CN111725302A - 基于图形化衬底的石墨烯晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图形化衬底的石墨烯晶体管及制备方法，主要解决现有石墨烯晶体管由于其沟道材料具有零带隙而导致无法关断及开关比低的问题。其包括：图形化衬底、沟道层、栅介质层、源极、漏极和栅极。图形化衬底表面设有椭球状凸起；沟道层覆盖于图形化衬底凸起的上表面；源极和漏极位于图形化衬底的上表面，且部分覆盖于沟道层的上表面；栅极位于图形化衬底的上表面，且与沟道层不直接接触；栅介质层位于沟道层的上表面，且部分覆盖于源极、漏极和栅极的上表面。本发明利用图形化衬底的椭球状凸起使附着于其表面的石墨烯薄膜发生机械弯曲，扩展了石墨烯的禁带宽度，提高了石墨烯晶体管的开关比，可用于制作大规模数字集成电路。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种石墨烯晶体管，可用于制作大规模数字集成电路。
背景技术
由于高质量的石墨烯材料具有优越的电学特性、化学稳定性和机械灵活性，以石墨烯为沟道材料制造的场效应晶体管受到广泛关注。现有石墨烯晶体管多以表面平整的氧化硅晶片为衬底，以转移至衬底表面的石墨烯薄膜材料为沟道，以金属为源极、漏极和栅极，以衬底表面的氧化硅为背栅介质，或者以采用原子层淀积方法制备的氧化物介质层为顶栅介质。石墨烯晶体管的结构示意图如图1所示。这种结构的石墨烯晶体管，由于石墨烯具有零带隙，从而导致以石墨烯为沟道材料的晶体管存在难以关断、开关比低的问题，无法应用于数字逻辑电路。
为了打开石墨烯的带隙，目前常用的石墨烯晶体管采用如图2所示的石墨烯纳米带为沟道。石墨烯纳米带是由石墨烯薄膜材料经过刻蚀形成的宽度很窄的条带结构，石墨烯纳米带的宽度越窄，其带隙就越大，从而解决石墨烯晶体管难以关断的问题，但是这种结构存在器件驱动电流随纳米带宽度变窄而减小的问题，因而无法在驱动电流不减小的情况下，提高石墨烯晶体管的开关比。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于图形化衬底的石墨烯晶体管及制备方法，以在保证驱动电流不减小的条件下，打开石墨烯的带隙，提高石墨烯晶体管的开关比。
本发明的技术思路是：将石墨烯薄膜置于图形化衬底的椭球状凸起上表面，使石墨烯薄膜发生机械弯曲，晶格产生形变，从而打开石墨烯的带隙，提高石墨烯晶体管的开关比，其实现方案如下：
1.一种基于图形化衬底的石墨烯晶体管，包括图形化衬底、沟道层、栅介质层、源极、漏极和栅极，其特征在于：
图形化衬底的表面设有椭球状凸起分布；
沟道层覆盖于图形化衬底的凸起的上表面；
源极和漏极位于图形化衬底的平坦部分上表面，且部分覆盖于沟道层的上表面；
栅极位于图形化衬底的平坦部分上表面的沟道层一侧，且与沟道层不直接接触；
栅介质层位于沟道层的上表面，且部分覆盖于源极、漏极和栅极的上表面。
进一步，所述图形化衬底，采用硅、蓝宝石、碳化硅和砷化镓材料中的任意一种。
进一步，所述沟道层，采用单层石墨烯；
进一步，所述栅介质层，采用含有离子液体和聚合物的离子凝胶。
进一步，所述源极、漏极和栅极均采用钛金电极或镍金电极。
2.一种基于图形化衬底的石墨烯晶体管制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用化学气相沉积方法制备石墨烯材料，并将该石墨烯转移到分布有椭球状凸起的图形化衬底上；
2)采用氧等离子体对转移至图形化衬底上的石墨烯进行刻蚀，形成沟道层；
3)采用电子束蒸发镀膜方法在图形化衬底上制作源极、漏极和栅极；
4)采用离子液体、聚合物和溶剂，以1:5:7-1:5:15为比例，通过磁力搅拌，配制成离子凝胶；
5)在具有沟道层、源极、漏极和栅极的图形化衬底上，以2000-5000rpm的转速旋涂离子凝胶，在室温空气中、使溶剂自然挥发，形成栅介质层。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明采用表面设有椭球状凸起分布的图形化衬底，并将石墨烯薄膜转移至其凸起部分的上表面，使石墨烯薄膜随着凸起部分的形状，发生机械弯曲，从而使石墨烯产生带隙，提高了石墨烯晶体管的开关比。
2.本发明将离子凝胶旋涂在石墨烯表面，作为栅介质层，该栅介质层中含有可移动的离子，能附着在石墨烯表面，使石墨烯内部产生大量载流子，提高了晶体管的栅控能力。
附图说明
图1是现有石墨烯晶体管的结构示意图；
图2是现有石墨烯纳米带的结构示意图；
图3是本发明图形化衬底的石墨烯晶体管的结构示意图；
图4是本发明制备图形化衬底的石墨烯晶体管的过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
参照图3，本发明基于图形化衬底的石墨烯晶体管，包括图形化衬底1、沟道层2、栅介质层3、源极4、漏极5和栅极6，其中：
图形化衬底1，采用硅、蓝宝石、碳化硅和砷化镓材料中的任意一种，且其表面设有椭球状凸起分布，椭球状凸起的直径为2.0-3.0微米，高度为1.0-2.0微米，分布间隔为3.0-6.0微米；
沟道层2，位于图形化衬底1的的凸起的上表面，采用单层石墨烯材料；
源极4、漏极5和栅极6采用钛金电极或镍金电极，其中源极4和漏极5位于图形化衬底1的平坦部分上表面，且部分覆盖于沟道层2的上表面；栅极6位于图形化衬底1的平坦部分上表面的沟道层2一侧，且与沟道层2不直接接触；
栅介质层3，位于沟道层2的上表面，且部分覆盖于源极4、漏极5和栅极6的上表面，采用含有离子液体和聚合物的离子凝胶。
参照图4，本发明制作基于图形化衬底的石墨烯晶体管方法，给出如下3种实施例：
实施例1：在椭球状凸起直径为2.0微米，高度为1.0微米，分布间隔为3.0微米的图形化硅衬底制作钛金电极的石墨烯晶体管。
步骤1，选择图形化衬底。
选用椭球状凸起直径为2.0微米，高度为1.0微米，分布间隔为3.0微米的图形化硅衬底。
步骤2，生长石墨烯薄膜。
首先，将洁净的铜箔放入石英舟中，将石英舟放入恒温管式炉中；再将管式炉抽成真空后，通入10sccm氢气，加热升温至1000℃并保持；然后，在1000℃下通入流量为1sccm的甲烷和500sccm的氢气60分钟，关闭管式炉并降温到室温，得到附着于铜箔上的单层石墨烯薄膜。
步骤3，采用湿法转移法,将步骤2中得到的石墨烯薄膜转移至图形化硅衬底1的上表面，如图4a。
步骤4，刻蚀石墨烯形成沟道层2。
采用氧等离子体刻蚀工艺，在图形化硅衬底1上表面的石墨烯薄膜上刻蚀，形成沟道层2，如图4b；刻蚀的工艺条件是：流量为20sccm，功率为40W，刻蚀时间为80s。
步骤5，制作源极4、漏极5和栅极6。
采用电子束蒸发镀膜方法，先在沟道层2的两端，分别淀积两个与沟道层2接触的厚度为10/50nm的钛金电极，作为源极4和漏极5；再在沟道层2的一侧且不直接接触沟道层2的位置，淀积一个厚度为10/50nm的钛金电极，作为栅极6，如图4c。
步骤6，配制离子凝胶。
将离子液体、聚合物、溶剂以5:1:15的比例混合于烧杯中，将烧杯置于恒温磁力搅拌器上，在70℃的条件下以650rpm的转速搅拌1h，配制成离子凝胶。
步骤7，制作栅介质层3。
将离子凝胶旋涂在具有沟道层2、源极4、漏极5和栅极6的图形化衬底1上，先以600rpm的转速旋涂9s，再以2500rpm的转速旋涂40s；然后在室温空气中挥发溶剂10min，形成栅介质层3，如图4d，完成石墨烯晶体管的制作。
实施例2：在椭球状凸起直径为2.5微米，高度为1.5微米，分布间隔为4.5微米的图形化蓝宝石衬底制作镍金电极的石墨烯晶体管。
步骤一，选择图形化衬底。
选用椭球状凸起直径为2.5微米，高度为1.5微米，分布间隔为4.5微米的图形化蓝宝石衬底。
步骤二，生长石墨烯薄膜。
首先，将洁净的铜箔放入石英舟中，将石英舟放入恒温管式炉中；再将管式炉抽成真空后，通入10sccm氢气，加热升温至1030℃并保持；然后，在1030℃下通入流量为1sccm的甲烷和500sccm的氢气40分钟，关闭管式炉并降温到室温，得到附着于铜箔上的单层石墨烯薄膜。
步骤三，采用湿法转移法将步骤二中得到的石墨烯薄膜转移至图形化蓝宝石衬底1的上表面，如图4a。
步骤四，刻蚀石墨烯形成沟道层2。
采用氧等离子体刻蚀工艺，在图形化蓝宝石衬底1上表面的石墨烯薄膜上刻蚀，形成沟道层2，如图4b；刻蚀的工艺条件是：流量为20sccm，功率为40W，刻蚀时间为80s。
步骤五，制作源极4、漏极5和栅极6。
采用电子束蒸发镀膜方法，先在沟道层2的两端，分别淀积两个与沟道层2接触的厚度为10/50nm的镍金电极，作为源极4和漏极5；再在沟道层2的一侧且不直接接触沟道层2的位置，淀积一个厚度为10/50nm的镍金电极，作为栅极6，如图4c。
步骤六，配制离子凝胶。
将离子液体、聚合物、溶剂以5:1:10的比例混合于烧杯中，将烧杯置于恒温磁力搅拌器上，在70℃的条件下以650rpm的转速搅拌1.5h，配制成离子凝胶。
步骤七，制作栅介质层3。
将离子凝胶旋涂在具有沟道层2、源极4、漏极5和栅极6的图形化衬底1上，先以600rpm的转速旋涂9s，再以3000rpm的转速旋涂40s；然后在室温空气中挥发溶剂10min，形成栅介质层3，如图4d，完成石墨烯晶体管的制作。
实施例3：在椭球状凸起直径为3.0微米，高度为2.0微米，分布间隔为6.0微米的图形化碳化硅衬底制作钛金电极的石墨烯晶体管。
步骤A，选择图形化衬底。
选用椭球状凸起直径为3.0微米，高度为2.0微米，分布间隔为6.0微米的图形化碳化硅衬底。
步骤B，生长石墨烯薄膜。
首先，将洁净的铜箔放入石英舟中，将石英舟放入恒温管式炉中；再将管式炉抽成真空后，通入10sccm氢气，加热升温至1050℃并保持；然后，在1050℃下通入流量为1sccm的甲烷和500sccm的氢气30分钟，关闭管式炉并降温到室温，得到附着于铜箔上的单层石墨烯薄膜。
步骤C，采用湿法转移法将步骤B中得到的石墨烯薄膜转移至图形化碳化硅衬底1的上表面，如图4a。
步骤D，刻蚀石墨烯形成沟道层2。
采用氧等离子体刻蚀工艺，在图形化碳化硅衬底1上表面的石墨烯薄膜上刻蚀，形成沟道层2，如图4b；刻蚀的工艺条件是：流量为20sccm，功率为40W，刻蚀时间为80s。
步骤E，制作源极4、漏极5和栅极6。
采用电子束蒸发镀膜方法，先在沟道层2的两端，分别淀积两个与沟道层2接触的厚度为10/50nm的钛金电极，作为源极4和漏极5；再在沟道层2的一侧且不直接接触沟道层2的位置，淀积一个厚度为10/50nm的钛金电极，作为栅极6，如图4c。
步骤F，配制离子凝胶。
将离子液体、聚合物、溶剂以5:1:7的比例混合于烧杯中，将烧杯置于恒温磁力搅拌器上，在70℃的条件下以650rpm的转速搅拌2h，配制成离子凝胶。
步骤G，制作栅介质层3。
将离子凝胶旋涂在具有沟道层2、源极4、漏极5和栅极6的图形化衬底1上，先以600rpm的转速旋涂9s，再以5000rpm的转速旋涂40s；然后在室温空气中挥发溶剂10min，形成栅介质层3，如图4d，完成石墨烯晶体管的制作。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于图形化衬底的石墨烯晶体管，包括图形化衬底(1)、沟道层(2)、栅介质层(3)、源极(4)、漏极(5)和栅极(6)，其特征在于：
图形化衬底(1)的表面设有椭球状凸起分布；
沟道层(2)覆盖于图形化衬底(1)的凸起的上表面；
源极(4)和漏极(5)位于图形化衬底(1)的平坦部分上表面，且部分覆盖于沟道层(2)的上表面；
栅极(6)位于图形化衬底(1)的平坦部分上表面的沟道层(2)一侧，且与沟道层(2)不直接接触；
栅介质层(3)位于沟道层(2)的上表面，且部分覆盖于源极(4)、漏极(5)和栅极(6)的上表面。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述图形化衬底(1)，采用硅、蓝宝石、碳化硅和砷化镓材料中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：
所述沟道层(2)，采用单层石墨烯；
所述栅介质层(3)，采用含有离子液体和聚合物的离子凝胶。
4.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述源极(4)、漏极(5)和栅极(6)均采用钛金电极或镍金电极。
5.根据权利要求1所述的图形化衬底，其上表面的椭球状凸起的直径为2.0-3.0微米，高度为1.0-2.0微米，分布间隔为3.0-6.0微米。
6.一种基于图形化衬底的石墨烯晶体管制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用化学气相沉积方法制备石墨烯材料，并将该石墨烯转移到分布有椭球状凸起的图形化衬底上；
2)采用氧等离子体对转移至图形化衬底上的石墨烯进行刻蚀，形成沟道层；
3)采用电子束蒸发镀膜方法在图形化衬底上制作源极、漏极和栅极；
4)采用离子液体、聚合物和溶剂，以5:1:7-5:1:15为比例，通过磁力搅拌，配制成离子凝胶；
5)在具有沟道层、源极、漏极和栅极的图形化衬底上，以2000-5000rpm的转速旋涂离子凝胶，在室温空气中使溶剂自然挥发，形成栅介质层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，1)中采用化学气相淀积方法制备石墨烯材料，其工艺条件如下：
基底采用铜箔，
甲烷和氢气流量比为1sccm:500sccm，
生长温度为1000-1050℃，
生长时间为30-60min。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于4)中的离子液体，采用1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于4)中的聚合物，采用1,1,2,3,3,3-六氟-1-丙烯与1,1-二氟乙烯的聚合物。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于4)中的溶剂，采用丙酮。
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