CN111739803A - 石墨烯场效应管及其制造方法 - Google Patents
石墨烯场效应管及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111739803A CN111739803A CN202010635911.7A CN202010635911A CN111739803A CN 111739803 A CN111739803 A CN 111739803A CN 202010635911 A CN202010635911 A CN 202010635911A CN 111739803 A CN111739803 A CN 111739803A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- graphene
- substrate
- hydrogen ion
- field effect
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 379
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 375
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000002353 field-effect transistor method Methods 0.000 title description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 134
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 130
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 129
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 128
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 53
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 435
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 57
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 32
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 claims description 20
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 18
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 14
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 claims description 9
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 7
- 238000007605 air drying Methods 0.000 claims description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 6
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 11
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 6
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 6
- 239000010408 film Substances 0.000 description 6
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 6
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 6
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 6
- 229920000997 Graphane Polymers 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000012815 thermoplastic material Substances 0.000 description 3
- ZXMGHDIOOHOAAE-UHFFFAOYSA-N 1,1,1-trifluoro-n-(trifluoromethylsulfonyl)methanesulfonamide Chemical compound FC(F)(F)S(=O)(=O)NS(=O)(=O)C(F)(F)F ZXMGHDIOOHOAAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HDSXCBDFIZYBDV-UHFFFAOYSA-N [SH2]=N.FC(F)F.FC(F)F Chemical compound [SH2]=N.FC(F)F.FC(F)F HDSXCBDFIZYBDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RDOXTESZEPMUJZ-UHFFFAOYSA-N anisole Chemical compound COC1=CC=CC=C1 RDOXTESZEPMUJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 2
- 229920006335 epoxy glue Polymers 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- BXHHZLMBMOBPEH-UHFFFAOYSA-N diethyl-(2-methoxyethyl)-methylazanium Chemical compound CC[N+](C)(CC)CCOC BXHHZLMBMOBPEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- UZKWTJUDCOPSNM-UHFFFAOYSA-N methoxybenzene Substances CCCCOC=C UZKWTJUDCOPSNM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
- H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
- H01L29/66477—Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0603—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L29/1608—Silicon carbide
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
本公开涉及一种石墨烯场效应管及其制造方法。方法包括：获得带有石墨烯层的衬底，石墨烯层位于衬底上；在石墨烯层上制备源极电极和漏极电极；在衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，第一承载层中设置的与石墨烯层对应的通孔和石墨烯层、顶盖层形成承载空腔，在确定承载空腔中已经注入液态氢离子电解质之后，密封承载空腔，得到石墨烯场效应管，其中，石墨烯场效应管的栅极电极与液态氢离子电解质接触。本公开实施例所制造的石墨烯场效应管在室温下的电流开关比高，在石墨烯场效应管可以做到原位调控，且制造工艺简单，成本低，适用范围广。
Description
技术领域
本公开涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种石墨烯场效应管及其制造方法。
背景技术
在电子器件领域，硅基目前仍然被广泛地应用但随着性能与集成密度要求的逐步提高，硅基器件研发已经逐步接近尺寸极限，摩尔定律即将走到尽头，因此人们在电子器件领域新的关注点开始转移二维材料。因为基于二维材料的场效应管器件，具有尺寸更小、缺陷更少、功耗和集成度更高的优点。其中，石墨烯以其稳定的热力学、化学性质，超高的载流子迁移率，一个原子的厚度成为场效应管器件的较好材料，但由于石墨烯没有带隙，使得以石墨烯为材料的场效应管器件的开关比相对较低，难以满足大规模应用的实际需求，是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种石墨烯场效应管及其制造方法。
根据本公开的第一方面，提供了一种石墨烯场效应管的制造方法，所述方法包括：
获得带有石墨烯层的衬底，所述石墨烯层位于所述衬底上；
在所述石墨烯层上制备源极电极和漏极电极，所述源极电极和所述漏极电极之间存在间隔；
在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔，在确定所述承载空腔中已经注入液态氢离子电解质之后，密封所述承载空腔，得到石墨烯场效应管，
其中，所述石墨烯场效应管的栅极电极均与所述液态氢离子电解质接触。
在一种可能的实现方式中，在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔，在确定所述承载空腔中已经注入液态氢离子电解质之后，密封所述承载空腔，得到石墨烯场效应管，包括：
在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔；
通过所述承载空腔上的通道注入所述液态氢离子电解质；
对所述第一承载层和所述顶盖层进行处理，密封所述液态氢离子电解质，得到所述石墨烯场效应管，
其中，所述通道包括以下任一种：所述第一承载层和所述顶盖层之间的缝隙、所述第一承载层上的孔、所述顶盖层上与所述通孔位置对应的孔。
在一种可能的实现方式中，在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔，在确定所述承载空腔中已经注入液态氢离子电解质之后，密封所述承载空腔，得到石墨烯场效应管，包括：
在所述第一承载层中、或者在所述第一承载层与所述顶盖层之间，放置预先制备好的栅极电极。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
在所述石墨烯层上制备所述源极电极和漏极电极的同时，在所述衬底上制备栅极电极，所述栅极电极与所述石墨烯层不接触。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括以下至少一个步骤：
在所述石墨烯层上制备所述栅极电极、所述源极电极以及在所述衬底上制备所述漏极电极之前，在所述石墨烯层和所述衬底上制备粘附层，所述粘附层位于所述栅极电极与所述衬底、所述源极电极与所述石墨烯层、所述漏极电极与所述石墨烯层之间；并且/或者
在所述石墨烯层上制备所述源极电极和所述漏极电极之后，在所述源极电极和所述漏极电极上制备阻挡层。
在一种可能的实现方式中，所述石墨烯层为单层或双层结构，所述衬底包括硬质衬底或柔性衬底，在所述衬底为柔性衬底时，所述石墨烯场效应管的材料为柔性材料，
所述栅极电极的材料包括铂。
根据本公开的第二方面，提供了一种石墨烯场效应管的制造方法，所述方法包括：
获得带有石墨烯层的衬底，所述石墨烯层位于所述衬底上；
在所述石墨烯层上制备源极电极和漏极电极；
在所述衬底上形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管，所述固态氢离子电解质层至少覆盖所述石墨烯层，
其中，所述石墨烯场效应管的栅极电极与所述固态氢离子电解质接触。
在一种可能的实现方式中，在所述衬底上形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管，包括：
将含有所述固态氢离子电解质的溶液旋涂至所述衬底上，风干固化形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管。
在一种可能的实现方式中，在所述衬底上形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管，包括：
在所述衬底上形成第二承载层，所述第二承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层形成承载槽；
在所述承载槽中加入含有固态氢离子电解质的溶液，并进行风干、固化处理去除所述溶液，形成所述固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管。
在一种可能的实现方式中，在所述衬底上形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管，包括：
在所述第二承载层中、或者在所述第二承载层上，放置预先制备好的栅极电极。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
在所述石墨烯层上制备所述源极电极和漏极电极的同时，在所述衬底上制备栅极电极，所述栅极电极与所述石墨烯层不接触。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括以下至少一个步骤：
在所述石墨烯层上制备所述栅极电极、所述源极电极以及在所述衬底上制备所述漏极电极之前，在所述石墨烯层和所述衬底上制备粘附层，所述粘附层位于所述栅极电极与所述衬底、所述源极电极与所述石墨烯层、所述漏极电极与所述石墨烯层之间；并且/或者
在所述石墨烯层上制备所述源极电极和所述漏极电极之后，在所述源极电极和所述漏极电极上制备阻挡层。
在一种可能的实现方式中，所述石墨烯层为单层或双层结构，所述衬底包括硬质衬底或柔性衬底，在所述衬底为柔性衬底时，所述石墨烯场效应管的材料为柔性材料，
所述栅极电极的材料包括铂。
根据本公开的第三方面，提供了一种石墨烯场效应管，根据上述第一方面的方法制造，所述石墨烯场效应管包括：衬底、石墨烯层、第一承载层、顶盖层、源极电极、漏极电极、栅极电极和液态氢离子电解质，
所述石墨烯层位于所述衬底上，所述源极电极、所述漏极电极位于所述石墨烯层上；
所述第一承载层、所述顶盖层依次设置于所述衬底上，所述第一承载层中设置有与所述石墨烯层对应的通孔，所述通孔、所述石墨烯层和所述顶盖层形成承载空腔；
所述承载空腔中密封放置有所述液态氢离子电解质，所述栅极电极均与所述液态氢离子电解质接触，
其中，在所述栅极电极和所述源极电极之间施加一个正的栅极电压时，产生的电场会驱动所述液态氢离子电解质中的氢离子在所述石墨烯层的表面聚集，在所述石墨烯层和所述液态氢离子电解质之间形成电荷，石墨烯层的电阻会被调制；
当所述栅极电压增加超过氢化电压且小于第一电压值时，所述石墨烯层的石墨烯通道由导电状态逐渐变为绝缘状态，所述漏极电极和所述源极电极之间的源漏电流急剧下降；
当所述栅极电压从第二电压值逐渐下降至第三电压值时，所述石墨烯通道由绝缘状态逐渐恢复到导电状态，所述源漏电流逐渐增大，并在所述栅极电压达到第四电压值时，所述石墨烯通道达到完全打开状态。
根据本公开的第四方面，提供了一种石墨烯场效应管，根据上述第二方面的方法制造，所述石墨烯场效应管包括：衬底、石墨烯层、源极电极、漏极电极、栅极电极和固态氢离子电解质层，
所述石墨烯层位于所述衬底上，所述源极电极、所述漏极电极位于所述石墨烯层上；
所述固态氢离子电解质层位于所述衬底上，且所述固态氢离子电解质层至少覆盖所述石墨烯层，所述栅极电极均与所述固态氢离子电解质层接触，
其中，在所述栅极电极和所述源极电极之间施加一个正的栅极电压时，产生的电场会驱动所述固态氢离子电解质中的氢离子在所述石墨烯层的表面聚集，在所述石墨烯层和所述固态氢离子电解质之间形成电荷，石墨烯层的电阻会被调制；
当所述栅极电压增加超过氢化电压且小于第一电压值时，所述石墨烯层的石墨烯通道由导电状态逐渐变为绝缘状态，所述漏极电极和所述源极电极之间的源漏电流急剧下降；
当所述栅极电压从第二电压值逐渐下降至第三电压值时，所述石墨烯通道由绝缘状态逐渐恢复到导电状态，所述源漏电流逐渐增大，并在所述栅极电压达到第四电压值时，所述石墨烯通道达到完全打开状态。
本公开实施例所提供的石墨烯场效应管及其制造方法，一种方法包括：获得带有石墨烯层的衬底，石墨烯层位于衬底上；在石墨烯层上制备源极电极和漏极电极；在衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，第一承载层中设置的与石墨烯层对应的通孔和石墨烯层、顶盖层形成承载空腔，在确定承载空腔中已经注入液态氢离子电解质之后，密封承载空腔，得到石墨烯场效应管，其中，石墨烯场效应管的栅极电极均与液态氢离子电解质接触。所制造的石墨烯场效应管在室温下的电流开关比高，在石墨烯场效应管可以做到原位调控，且制造工艺简单，成本低，适用范围广。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1a示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管的制造方法的流程图。
图1b示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管的制造方法的流程图。
图2示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管(包含液态氢离子电解质)的结构示意图。
图3示出根据本公开一实施例的测量石墨烯场效应管中源漏电流随栅极电压的变化的电路示意图。
图4示出根据本公开一实施例的测量石墨烯场效应管中石墨烯通道的绝缘态电阻的电路示意图。
图5示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管的快速开关测量电路示意图。
图6a、图6b示出根据本公开一实施例的快速开关石墨烯场效应管过程中石墨烯场效应管的开关性能示意图。
图7示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管1的测量结果示意图。
图8示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管2的测量结果示意图。
图9示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管3的测量结果示意图。
图10示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管4的测量结果示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
为了解决上述问题，可以利用氢化反应得到具有高开关比的石墨烯场效应管。其中，在石墨烯中产生带隙可以利用氢化反应，氢原子与石墨烯晶格的碳原子形成C-H键，这种氢化修饰可以将碳原子的sp2杂化轨道变成sp3杂化轨道，从而改变石墨烯的本征电子结构，打开的带隙最高可以达5.4eV，这种通过氢化诱导打开带隙的思路就完全可以应用于在石墨烯场效应管中，解决上述问题。但由于石墨烯和氢的亲和力较弱，化学惰性较强，因而氢化反应需要较强的条件，可以利用的方式分为三类：氢原子或氢等离子体诱导的氢化反应、化学还原方法、电化学氢化法。虽然这些方法都可以得到绝缘特性的氢化石墨烯，但是都没有办法做到原位可逆的脱氢调控，需要借助外接条件，如加热退火等，来恢复石墨烯的本征性质。因此，提供可以原位可逆地调控石墨烯的氢化反应，从而打开和关闭石墨烯的能隙，就可以在器件中实现高的电流开关比。
图1a示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管的制造方法的流程图。如图1a所示，在石墨烯场效应管所使用的氢离子电解质为液态时，该方法包括步骤S11至步骤S13。
在步骤S11中，获得带有石墨烯层的衬底，所述石墨烯层位于所述衬底上。
在本实施例中，石墨烯层可以将衬底完全覆盖；也可以仅覆盖在沉底的部分区域，也即仅在预设的位置覆盖石墨烯层，可以根据石墨烯场效应管的器件功能需求以及栅极电极在石墨烯场效应管中的位置对石墨烯层所覆盖的衬底区域进行设置，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在步骤S11之前，预先制备所述石墨烯层，所述石墨烯层为单层或双层结构。
在该实现方式中，可以采用机械剥离法直接在衬底的表面进行解理得到单层或双层的石墨烯层；还可以采用化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)的方式、直接外延生长的方式在衬底上生长得到单层或双层的石墨烯层。本领域技术人员可以根据需要对石墨烯层的制备方式进行设置，本公开对此不作限制。
在步骤S12中，在所述石墨烯层上制备源极电极和漏极电极。
在本实施例中，在石墨烯层上制备源极电极和漏极电极可以是直接在石墨烯层上形成源极电极和漏极电极，也可以是将预先加工获得的源极电极和漏极电极安装至石墨烯层上的预设位置，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在所述石墨烯层上制备所述源极电极和漏极电极的同时，在所述衬底上制备栅极电极，所述栅极电极与所述石墨烯层不接触。
在该实现方式中，可以根据预先设置的栅极电极、源极电极和漏极电极的位置、尺寸，在石墨烯层上制备栅极电极、源极电极和在衬底上制备漏极电极，此时，石墨烯层仅设置于衬底的部分区域，栅极电极位于衬底上没有覆盖石墨烯层的区域，以保证石墨烯层与栅极电极之间不接触。源极电极和漏极电极的材料可以是金等导电材料，栅极电极可以是铂等导电材料。源极电极和漏极电极的材料相同，但源、漏极电极的材料与栅极电极的材料可以不同，也可以相同。
在一种可能的实现方式中，为保证栅极电极、源极电极和漏极电极与石墨烯层、衬底之间的粘附性，所述方法还可以包括：在所述石墨烯层上制备所述栅极电极、所述源极电极以及在所述衬底上制备之前，在所述石墨烯层和所述衬底上制备粘附层，所述粘附层位于所述栅极电极与所述衬底、所述源极电极与所述石墨烯层、所述漏极电极与所述石墨烯层之间。粘附层的材料可以是钛、铬等能够增强电极与石墨烯层或衬底之间的粘附性的材料，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，为防止源极电极和漏极电极之间通过氢离子电解质产生的漏电流，保证源极电极和漏极电极与其上的第一承载层的隔离，所述方法还可以包括：在所述石墨烯层上制备所述源极电极和所述漏极电极之后，在所述源极电极和所述漏极电极上制备阻挡层。所述阻挡层的材料可以是氧化铝等，本公开对此不作限制。
在该实现方式中，可以直接在栅极电极、源极电极以及裸露的石墨烯层上一起制备阻挡层，而后去除多余的阻挡层，得到仅位于源极电极和漏极电极之上的阻挡层。还可以直接仅在源极电极和漏极电极上制备阻挡层，本公开对此不作限制。
举例来说，可以先根据栅极电极、源极电极和漏极电极的尺寸和二者在衬底上的位置预制掩膜，将掩膜放置于衬底上的适应位置采用蒸镀的方式在石墨烯层、衬底上制备粘附层，而后继续在粘附层上蒸镀得到源极电极和漏极电极，再继续在粘附层上蒸镀栅极电极。最终在源极电极和漏极电极上制备阻挡层。若源、漏极电极的材料与栅极电极的材料相同时，可以直接一次性在粘附层上蒸镀出栅极电极、源极电极和漏极电极。
在一种可能的实现方式中，对于栅极电极，还可以预先制备好，而后在制造流程中选择合适的时间完成栅极电极的安装。如，在完成源极电极和漏极电极制备之前，根据栅极电极的位置将其安装至衬底上。在完成源极电极和漏极电极的制备之后，根据栅极电极的位置将其安装至衬底上。也可以在下文步骤S13中完成栅极电极的安装，参见下文描述。本领域技术人员可以根据栅极电极的安装位置对其安装时机进行设置，本公开对此不作限制。
在步骤S13中，在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔，在确定所述承载空腔中已经注入液态氢离子电解质之后，密封所述承载空腔，得到石墨烯场效应管。其中，所述石墨烯场效应管的栅极电极均与所述液态氢离子电解质接触。
在本实施例中，可以根据场效应管的使用需求、对第一承载层和顶盖层的材料进行设置，本公开对此不作限制。液态氢离子电解质可以是质量浓度5％的双(三氟甲烷)磺酰亚胺(HTFSI)/聚乙二醇(PEG)、DEME-TFSI(二乙基甲基-(2-甲氧乙基)铵基双(三氟甲磺酰基)酰亚胺)液体等，可以根据石墨烯场效应管的尺寸、液态氢离子电解质的成分对液态氢离子电解质的浓度、质量比等进行设置，以保证所制造的石墨烯场效应管的高开关比需求。
在一种可能的实现方式中，步骤S13可以包括：在所述第一承载层中、或者在所述第一承载层与所述顶盖层之间，放置预先制备好的栅极电极。可以在制备第一承载层的过程中将预制的栅极电极安装在第一承载层中。也可以在制备第一承载层完成之后、制备顶盖层之前，将栅极电极安装在二者之间。
在一种可能的实现方式中，步骤S13可以包括：
在所述氢离子电解质为液态氢离子电解质时，在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔；
通过所述承载空腔上的通道注入所述液态氢离子电解质；
对所述第一承载层和所述顶盖层进行处理，密封所述液态氢离子电解质，得到所述石墨烯场效应管，
其中，所述通道包括以下任一种：所述第一承载层和所述顶盖层之间的缝隙、所述第一承载层上的孔、所述顶盖层上与所述通孔位置对应的孔。
在该实现方式中，可以预先制备好第一承载层，而后将第一承载层转移到衬底上。也可以直接在衬底上制备第一承载层。在完成第一承载层制备之后继续制备顶盖层(或者直接将预先制备好的顶盖层安装上)，得到承载空腔，顶盖层可以覆盖整个第一承载层以及其上的通孔。并在第一承载层和顶盖层之间留有缝隙，或者在制备第一承载层的过程中，在第一承载层中制备孔，或者也可以在顶盖层对应通孔的任意位置制备孔，以将其作为通道。之后通过通道向承载空腔中注入液态氢离子电解质，利用第一承载层材料本身的粘附性、第一承载层与顶盖层的粘附性、或者顶盖层的粘附性、或者其他能够密封通孔的材料将通道密封，使得液态氢离子电解质被密封于承载空腔中，得到石墨烯场效应管。
在该实现方式中，在氢离子电解质为液态氢离子电解质时，可以根据所需场效应管的软硬与否、适用场景等对第一承载层和顶盖层的材料进行设置，如，第一承载层的材料可以为热塑性材料(Thermoplastic)等，顶盖层的材料可以是玻璃片等薄片、薄膜等，本公开对此不作限制。
举例来说，在所述氢离子电解质为液态氢离子电解质时，可以先在衬底上旋涂光刻胶(如先以600r/min的速度旋转6s，而后以4000r/min的速度旋转60s，以使得光刻胶可以均匀的涂覆在衬底上。光刻胶的溶剂可以是苯甲醚等)，并在对光刻胶进行软烘后，以聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)，简称PMMA)等为掩膜进行曝光、烘焙、显影(仅在后续要制备的第一承载层的通孔的位置保留光刻胶)、坚膜(如在90℃的温度下保持300s)等处理。而后在衬底上未被光刻胶覆盖的位置贴合预先制备的构成第一承载层的一层或多层热塑性材料薄膜，得到第一承载层，而后去除光刻胶暴露出通孔。在第一承载层由多层薄膜构成时，可以在贴合薄膜的过程中，将栅极电极放置在任意两层薄膜之间完成安装。而后将预先制备好的顶盖层安装在第一承载层上，形成承载空腔，并在顶盖层与第一承载层某一指定区域留有缝隙(作为通道)。通过通道向承载空腔中注入液态氢离子电解质，而后根据热塑性材料薄膜的性质，将其加热至粘合温度保持一定时间后，使得第一承载层和顶盖层紧密粘合在一起，将液态氢离子电解质封装在承载空腔中，得到石墨烯场效应管。
图1b示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管的制造方法的流程图。在石墨烯场效应管所使用的氢离子电解质为固态时，如图1b所示，该方法包括步骤S21至步骤S23。在石墨烯场效应管所使用的氢离子电解质为固态是方法步骤和上述在石墨烯场效应管所使用的氢离子电解质为液态的方法步骤仅步骤S13和步骤S23不同，其余相关步骤可以采用相同方式实现。
在步骤S21中，获得带有石墨烯层的衬底，所述石墨烯层位于所述衬底上。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在步骤S21之前，预先制备所述石墨烯层，所述石墨烯层为单层或双层结构。
在步骤S22中，在所述石墨烯层上制备源极电极和漏极电极。
在一种可能的实现方式中，所述方法还可以包括：在所述石墨烯层上制备所述源极电极和漏极电极的同时，在所述衬底上制备栅极电极，所述栅极电极与所述石墨烯层不接触。
在一种可能的实现方式中，所述方法还可以包括以下至少一个步骤：
在所述石墨烯层上制备所述栅极电极、所述源极电极以及在所述衬底上制备所述漏极电极之前，在所述石墨烯层和所述衬底上制备粘附层，所述粘附层位于所述栅极电极与所述衬底、所述源极电极与所述石墨烯层、所述漏极电极与所述石墨烯层之间；并且/或者
在所述石墨烯层上制备所述源极电极和所述漏极电极之后，在所述源极电极和所述漏极电极上制备阻挡层。
其中，步骤S21和步骤S22的实现方式与步骤S11和步骤S12的实现方式相同，此处不再赘述。
在步骤S23中，在所述衬底上形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管，所述固态氢离子电解质层至少覆盖所述石墨烯层。其中，所述石墨烯场效应管的栅极电极与所述固态氢离子电解质接触。
在本实施例中，氢离子电解质还可以是固态的，如，质量比1:5的HTFSI与聚氧化乙烯(PEO)的混合物，以1:3的质量比溶解于乙腈或苯甲醚等溶液中。
在一种可能的实现方式中，步骤S23可以包括：在所述第二承载层中、或者在所述第二承载层上，放置预先制备好的栅极电极。可以在制备第二承载层的过程中将预制的栅极电极安装在第二承载层中。也可以在制备第二承载层完成之后，将栅极电极安装第二承载层的上方。
在一种可能的实现方式中，步骤S23可以包括：将含有所述固态氢离子电解质的溶液旋涂至所述衬底上，风干固化形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管。
在一种可能的实现方式中，步骤S23可以包括：
在所述衬底上形成第二承载层，所述第二承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层形成承载槽；
在所述承载槽中加入含有固态氢离子电解质的溶液，并进行风干、固化处理去除所述溶液，形成所述固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管。
在该实现方式中，可以如上文制备第一承载层的方式制备第二承载层。也可以直接在衬底上除第二承载层的通孔对应区域的其他区域上直接涂覆未固化的高分子材料(如环氧胶等)，并在固化后形成第二承载层，第二承载层中的通孔和石墨烯层形成承载槽。而后可以将含有固态氢离子电解质的溶液(如质量比1:5的HTFSI与聚氧化乙烯(PEO)的混合物，以1:3的质量比溶解于乙腈)注入承载槽(如将含有固态氢离子电解质的溶液滴涂在承载槽中)，在氩气等惰性气体环境下，自然风干一定时间(如30min)，待乙腈挥发后留下固态氢离子电解质，得到固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管。其中，在固态氢离子电解质层之后将栅极电极放置于第二承载层上且使得其部分与固态氢离子电解质接触，完成安装。
在一种可能的实现方式中，还可以在步骤S13和步骤S23之后，利用封装材料对其进行封装，以得到封装后的石墨烯场效应管，这样可以在原本密封后的基础上进一步通过封装材料密封、保护各部分，得到可靠性和稳定性更好的石墨烯场效应管。
在一种可能的实现方式中，所述衬底可以包括硬质衬底(如硅片等)或柔性衬底(如聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)等)，在所述衬底为柔性衬底时，所述石墨烯场效应管的材料为柔性材料。
在该实现方式中，石墨烯场效应管可以为柔性或硬质的。在石墨烯场效应管为柔性器件时，其衬底、石墨烯层、第一承载层、顶盖层、第二承载层、源极电极、漏极电极、栅极电极、氢离子电解质、粘附层、阻挡层的材料均选取柔性材料。在石墨烯场效应管为硬质器件时，其衬底、石墨烯层、第一承载层、顶盖层、第二承载层、源极电极、漏极电极、栅极电极、氢离子电解质、粘附层、阻挡层的材料至少部分为硬质材料，保证器件的硬质使用需求。
在一种可能的实现方式中，可以对所要制造的石墨烯场效应管中各层的厚度进行设置，以满足不同的使用需求的同时保证器件的高开关比性能。对于液态氢离子电解质而言，可以根据石墨烯场效应管的尺寸、氢离子浓度需求等对第一承载层的厚度、其上通孔的尺寸进行设置。同样，对于固态氢离子电解质而言，也可以根据石墨烯场效应管的尺寸、需求等对第二承载层的厚度及其通孔的尺寸(或者固态氢离子电解质层的尺寸)进行设置。例如，源极电极和漏极电极的厚度可以为50nm，粘附层的厚度可以为2nm，阻挡层的厚度可以为30nm。
本公开实施例所提供的石墨烯场效应管制造方法，所制造的石墨烯场效应管在室温下的电流开关比高，在石墨烯场效应管可以做到原位调控，且制造工艺简单，成本低，适用范围广。
图2示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管(包含液态氢离子电解质)的结构示意图。如图2所示，利用上述方法所制造的石墨烯场效应管包括：衬底105、石墨烯层101、第一承载层104、顶盖层103、源极电极107、漏极电极107’、栅极电极102和液态氢离子电解质106。
所述石墨烯层101位于所述衬底105上，所述源极电极107、所述漏极电极107’位于所述石墨烯层101上。
所述第一承载层104、所述顶盖层103依次设置于所述衬底105上，所述第一承载层104中设置有与所述石墨烯层101对应的通孔，所述通孔、所述石墨烯层101和所述顶盖层103形成承载空腔(也即图中106所在的空间)；
所述承载空腔中密封放置有所述液态氢离子电解质106，所述栅极电极102与所述氢离子电解质106接触。
其中，其中，在所述栅极电极和所述源极电极之间施加一个正的栅极电压时，产生的电场会驱动所述液态氢离子电解质中的氢离子在所述石墨烯层的表面聚集，在所述石墨烯层和所述液态氢离子电解质之间形成电荷，石墨烯层的电阻会被调制；
当所述栅极电压增加超过氢化电压且小于第一电压值时，所述石墨烯层的石墨烯通道由导电状态逐渐变为绝缘状态，所述漏极电极和所述源极电极之间的源漏电流急剧下降；
当所述栅极电压从第二电压值逐渐下降至第三电压值时，所述石墨烯通道由绝缘状态逐渐恢复到导电状态，所述源漏电流逐渐增大，并在所述栅极电压达到第四电压值时，所述石墨烯通道达到完全打开状态。
在本实施例中，栅极电极102可以如图2所示位于第一承载层104、顶盖层103之间，还可以位于第一承载层之中，或者位于石墨烯层上，本公开对此不作限制。
本公开还提供另外一种石墨烯场效应管，所述石墨烯场效应管包括：衬底、石墨烯层、源极电极、漏极电极、栅极电极和固态氢离子电解质层，
所述石墨烯层位于所述衬底上，所述源极电极、所述漏极电极位于所述石墨烯层上；
所述固态氢离子电解质层位于所述衬底上，且所述固态氢离子电解质层至少覆盖所述石墨烯层，所述栅极电极均与所述固态氢离子电解质层接触。
其中，在所述栅极电极和所述源极电极之间施加一个正的栅极电压时，产生的电场会驱动所述固态氢离子电解质中的氢离子在所述石墨烯层的表面聚集，在所述石墨烯层和所述固态氢离子电解质之间形成电荷，石墨烯层的电阻会被调制；
当所述栅极电压增加超过氢化电压且小于第一电压值时，所述石墨烯层的石墨烯通道由导电状态逐渐变为绝缘状态，所述漏极电极和所述源极电极之间的源漏电流急剧下降；
当所述栅极电压从第二电压值逐渐下降至第三电压值时，所述石墨烯通道由绝缘状态逐渐恢复到导电状态，所述源漏电流逐渐增大，并在所述栅极电压达到第四电压值时，所述石墨烯通道达到完全打开状态。
在一种可能的实现方式中，上述两石墨烯场效应管还可以包括粘附层。粘附层设置在源极电极下方，源极电极与衬底、石墨烯层之间，漏极电极下方，漏极电极与衬底、石墨烯层之间；还可以设置在栅极电极下方，栅极电极与衬底之间。
在一种可能的实现方式中，上述两石墨烯场效应管还可以包括阻挡层。阻挡层可以设置在源极电极上方，源极电极与第一承载层(或者第二承载层)、液态氢离子电解质(或者固态氢离子电解质)之间，漏极电极上方，漏极电极1与第一承载层(或者第二承载层)、液态氢离子电解质(或者固态氢离子电解质)之间。
本公开实施例所提供的石墨烯场效应管，在室温下的电流开关比高，在石墨烯场效应管可以做到原位调控，且制造工艺简单，成本低，适用范围广。
图3示出根据本公开一实施例的测量石墨烯场效应管中源漏电流随栅极电压的变化的电路示意图。如图3所示，在所制造的石墨烯场效应管的栅极电极102和源极电极107’之间施加一个正的栅极电压时，电场会驱动氢离子电解质中的氢离子在石墨烯层101表面聚集，在石墨烯层101和氢离子电解质之间的界面形成电荷，石墨烯的电阻会在一定范围内被调制，当栅极电压增加到氢化电位以上(VG大于1.7V)时，石墨烯的晶格被高度活化，氢离子与石墨烯中的碳原子之间形成化学键，此时漏极电极和源极电极之间的源漏电流急剧下降，石墨烯通道由导电逐渐变为绝缘，直至VG＝4V(也即第一电压值)。当栅极电压从2.5V(也即第二电压值)逐渐下降到0.2V(也即第三电压值)时，石墨烯通道逐渐恢复导电性，源漏电流增大，并在栅极电压达到-1V(也即第四电压值)时完全恢复到石墨烯通道完全打开的状态。
图4示出根据本公开一实施例的测量石墨烯场效应管中石墨烯通道的绝缘态电阻的电路示意图。可以对所制造的石墨烯场效应管的开关电流性能进行测试，为精确测量绝缘状态时氢化石墨烯的电阻率，需要考虑源电极、漏电极以及栅电极两两之间的漏电流。如图4所示，电流表A2测得的源漏电流IDS应包括流过氢化石墨烯沟道的电流(IDS,Gr)、源漏电极之间通过氢离子电解质(IDS,HIE)的电流、以及栅电极与漏电极之间的漏电流信号(IGD)，电流方向如图4所示，即：
IDS＝IDS,Gr+IDS,HIE-IGD
电流表A1测得的电流IG为：IG＝IGD+IGS。
其中，IGS是栅电极与源电极之间的漏电流信号。所以两者之和为：IDS+IG＝IDS,Gr+IDS,HIE+IGS。
所得到的结果对源漏电压(VDS)进行微分，并且由于IGS只与栅压有关，不会随源漏电压变化：dIGS/dVDS＝0，所以有：
其中，RGr为石墨烯的电阻。所以通过计算IDS+IG对源漏电压VDS的斜率的倒数，就可以得到绝缘状态时氢化石墨烯的电阻的下限，再除以石墨烯样品的尺寸长宽比，即可得到电阻率的下限。以单层石墨烯为例，在绝缘状态时，电阻率下限在200GΩ/sq左右(室温)；在栅压-1V和1.5V恢复导通状态时，采用两端法测量器件电阻率为410Ω/sq，可见在室温下开关比可以高达108。
图5示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管的快速开关测量电路示意图。图6a、图6b示出根据本公开一实施例的快速开关石墨烯场效应管过程中石墨烯场效应管的开关性能示意图。如图5所示进行测试连接，当栅极电压周期性的在-0.5V和2.4V之间快速切换时石墨烯场效应管的开关性能如图6a(示出了前一百万个周期中第1-10个周期的开关性能)、图6b(示出了一百万个周期后的第1-10个周期的开关性能)所示。在石墨烯场效应管器件与串联的0.5MΩ电阻上加0.5V的直流电压，栅压VG由信号发生器产生的方波信号(即图6a、图6b中灰色虚线)提供，并由示波器记录石墨烯场效应管器件两端的电压信号(即图6a、图6b中的黑色实线)，图6a、图6b的测量结果表明当栅极电压周期性的在-0.5V和2.4V之间快速切换时，石墨烯场效应管器件在一百万个周期内(如图6a所示)、一百万个周期后(如图6b所示)都可以在导通与关闭的状态间快速转变。这证实了该方法氢化与脱氢的调控是稳定且高度可逆的，并且具有较快的响应时间。
应用示例
以下结合“四个石墨烯场效应管”作为示例性器件，给出根据本公开实施例的应用示例，以便于理解石墨烯场效应管的制造方法的流程。本领域技术人员应理解，以下应用示例仅仅是出于便于理解本公开实施例的目的，不应视为对本公开实施例的限制。
示例1
石墨烯场效应管1的结构参考图2。其中，第一承载层为热塑性塑料(型号为Meltonix 1162-60PF，其加热粘合温度为130℃)，顶盖层为盖玻片，石墨烯层101为单层石墨烯，源极电极107和漏极电极107’所用材料为金、厚度50nm，源极电极107和漏极电极107’之下设置有粘附层(其材料为Cr，厚度为2nm)，无阻挡层。氢离子电解质为液态氢离子电解质“质量浓度5％的双(三氟甲烷)磺酰亚胺(HTFSI)/聚乙二醇(PEG)溶液”。
制造完成后，按照上述图4示出的测量方式进行检测，图7示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管1的测量结果示意图。如图7所示，当栅极电压VG增加到1.7V以上时，石墨烯发生氢化反应，沟道由导电逐渐变为绝缘，VG一直保持到2.25V，当栅极电压VG退回至0V时，石墨烯通道逐渐恢复导电性，源漏电流IDS增大，并在栅极电压VG为-1V时完全恢复到通道打开的状态，由此证实了在液态氢离子电解质中单层石墨烯场效应管1的开关特性。
示例2
石墨烯场效应管2的第二承载层为环氧胶，石墨烯层为单层石墨烯，源极电极和漏极电极所用材料为金、厚度50nm，源极电极和漏极电极之下设置有粘附层(其材料为Cr，厚度为2nm)，石墨烯场效应管2还包括厚度为30nm的氧化铝AlOx的阻挡层，氢离子电解质为固态氢离子电解质“质量比1:5的HTFSI与聚氧化乙烯(PEO)的混合物，以1:3的质量比溶解于乙腈中”。
制造完成后，按照上述图4示出的测量方式进行检测，图8示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管2的测量结果示意图。如图8所示，当栅极电压VG增加到约2.5V以上时，石墨烯发生氢化反应，沟道由导电逐渐变为绝缘，VG一直保持到3V，当栅极电压VG退回至1V时，石墨烯通道逐渐恢复导电性，源漏电流IDS增大，并在VG为-1V时完全恢复到通道打开的状态，由此证实了在固态氢离子电解质中单层石墨烯场效应管2的开关特性。
示例3
石墨烯场效应管3的结构也可以参考图2。石墨烯场效应管3与石墨烯场效应管1的区别在于，石墨烯层为双层的石墨烯，氢离子电解质为液态氢离子电解质“质量浓度5％的双(三氟甲烷)磺酰亚胺(HTFSI)/聚乙二醇(PEG)溶液”。
制造完成后，按照上述图4示出的测量方式进行检测，图9示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管3的测量结果示意图。如图9所示，周期性改变栅极电压VG，当栅极电压VG增加到约1.7V以上时，双层石墨烯逐层发生氢化反应，导电性变差，直到VG为2.25V时变成完全绝缘。当栅极电压VG退回至0.5V时，石墨烯通道逐渐恢复导电性，源漏电流IDS增大，并在VG为-1V时完全恢复到通道打开的状态，由此证实了在液态氢离子电解质中双层石墨烯场效应管3的开关特性。
示例4
石墨烯场效应管4的结构也可以参考图2。石墨烯场效应管4与石墨烯场效应管1的区别在于，氢离子电解质为液态氢离子电解质“纯DEME-TFSI液体(在栅压大于1.5V时可以由电化学效应产生游离的氢离子)”。
制造完成后，按照上述图4示出的测量方式进行检测，图10示出根据本公开一实施例的石墨烯场效应管4的测量结果示意图。如图10所示，周期性改变栅极电压VG，当栅极电压VG增加到约3.0V以上时，石墨烯发生氢化反应，沟道由导电逐渐变为绝缘，VG一直保持到3.4V。当栅极电压VG退回至3.0V时，石墨烯通道逐渐恢复导电性，源漏电流IDS增大，并在VG为2.2V时完全恢复到通道打开的状态，由此证实了在液态电解质DEME-TFSI中单层石墨烯场效应管4的开关特性。
需要说明的是，尽管以实施例作为示例介绍了石墨烯场效应管及其制造方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各步骤和器件各部分，只要符合本公开的技术方案即可。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (15)
1.一种石墨烯场效应管的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
获得带有石墨烯层的衬底，所述石墨烯层位于所述衬底上；
在所述石墨烯层上制备源极电极和漏极电极；
在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔，在确定所述承载空腔中已经注入液态氢离子电解质之后，密封所述承载空腔，得到石墨烯场效应管，
其中，所述石墨烯场效应管的栅极电极与所述液态氢离子电解质接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔，在确定所述承载空腔中已经注入液态氢离子电解质之后，密封所述承载空腔，得到石墨烯场效应管，包括：
在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔；
通过所述承载空腔上的通道注入所述液态氢离子电解质；
对所述第一承载层和所述顶盖层进行处理，密封所述液态氢离子电解质，得到所述石墨烯场效应管，
其中，所述通道包括以下任一种：所述第一承载层和所述顶盖层之间的缝隙、所述第一承载层上的孔、所述顶盖层上与所述通孔位置对应的孔。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述衬底上依次形成第一承载层和顶盖层，所述第一承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层、所述顶盖层形成承载空腔，在确定所述承载空腔中已经注入液态氢离子电解质之后，密封所述承载空腔，得到石墨烯场效应管，包括：
在所述第一承载层中、或者在所述第一承载层与所述顶盖层之间，放置预先制备好的栅极电极。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述石墨烯层上制备所述源极电极和漏极电极的同时，在所述衬底上制备栅极电极，所述栅极电极与所述石墨烯层不接触。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下至少一个步骤：
在所述石墨烯层上制备所述栅极电极、所述源极电极以及在所述衬底上制备所述漏极电极之前，在所述石墨烯层和所述衬底上制备粘附层，所述粘附层位于所述栅极电极与所述衬底、所述源极电极与所述石墨烯层、所述漏极电极与所述石墨烯层之间；并且/或者
在所述石墨烯层上制备所述源极电极和所述漏极电极之后，在所述源极电极和所述漏极电极上制备阻挡层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯层为单层或双层结构，所述衬底包括硬质衬底或柔性衬底，在所述衬底为柔性衬底时，所述石墨烯场效应管的材料为柔性材料，
所述栅极电极的材料包括铂。
7.一种石墨烯场效应管的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
获得带有石墨烯层的衬底，所述石墨烯层位于所述衬底上；
在所述石墨烯层上制备源极电极和漏极电极；
在所述衬底上形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管，所述固态氢离子电解质层至少覆盖所述石墨烯层，
其中，所述石墨烯场效应管的栅极电极与所述固态氢离子电解质接触。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述衬底上形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管，包括：
将含有所述固态氢离子电解质的溶液旋涂至所述衬底上，风干固化形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述衬底上形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管，包括：
在所述衬底上形成第二承载层，所述第二承载层中设置的与所述石墨烯层对应的通孔和所述石墨烯层形成承载槽；
在所述承载槽中加入含有固态氢离子电解质的溶液，并进行风干、固化处理去除所述溶液，形成所述固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述衬底上形成固态氢离子电解质层，得到石墨烯场效应管，包括：
在所述第二承载层中、或者在所述第二承载层上，放置预先制备好的栅极电极。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述石墨烯层上制备所述源极电极和漏极电极的同时，在所述衬底上制备栅极电极，所述栅极电极与所述石墨烯层不接触。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下至少一个步骤：
在所述石墨烯层上制备所述栅极电极、所述源极电极以及在所述衬底上制备所述漏极电极之前，在所述石墨烯层和所述衬底上制备粘附层，所述粘附层位于所述栅极电极与所述衬底、所述源极电极与所述石墨烯层、所述漏极电极与所述石墨烯层之间；并且/或者
在所述石墨烯层上制备所述所述源极电极和所述漏极电极之后，在所述源极电极和所述漏极电极上制备阻挡层。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述石墨烯层为单层或双层结构，所述衬底包括硬质衬底或柔性衬底，在所述衬底为柔性衬底时，所述石墨烯场效应管的材料为柔性材料，
所述栅极电极的材料包括铂。
14.一种石墨烯场效应管，其特征在于，根据权利要求1-6任意一项所述的方法制造，所述石墨烯场效应管包括：衬底、石墨烯层、第一承载层、顶盖层、源极电极、漏极电极、栅极电极和液态氢离子电解质，
所述石墨烯层位于所述衬底上，所述源极电极、所述漏极电极位于所述石墨烯层上；
所述第一承载层、所述顶盖层依次设置于所述衬底上，所述第一承载层中设置有与所述石墨烯层对应的通孔，所述通孔、所述石墨烯层和所述顶盖层形成承载空腔；
所述承载空腔中密封放置有所述液态氢离子电解质，所述栅极电极均与所述液态氢离子电解质接触，
其中，在所述栅极电极和所述源极电极之间施加一个正的栅极电压时，产生的电场会驱动所述液态氢离子电解质中的氢离子在所述石墨烯层的表面聚集，在所述石墨烯层和所述液态氢离子电解质之间形成电荷，石墨烯层的电阻会被调制；
当所述栅极电压增加超过氢化电压且小于第一电压值时，所述石墨烯层的石墨烯通道由导电状态逐渐变为绝缘状态，所述漏极电极和所述源极电极之间的源漏电流急剧下降；
当所述栅极电压从第二电压值逐渐下降至第三电压值时，所述石墨烯通道由绝缘状态逐渐恢复到导电状态，所述源漏电流逐渐增大，并在所述栅极电压达到第四电压值时，所述石墨烯通道达到完全打开状态。
15.一种石墨烯场效应管，其特征在于，根据权利要求7-13任意一项所述的方法制造，所述石墨烯场效应管包括：衬底、石墨烯层、源极电极、漏极电极、栅极电极和固态氢离子电解质层，
所述石墨烯层位于所述衬底上，所述源极电极、所述漏极电极位于所述石墨烯层上；
所述固态氢离子电解质层位于所述衬底上，且所述固态氢离子电解质层至少覆盖所述石墨烯层，所述栅极电极均与所述固态氢离子电解质层接触，
其中，在所述栅极电极和所述源极电极之间施加一个正的栅极电压时，产生的电场会驱动所述固态氢离子电解质中的氢离子在所述石墨烯层的表面聚集，在所述石墨烯层和所述固态氢离子电解质之间形成电荷，石墨烯层的电阻会被调制；
当所述栅极电压增加超过氢化电压且小于第一电压值时，所述石墨烯层的石墨烯通道由导电状态逐渐变为绝缘状态，所述漏极电极和所述源极电极之间的源漏电流急剧下降；
当所述栅极电压从第二电压值逐渐下降至第三电压值时，所述石墨烯通道由绝缘状态逐渐恢复到导电状态，所述源漏电流逐渐增大，并在所述栅极电压达到第四电压值时，所述石墨烯通道达到完全打开状态。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010635911.7A CN111739803B (zh) | 2020-07-03 | 2020-07-03 | 石墨烯场效应管及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010635911.7A CN111739803B (zh) | 2020-07-03 | 2020-07-03 | 石墨烯场效应管及其制造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111739803A true CN111739803A (zh) | 2020-10-02 |
| CN111739803B CN111739803B (zh) | 2021-11-12 |
Family
ID=72653300
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010635911.7A Active CN111739803B (zh) | 2020-07-03 | 2020-07-03 | 石墨烯场效应管及其制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111739803B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103293209A (zh) * | 2013-05-06 | 2013-09-11 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种离子敏传感器及其制作方法 |
| CN105628757A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-06-01 | 中国科学院电子学研究所 | 基于mems的orp传感芯片及其制造方法 |
| US20160276453A1 (en) * | 2013-11-11 | 2016-09-22 | National Institute For Materials Science | Electrical conduction element, electronic device, and method for operating electrical conduction element |
| US9704964B1 (en) * | 2016-05-26 | 2017-07-11 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Graphene-based device with liquid metal contacts |
| CN107579128A (zh) * | 2017-09-04 | 2018-01-12 | 北京工业大学 | 一种基于石墨烯的焦平面成像器件及其制备方法 |
| CN110286150A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-09-27 | 电子科技大学 | 一种柔性湿度电子传感器及其制备方法 |
-
2020
- 2020-07-03 CN CN202010635911.7A patent/CN111739803B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103293209A (zh) * | 2013-05-06 | 2013-09-11 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 一种离子敏传感器及其制作方法 |
| US20160276453A1 (en) * | 2013-11-11 | 2016-09-22 | National Institute For Materials Science | Electrical conduction element, electronic device, and method for operating electrical conduction element |
| CN105628757A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-06-01 | 中国科学院电子学研究所 | 基于mems的orp传感芯片及其制造方法 |
| US9704964B1 (en) * | 2016-05-26 | 2017-07-11 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Graphene-based device with liquid metal contacts |
| CN107579128A (zh) * | 2017-09-04 | 2018-01-12 | 北京工业大学 | 一种基于石墨烯的焦平面成像器件及其制备方法 |
| CN110286150A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-09-27 | 电子科技大学 | 一种柔性湿度电子传感器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111739803B (zh) | 2021-11-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nketia‐Yawson et al. | Recent progress on high‐capacitance polymer gate dielectrics for flexible low‐voltage transistors | |
| Zhang et al. | Tunable charge-trap memory based on few-layer MoS2 | |
| JP4610868B2 (ja) | 有機強誘電メモリーセル | |
| Yuan et al. | Hydrogenation-induced surface polarity recognition and proton memory behavior at protic-ionic-liquid/oxide electric-double-layer interfaces | |
| JP5678129B2 (ja) | 電界効果トランジスタ、中間体 | |
| US7993959B2 (en) | Methods for producing multiple distinct transistors from a single semiconductor | |
| CN109682863A (zh) | 基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及其制备方法 | |
| Petti et al. | Influence of mechanical bending on flexible InGaZnO-based ferroelectric memory TFTs | |
| CN107342228B (zh) | 一种场效应晶体管及其制备方法 | |
| KR101694270B1 (ko) | 고속전자센서용 기판 및 그 제조방법 | |
| CN105448714A (zh) | 一种大开关比场效应晶体管的制备方法 | |
| US20170261453A1 (en) | Humidity sensors with transistor structures and piezoelectric layer | |
| Jiang et al. | Transparent junctionless electric-double-layer transistors gated by a reinforced chitosan-based biopolymer electrolyte | |
| CN111739803B (zh) | 石墨烯场效应管及其制造方法 | |
| Du et al. | Low-voltage, flexible IGZO transistors gated by PSSNa electrolyte | |
| RU2010149479A (ru) | Электронное переключающее устройство и способ изготовления этого устройства | |
| CN108987483B (zh) | 一种MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用 | |
| WO2018144069A1 (en) | Ion-doped two-dimensional nanomaterials | |
| Jiang et al. | Self-Assembled Ultralow-Voltage Flexible Transparent Thin-Film Transistors Gated by $\hbox {SiO} _ {2} $-Based Solid Electrolyte | |
| Martins et al. | Away from silicon era: the paper electronics | |
| JP4156880B2 (ja) | 電界効果トランジスタ | |
| Crain et al. | Formation of SiO 2/Si 3 N 4/SiO 2 positive and negative electrets on a silicon substrate | |
| RU2376677C2 (ru) | Ячейка памяти со структурой проводящий слой-диэлектрик-проводящий слой | |
| Gonzalez-Serrano | Nanoscale Solid Polymer Electrolytes in Metal–Insulator–Conductor Systems for Logic and Neuromorphic Devices | |
| CN116081612B (zh) | 一种通过反馈控制电击穿制备石墨烯亚纳米级间隙的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |