CN112670347B - 一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管及其制作方法，其以石墨烯薄膜作为阴极电子发射材料，金属作为阳极电子接收材料，石墨烯与金属阳极之间间隔真空纳米间隙，平行于石墨烯薄膜的方向上外加调控栅极。将阴极和阳极所加电压在场发射开启点附近，通过调控栅极所加电压来调控石墨烯的费米能级的高低，因为发射电流受材料费米能级影响非常大，从而实现场发射电流的开启与关断。同时，由于石墨烯特殊的能带结构，载流子的弛豫时间非常短。电子阴极到阳极的电子输运模式以弹道输运为主，等效迁移率极高。因此本发明具有极高的频率特性。而且，本发明所述器件可以实现2‑5nm的源漏间距。
Description
技术领域
本发明属于高频晶体管技术领域，具体涉及一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管及其制作方法。
背景技术
随着晶体管尺寸的缩小，源极和漏极间的沟道也在不断的缩短，当沟道缩短到一定程度的时候，量子随穿效应就会变得非常容易，源极和漏极之间的导通与关断则不会受栅极的控制，那么MOSFET就失去了本身的开关作用，也就无法实现逻辑电路。因此，如何实现更加小型化的栅控逻辑器件，是集成电路发展的关键所在。
传统的硅基集成电路中的MOSFET源漏之间的间距已经越来越小，目前面临无法进一步缩小的局面，也就限制了当前制造工艺的进一步发展。
为了突破现有的集成电路的物理极限，最有效的方法就是寻找新的集成电路材料或者设计新的器件结构，突破现有硅基FinFET集成电路的物理极限。2004年石墨烯的发现为下一代集成电路的开发提供了一种选择，石墨烯有望成为下一代集成电路的制造材料，实现更加小型化的器件制作，从而进一步降低集成电路器件单位的物理尺寸。
近年来年纳米间隙沟道场发射电子器件因其高频性能好、易于小型化、集成化等优势，逐步进入研究者的视野。作为早期电子技术领域的关键核心元件之一，真空电子器件具有高频、大功率和高可靠性等优势，广泛应用于各个领域之中。但受限于机械加工复杂等原因，传统的真空电子系统往往体积庞大臃肿，难以实现小型化、轻量化和集成化。
纳米间隙是由真空或者超薄介质层构成的电子输运沟道，间隙平均尺度小于电子在介质或真空中的平均自由程，缺省真空封装条件下，电子在纳米间隙内部不受到散射等因素的干扰，同时满足器件集成化、小型化的发展要求。与在固体器件中的输运方式截然不同的是，载流子或者电子在纳米间隙沟道中是以自由空间内部弹道输运的形式进行传播的。当纳米间隙沟道的间距小于电子平均自由程，电子在输运过程中的碰撞几率大大降低，可以实现高频率器件。
近年来出现的纳米间隙的场发射晶体管，多是通过在沟道上加栅压来进行调控沟道电流的大小。这样做不仅器件性能差，还有可能引入漏电的风险，难以实现很好的沟道电流调控，开关比较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高效率的石墨烯基纳米间隙场发射晶体管及其制作方法，本发明利用电压调节石墨烯的费米能级高低，控制场发射电流的大小，实现源漏之间的电流大小调节，从而实现源漏之间的开启与关断。场发射电流与石墨烯的费米能级高低呈指数相关，因此本发明器件能够实现较大范围的控制源漏之间的电流，实现较高的开关比的MOSFET器件。。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管，包括从下到上依次设置的衬底、调控栅极以及金属阳极与金属阴极，金属阳极与金属阴极分布在调控栅极的两端，且两者之间具有贯穿调控栅极设置的纳米间隙，金属阴极与调控栅极之间依次设置有石墨烯薄膜和二氧化硅层，通过调节调控栅极的电压来实现金属阳极与金属阴极之间的导通与关断。
进一步的，所述衬底为Si衬底，且Si衬底上生长有二氧化硅。
进一步的，所述调控栅极的材料包括但不仅限于铜、铝、多晶硅和ITO。
进一步的，所述调控栅极的厚度为30-50nm。
进一步的，所述金属阳极的厚度为60-100nm。
一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、在Si衬底上生长二氧化硅；
步骤二、在二氧化硅上形成调控栅极；
步骤三、采用lift-off工艺在调控栅极的一端沉积金属形成金属阳极；
步骤四、在调控栅极和金属阳极的顶部依次形成二氧化硅层和石墨烯薄膜；
步骤五、在金属阳极一侧进行光刻、曝光显影；
步骤六、采用干法刻蚀石墨烯薄膜与二氧化硅层，然后采用湿法或者干法刻蚀调控栅极，形成贯穿调控栅极设置的纳米间隙；
步骤七、在调控栅极的另一端沉积金属形成金属阴极。
进一步的，所述步骤七形成的金属阴极的厚度为30-50nm，且金属阴极距离纳米间隙的距离不小于15nm。
进一步的，所述纳米间隙的宽度为2-5 nm。
进一步的，所述二氧化硅层的厚度为20-30nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是以石墨烯作为阴极电子发射材料，金属作为阳极电子接收材料，石墨烯阴极与金属阳极之间间隔纳米间隙，平行于石墨烯的方向上外加调控金属（或多晶硅等）栅极。将阴极和阳极所加电压控制在石墨烯场发射开启点附近，通过栅极所加电压来调控石墨烯的费米能级的高低，从而实现场发射电流的开启与关断。由于石墨烯的特殊的能带结构，载流子的弛豫时间非常短。电子阴极到阳极的电子输运模式以弹道输运为主，等效迁移率极高，本发明所述器件，具有极高的频率特性。同时由于本发明所述的制造工艺特点，制造本发明器件所要求的最小光刻线宽可以大于纳米间隙的线宽，从而降低了器件对光刻精度的要求。
附图说明
图1是本发明一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管的结构示意图；
图中标记：1、衬底，2、调控栅极，3、金属阳极，4、金属阴极，5、纳米间隙，6、石墨烯薄膜，7、二氧化硅层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管，如图1所示，包括从下到上依次设置的衬底1、调控栅极2以及金属阳极3与金属阴极1，金属阳极3与金属阴极4分布在调控栅极2的两端，且两者之间具有贯穿调控栅极2设置的纳米间隙5，金属阴极4与调控栅极2之间依次设置有石墨烯薄膜6和二氧化硅层7，本发明主要通过调节调控栅极2的电压来调节石墨烯薄膜6的功函数，从而实现控制石墨烯薄膜6向金属阳极3发射电流的大小，从而实现阴极与阳极之间的导通与关断。
进一步的，所述衬底1为Si衬底，且Si衬底上生长有二氧化硅。
一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、在Si衬底上生长二氧化硅；
步骤二、在二氧化硅上形成调控栅极2，所述调控栅极2的材料可以是铜、铝等金属，也可以是多晶硅、ITO等导电非金属，厚度为30-50nm；
步骤三、采用lift-off工艺在调控栅极2的一端沉积金属形成金属阳极3，所述金属阳极的厚度为60-100nm；
步骤四、在调控栅极2和金属阳极3的顶部依次形成二氧化硅层7和石墨烯薄膜6，其中，所述二氧化硅层7的厚度为20-30nm；
步骤五、在金属阳极3一侧进行光刻、曝光显影；光刻在金属阳极一侧，可以留一定富余量，电子传输的沟道为2-5nm时，光刻线条可以远大于5nm，也就是降低了2-5nm特征尺寸的逻辑器件对于光刻最细线条的要求。本发明在光刻过程中可以向阳极偏移，而不影响器件沟道的精度，降低了对光刻的要求。
步骤六、通过步骤五的曝光显影，然后采用干法刻蚀石墨烯薄膜6与二氧化硅层7，然后采用湿法或者干法刻蚀调控栅极2，形成贯穿调控栅极设置的纳米间隙5，所述纳米间隙5的宽度为2-5 nm；
步骤七、在调控栅极2的另一端沉积金属形成金属阴极4。
为了达到最佳的使用效果，所述步骤七形成的金属阴极4的厚度为30-50nm，且金属阴极4距离纳米间隙5的距离不小于15nm。
本发明以石墨烯薄膜6作为阴极电子发射材料，金属作为阳极电子接收材料，石墨烯与金属阳极之间间隔纳米间隙，平行于石墨烯薄膜的方向上外加调控栅极。将阴极和阳极所加电压在场发射开启点附近，通过调控栅极所加电压来调控石墨烯的费米能级的高低，因为发射电流受材料费米能级影响非常大，从而实现场发射电流的开启与关断。同时，由于石墨烯特殊的能带结构，载流子的弛豫时间非常短。电子阴极到阳极的电子输运模式以弹道输运为主，等效迁移率极高。因此本发明具有极高的频率特性。而且，本发明所述器件阴极与阳极之间的间距可以不断缩小间距，实现2-5nm的纳米间隙沟道。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管，其特征在于：包括从下到上依次设置的衬底、调控栅极以及金属阳极与金属阴极，金属阳极与金属阴极分布在调控栅极的两端，且两者之间具有贯穿调控栅极设置的纳米间隙，金属阴极与调控栅极之间自上而下依次设置有石墨烯薄膜和二氧化硅层，通过调节调控栅极的电压来实现金属阳极与金属阴极之间的导通与关断。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管，其特征在于：所述衬底为Si衬底，且Si衬底上生长有二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管，其特征在于：所述调控栅极的厚度为30-50nm。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管，其特征在于：所述金属阳极的厚度为60-100nm。
5.一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在Si衬底上生长二氧化硅；
步骤二、在二氧化硅上形成调控栅极；
步骤三、采用lift-off工艺在调控栅极的一端沉积金属形成金属阳极；
步骤四、在调控栅极和金属阳极的顶部依次形成二氧化硅层和石墨烯薄膜；
步骤五、在金属阳极一侧进行光刻、曝光显影；
步骤六、采用干法刻蚀石墨烯薄膜与二氧化硅层，然后采用湿法或者干法刻蚀调控栅极，把金属阳极顶部的石墨烯薄膜与二氧化硅层完全刻蚀掉，形成贯穿调控栅极设置的纳米间隙；
步骤七、在调控栅极的另一端沉积金属形成金属阴极。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述步骤七形成的金属阴极的厚度为30-50nm，且金属阴极距离纳米间隙的距离不小于15nm。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述纳米间隙的宽度为2-5 nm。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：所述二氧化硅层的厚度为20-30nm。
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Non-Patent Citations (1)
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