯场效应晶体管可产生M形电阻特性曲线，且通过调整M11和M21金属之间的功函数差，可控制M形电阻特性曲线中横向两个电阻峰值之间的距离的大小；通过调整LM11和LM21的比例(LM11： LM21)可以控制M形电阻特性曲线中纵向两个电阻峰值的相对高低。
附图说明
图1是本发明石墨烯场效应晶体管的器件结构。1-----绝缘衬底；2-----石墨烯；3----- 源/漏接触金属；4------栅介质层；5------第一次蒸镀的栅金属(M11/M12/M13/……/M1n)； 6-------第二次蒸镀的栅金属(M21/M22/M23/……/M2m)。LM11和LM21分别是紧靠石墨烯沟道上方栅介质层的金属M11和M21各自的总长度
图2是本发明另一石墨烯场效应晶体管的器件结构。1-----绝缘衬底；2-----石墨烯； 3-----源/漏接触金属；4------栅介质层；5------第一次蒸镀的栅金属 (M11/M12/M13/……/M1n)；6-------第二次蒸镀的栅金属(M21/M22/M23/……/M2m)。LM11是紧靠石墨烯沟道上方栅介质层的金属M11的总长度。由于第二次蒸镀的金属包裹着第一次蒸镀的金属，故紧靠石墨烯沟道上方栅介质层的金属M21的总长度LM21由LM21_1和LM21_2两部分构成。
图3是本发明实测器件的M形电阻特性曲线图；其中M11金属是Ti，M21金属是Pd。调整 LM11：LM21的比例值变大，M形电阻特性曲线中纵向两个电阻峰的比值(左边峰值：右边峰值) 的变高；LM11：LM21的比例值变小，M形电阻特性曲线中纵向两个电阻峰的比值(左边峰值：右边峰值)的变低。
图4是本发明M11和M21金属之间功函数差对横向两个电阻峰值之间距离的影响的仿真结果。M11和M21金属之间的功函数差绝对值(|ΦM11-ΦM21|)越大，则M形电阻特性曲线中横向两个电阻峰值之间的距离越大；反之，M11和M21金属之间的功函数差绝对值(|ΦM11-ΦM21|) 小，则M形电阻特性曲线中横向两个电阻峰值之间的距离相对小。
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：可控获得具有不同双峰高度的M形电阻特性曲线的石墨烯场效应晶体管
1)石墨烯图形化：采用电子束光刻和氧等离子刻蚀技术定义石墨烯场效应晶体管的有源区。沟道采选用单层石墨烯。
2)源/漏电极制备：电子束光刻图形化定义源/漏接触区域，电子束蒸镀Pd/Au作接触金属，lift-off工艺剥离掉多余金属，形成源/漏接触电极。
3)栅介质制备：电子束蒸镀3nm钇(Y),然后放置在热板上氧化30分钟，生成Y2O3当作栅氧层。
4)栅电极制备：栅金属制备过程是采用两次光刻和两次栅金属蒸镀制作。第一次只对沟道局部区域进行光刻图形化，然后依次蒸镀金属Ti/Au(10nm/60nm)，lift-off工艺剥离掉多余金属。对沟道全局区域进行第二次光刻图形化，然后依次蒸镀金属Pd/Au(10nm/60nm)， lift-off工艺剥离掉多余金属。
5)制备的石墨烯场效应晶体管器件的结构特点是在紧靠石墨烯沟道的上方栅介质层有且只有两种金属Ti和Pd，这两种金属各控制着沟道的一部分区域，沟道上方这两种金属的各自总长度分别记作LTi和LPd。
6)通过控制LTi：LPd比例，可以控制M形电阻特性曲线中两个电阻峰值的相对高低，获得具有不同双峰高度的M形电阻特性曲线的石墨烯场效应晶体管。
实例2：可控获得具有不同双峰间距的M形电阻特性曲线的石墨烯场效应晶体管
1)石墨烯图形化：采用电子束光刻和氧等离子刻蚀技术定义石墨烯场效应晶体管的有源区。沟道选用双层石墨烯。
2)源/漏电极制备：电子束光刻图形化定义源/漏接触区域，电子束蒸镀Cr/Au作接触金属，lift-off工艺剥离掉多余金属，形成源/漏接触电极。
3)栅介质制备：电子束蒸镀1nm铝，然后放置在空气中自氧化生长氧化铝当做种子层，之后采用原子层沉积法制备8nm厚的HfO2。
4)栅电极制备：栅金属制备过程是采用两次光刻和两次栅金属蒸镀制作。第一次只对沟道局部区域进行光刻图形化，然后依次蒸镀金属Ti/Au(20nm/50nm)，lift-off工艺剥离掉多余金属。对沟道剩余区域进行第二次光刻图形化，对第I类型器件选择依次蒸镀金属Pd/Au (20nm/50nm)，对第II类型器件选择依次蒸镀金属Pt/Au(20nm/50nm)，lift-off工艺剥离掉多余金属
5)无论是I还是II类型器件，器件结构特点是在紧石墨烯沟道的上方栅介质层有且只有两种金属Ti和Pd(第I类型器件)，或是Ti和Pt(第II类型器件)，这两种金属各控制着沟道的一部分区域。
6)由于第二次光刻之后选择了不同的栅金属(第I类型器件选Pd/Au，第二类型器件选 Pt/Au)，得到的两种类型的石墨烯场效应晶体管的M型电阻特性曲线两个电阻峰之间的间距不同。
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 (9)
1.一种调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其特征在于，包括：
1)石墨烯图形化：定义石墨烯场效应晶体管的有源区；
2)源/漏电极制备：电子束光刻图形化定义源/漏接触区域，电子束蒸镀金属作接触金属，剥离工艺剥离掉多余金属，形成源/漏接触电极；
3)栅介质制备：采用电子束蒸镀电介质材料或是原子层沉积电介质材料作栅介质层，或是蒸镀易氧化金属，然后自氧化生成金属氧化物作栅介质层；
4)栅电极制备：对沟道的局部区域进行光刻图形化，然后依次蒸镀金属M11/M12/M13/……/M1n，n代表蒸镀金属的层数，至少蒸镀一层金属，即n≥1，剥离工艺剥离掉多余金属，形成部分栅电极；再对沟道的全局区域进行第二次光刻图形化，然后依次蒸镀金属M21/M22/M23/……/M2m，m代表蒸镀金属的层数，至少蒸镀一层金属，即m≥1，剥离工艺剥离掉多余金属，形成栅电极的剩余部分；即先后两次蒸镀的金属共同构成器件的栅电极；
5)所述M11/M12/M13/……/M1n中第一层金属M11和M21/M22/M23/……/M2m中第一层金属M21各自的总长度分别记作LM11和LM21，且M11和M21是两种功函数不同的金属，M11金属和M21金属的功函数分别记作ΦM11和ΦM21；
6)通过调整ΦM11和ΦM21功函数差，控制M形电阻特性曲线中横向的两个电阻峰值之间距离的大小，通过调整LM11和LM21的比例值，控制M形电阻特性曲线中纵向的两个电阻峰值的相对高低。
2.如权利要求1所述的调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其特征在于，步骤1)采用电子束光刻和氧等离子刻蚀技术实现石墨烯图形化。
3.如权利要求1所述的调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其特征在于，步骤1)中所述石墨烯是单层，或是2～10层。
4.如权利要求1所述的调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其特征在于，步骤4)所述M11/M12/M13/……/M1n中第一层金属M11功函数范围为3eV到6eV。
5.如权利要求1所述的调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其特征在于，步骤4)所述M11/M12/M13/……/M1n中第一层金属M11的厚度≥1nm。
6.如权利要求1所述的调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其特征在于，步骤4)所述M21/M22/M23/……/M2m中第一层金属M21功函数范围为3eV到6eV。
7.如权利要求1所述的调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其特征在于，步骤4)所述M21/M22/M23/……/M2m中第一层金属M21的厚度≥1nm。
8.如权利要求1所述的调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其特征在于，步骤6)所述M11金属与M21金属之间的功函数差|ΦM11-ΦM21|>0.2eV。
9.如权利要求1所述的调控石墨烯场效应晶体管的M形电阻特性曲线方法，其特征在于，步骤6)所述LM11和LM21的比值范围在0.1到10之间。
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