CN102479820A - 场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种场效应晶体管及其制备方法。该场效应晶体管包括：衬底，包括背栅材料和绝缘介质层；石墨烯沟道区，形成于绝缘介质的上方；源/漏接触电极，形成于绝缘介质层的上方，石墨烯沟道区的两侧，源接触电极和漏接触电极分别与石墨烯沟道区接触。由于石墨烯材料具有巨大的载流子迁移率，本发明利用石墨烯作为沟道区材料的场效应晶体管可以大幅度提高场效应晶体管的速度。

Description

场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

由单层到少数几层碳原子构成、具有二维蜂窝状结构的石墨烯(Graphene)最早是由英国曼彻斯特大学的天文物理学教授Andre Geim领导的研究组于2004年发现并制备的，该成果发表在《Science》【306，666-669(2004)】，它是世界上已知最薄的物质，他的荷载流子显示固有的巨大的迁移率，悬浮石墨烯在低温下有很高的本征载流子迁移率，超过200000cm²/Vs(见《Solid State communication》【146，351(2008)】)，被认为是最有希望替代硅半导体延续摩尔定律的新型材料。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：场效应晶体管不能满足对其速度越来越高，尺寸越来越小的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种场效应晶体管及其制备方法，以提高新型晶体管中本征载流子的迁移率。

(二)技术方案

本发明公开了一种场效应晶体管，包括：衬底，包括背栅材料和绝缘介质层；石墨烯沟道区，形成于所述衬底的上方；源电极和漏电极，形成于所述衬底的上方，所述石墨烯沟道区的两侧，所述源电极和漏电极分别与所述石墨烯沟道区接触。

此外，本发明还公开了一种场效应晶体管的制备方法，包括：制备衬底，所述衬底包括背栅材料和绝缘介质层；用微机械的方法制备石墨烯，并将所述石墨烯转移至所述绝缘介质层上，形成石墨烯沟道区；在所述衬底上，所述石墨烯沟道区的两侧制备与所述石墨烯沟道区接触的源/漏电极。

(三)有益效果

本发明中，由于石墨烯材料具有巨大的载流子迁移率，因此，利用石墨烯作为沟道区材料的场效应晶体管可以大幅度提高场效应晶体管的速度。

附图说明

图1为本发明实施例场效应晶体管的示意图；

图2为本发明场效应晶体管中所使用的采用微机械方式剥离的石墨烯的光学显微镜照片；

图3为本发明场效应晶体管制备方法中采用的掩膜的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明公开了一种场效应晶体管，包括：衬底，包括背栅材料和绝缘介质层；石墨烯沟道区，形成于衬底的上方；源电极和漏电极，形成于衬底的上方，石墨烯沟道区的两侧，源电极和漏电极分别与石墨烯沟道区接触。

由于石墨烯材料具有巨大的载流子迁移率，因此，利用石墨烯作为沟道区材料的晶体管可以大幅度提高场效应晶体管的速度。

图1为本发明实施例场效应晶体管的示意图。如图1所示，场效应晶体管器件，是由低阻硅片(n型或者p型高掺杂硅片)101、绝缘材料102、石墨烯103、源漏接触电极104构成，具体的说就是在利用高掺杂低阻硅片热生长10nm到500nm厚的二氧化硅，然后再把已经做好的石墨烯材料转移到二氧化硅上，最后利用微电子领域中的光刻、蒸镀以及lift-off等工艺制备出源漏金属接触。低阻高掺杂的硅片作为背栅，石墨烯作为此场效应晶体管的沟道，源漏电极直接与石墨烯沟道接触而形成的石墨烯场效应晶体管。通过在背栅上加不同的电压可以调节石墨烯沟道中载流子的浓度和分布，从而形成一种场效应晶体管的结构。

在进一步的实施例中，石墨烯沟道区包括：单层石墨烯，单层石墨烯厚度介于0.35nm到0.8nm之间；或双层石墨烯，双层石墨烯厚度介于0.8nm到1.2nm之间；或者多层的石墨烯，多层石墨烯厚度介于1.2nm到1.8nm之间。石墨烯为采用微机械剥离的方式制备，并转移至衬底的。优选地，石墨烯为使用胶带从高定向热解石墨上剥离，并转移至衬底的。图2为本发明场效应晶体管中所使用的采用微机械方式剥离的石墨烯的光学显微镜照片。在图2中，105为单层石墨烯，106为少数层石墨烯，107为石墨。图3是制备石墨烯场效应晶体管中所用的掩膜版中的一个单元，108电极接触，109是叉指。

本发明还提供的上述场效应晶体管器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，准备高掺杂的n型或者p型硅衬底样品；

步骤2，把步骤1样品拿到高温合金炉中，高温热生长300nm的二氧化硅；

步骤3，使用Scotch胶带从HOPG(高定向热解石墨)上剥离下实验中所要用的石墨烯材料；

步骤4，用Scotch胶带把步骤3制得的石墨烯转移到步骤2中制得的二氧化硅衬底上；

步骤5，把步骤4制得的样品放到85℃的热板上烘5分钟；

步骤6，把样品放到匀胶机上使用3000rpm的转速，匀正胶1分钟；

步骤7，再次把样品放到85℃的热板上烘烤4.5分钟；

步骤8，把样品放到光刻机上，使用掩膜版曝光4秒，图3为本发明场效应晶体管制备方法中采用的掩膜的结构示意图；

步骤9，在正胶显影液中显影1分钟，然后放进定影液中定影1分钟中；

步骤10，把样品转移到电子束蒸镀机中，依次蒸镀5nm的Cr和50nm的金；

步骤11，蒸镀结束后，把样品依次放进丙酮、酒精和去离子水里，剥离即的源漏接触电极；

步骤12，用氮气枪吹干样品即得所要的石墨烯场效应晶体管。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种场效应晶体管，其特征在于，包括：

衬底，包括背栅材料和绝缘介质层；

石墨烯沟道区，形成于所述绝缘介质层的上方；

源/漏接触电极，形成于所述绝缘介质层的上方，所述石墨烯沟道区的两侧，所述源接触电极和漏接触电极分别与所述石墨烯沟道区接触。

2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯沟道区包括：厚度介于0.35nm到0.8nm之间的单层石墨烯；或厚度介于0.8nm到1.2nm之间的双层石墨烯；或厚度介于1.2nm到1.8nm之间的多层石墨烯。

3.根据权利要求2所述的场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯为采用微机械剥离的方式制备，并转移至所述衬底的。

4.根据权利要求3所述的场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯为使用胶带从高定向热解石墨上剥离，并转移至所述衬底的。

5.根据权利要求1至4所述的场效应晶体管，其特征在于，

所述衬底包括：n型或p型硅片作为背栅；在所述硅片上热氧化形成的二氧化硅层作为绝缘介质层。

6.一种场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：

制备衬底，所述衬底包括背栅材料和绝缘介质层；

用微机械的方法制备石墨烯，并将所述石墨烯转移至所述绝缘介质层上，形成石墨烯沟道区；

在所述衬底上，所述石墨烯沟道区的两侧制备与所述石墨烯沟道区接触的源/漏接触电极。

7.根据权利要求6所述的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述石墨烯沟道区包括：厚度介于0.35nm到0.8nm之间的单层石墨烯；或厚度介于0.8nm到1.2nm之间的双层石墨烯；或厚度介于1.2nm到1.8nm之间的多层石墨烯。

8.根据权利要求7所述的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述石墨烯为使用胶带从高定向热解石墨上剥离，并转移至所述衬底的。

9.根据权利要求8所述的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述制备衬底包括：

将高n型或者p型硅片置入高温合金炉中；

加热，在所述硅片上方热生长10nm到500nm厚的二氧化硅层，所述硅片作为所述背栅材料，所述二氧化硅层作为所述绝缘介质层。

10.根据权利要求9所述的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述在衬底上，所述石墨烯沟道区的两侧制备与石墨烯沟道区接触的源/漏接触电极。包括：

将制备了石墨烯沟道区的场效应晶体管样品在85℃的热板上烘5分钟；

将样品在3000rpm的转速在匀胶机上，匀正胶1分钟；

将样品在85℃的热板上烘烤4分30秒；

将样品在光学光刻机上曝光4秒；

将样品在正胶显影液中显影50秒；

将样品转移到电子束蒸镀机腔中，依次蒸镀规定厚度的铬和金，或者镍和金，或者钛钯金作为源漏电极；

将蒸镀后的样品依次放到丙酮、酒精和去离子水中，剥离蒸镀在沟道区顶部的所述铬和金，或者镍和金，或者钛钯金，得到所述源/漏接触电极。

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