专利名称：具有光电导效应的石墨烯场效应晶体管以及红外探测器的制作方法
技术领域：
本发明属于石墨烯技术领域，具体涉及一种石墨烯场效应晶体管，尤其涉及具有光电导效应的石墨烯效应晶体管以及基于该效应晶体管的红外探测器。
背景技术：
随着摩尔(Moore)定律的不断延展与纵深，使得硅基集成电路的器件尺寸离物理极限越来越近，国际半导体工艺界纷纷提出超越硅(Beyond Silicon)技术，其中，石墨烯 (Graphene)被认为是最有望替代硅的材料。石墨烯是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，单层石墨的厚度约为0. 35纳米。图1为石墨烯的基本结构示意图。当前，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。 由于石墨烯具有超导性能、高强度的机械性能等(例如，其强度可达到130GPa，载流子迁移率可以达到250000cm2/VS)，其自2004年被发现以来被广泛关注。利用石墨烯的半导体特性可制成场效应晶体管(Graphene Field-Effect-Transistor, GFET)。其中，石墨烯用于形成GFET的沟道，通过控制栅端电压，其可以调制沟道的电流大小，也即调制源端和漏端之间的电流大小。同时注意到，在光电子领域，红外探测器主要是利用半导体化合物材料的光导电效应来感测红外线。目前，各波段红外探测器中，无论是InGaAs基、InSb基、或者量子阱型探测QWIP以及碲镉汞(MCT)基，都需要在低温下工作并需要额外的制冷系统，这限制了其应用，并应用成本较高。
发明内容
本发明的目的是将提出一种成本较低，且具有红外探测功能的GFET。同时提供以该GFET为基础的红外探测器。本发明提供的具有红外探测功能的GFET，是一种石墨烯场效应晶体管(GFET)，其包括石墨烯沟道层，所述石墨烯沟道层可操作地在红外线辐射下产生光电导效应，以使所述石墨烯场效应晶体管的电学特性发生变化。按照本发明的GFET的一优选实施例，所述石墨烯沟道层的石墨层数为2至10层。较佳地，所述石墨烯沟道层的禁带宽度在1毫电子伏至250毫电子伏的范围内可调。较佳地，所述红外线的波长大于或等于5微米。较佳地，确定所述红外线的波长范围根据所述石墨烯沟道层的禁带宽度来确定。较佳地，所述石墨烯场效应晶体管还包括栅介质层，所述栅介质层为厚度范围为 10埃至100埃的高K介质层。在一个实施例中，所述栅介质层材料为原子层淀积生长的六方氮化硼或Hf02。在又一实施例中，所述栅介质层材料为原子层淀积生长的Al2O315在另一实施例中，所述栅介质层材料为单晶纳米带结构的Al2O3，所述单晶纳米带结构的Al2O3用作刻蚀所述石墨烯沟道层的掩膜。按照本发明提供的又一实施例的石墨烯场效应晶体管，所述石墨烯场效应晶体管为背栅结构。较佳地，所述石墨烯场效应晶体管的栅介质层层材料为六方氮化硼。较佳地，所述六方氮化硼为从单晶六方氮化硼上剥离并置于所述石墨烯场效应晶体管栅电极上。较佳地，所述石墨烯沟道层通过化学气相淀积法形成。较佳地，所述化学气相淀积的温度范围基本为300°C -400°C。按照本发明又一方面，提供一种红外探测器。该红外探测器的红外感应基本元件采用以上任一所述的石墨烯场效应晶体管。本发明的技术效果是，本发明中，利用GEFT中石墨烯沟道层的光电导效应来探测红外线，其具有灵敏度高、功耗低、超轻超稳定的特点，并且，通过该GEFT制造的红外探测器，不要制冷系统，运行成本低，红外吸收带宽且可根据实际应用需求可调；还避免了现有的红外探测器生产工艺复杂且带有剧毒的问题，尤其适合于巡天红外探测应用。
图1是石墨烯的基本结构示意图。图2是按照本发明一实施例提供的GEFT的基本结构示意图。图3是按照本发明又一实施例提供的GEFT的基本结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和参考实施例，进一步描述本发明。本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚表示，放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制备引起的偏差。例如干法刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本发明实施例图示中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。图2所示为按照本发明一实施例提供的GEFT的基本结构示意图。如常规的 M0SEFET —样，该GFET 10包括沟道层110、源端(S) 130、漏端(D) 140、栅介质层120以及栅端(G)150。如图2所示，沟道层110形成于衬底100上，在该实施例中，衬底100为在Si 上生长SW2薄膜的复合层结构(Si02/Si )，并且，该衬底100为红外透明材料，也即红外线可以穿透该衬底。优选地，该衬底能被5微米以上的中红外线以及远红外线穿透。但是衬底 100的具体类型不受本发明实施例限制。沟道层110在该发明中具体地为石墨烯，并且其是包括两层或两层以上石墨的石墨烯，优选地，石墨烯沟道层110为2至10层石墨的石墨烯。 Frank Schwierz 等人在《Nature Nanotechnology》杂志的 2010 年、第 5 期第 487-496 页的名称为“Graphene transistor”的文章中报道了石墨烯在双层化后出现最大约250meV (毫电子伏)的禁带宽度，由此可知，该石墨烯110具有半导体特性，其在栅端150的电压Vg的调制下，可以形成载流子沟道。
源端130和漏端140分别形成与石墨烯沟道层110的两端，其均与沟道110形成电性连接。源端130和漏端140的具体材料不是限制性的，例如，其可以为Pd、TiN, Pt或Cu 等。另外，石墨烯沟道层110上构图形成栅介质层120，栅介质层120上构图形成栅端150。 因此，在源端130和漏端140之间偏置电压信号Vsd后，通过栅端150上偏置电压信号Vg 的变化，可以调制石墨烯沟道层110中载流子浓度的变化，实现对沟道电流Ids的调制，从而GEFT 10具有场效应晶体管特性。同时，在本发明中，考虑到了石墨烯材料的光电导效应，将该GEFT应用于红外线探测。在该实施例中，石墨烯沟道层110在红外线辐射下可以产生光电导效应，其导致沟道的载流子浓度发生变化，从而会导致Ids变化，也即GEFT的电学特性发生变化。因此，可以通过检测Ids的变化(Vg和Vsd固定的情况下)来探测红外线。另外，由于石墨烯110的载流子迁移率非常高(可以达到20000-50000Cm2/VS)，石墨烯沟道层110在红外线下的光电导效应能迅速得到反映，因此，该GEFT对红外探测具有极高灵敏度，并且，无需常规红外探测器件所必须的制冷系统，应用成本低。同时。我们发现，多层化的石墨烯具有禁带宽度可调的特性，例如，双层化的石墨烯具有在1-250 meV范围内可调的禁带宽度(Eg)。因此，在该实施例中，石墨烯沟道层110 在栅端电压Vg的控制下，其禁带宽度也可以发生变化。根据光电导效应的原理，当照射的光子能量Ar等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带， 从而产生导电的电子、空穴对(也即载流子);本征光电导效应的响应波限λ。根据以下公式 (1)可以计算得出
λ C=hc/Eg=l. 24/Eg (μπι)(1)
其中，h为普朗克常数。因此，在Eg约等于0.25meV时，本征光电导效应的响应波限为5微米。具体地，可以根据所需探测的红外线波长的范围，调节栅端电压以调节禁带宽度Eg，以使该GEFT 10 可以对特定波长范围的红外线进行探测。根据以上计算可知，该GEFT 10至少可以对约5 微米波长以上的中红外以及远红外(通常地，远红外的波长范围为25 μ m-1000 μ m)进行探测，相对于现有的红外探测器件，吸收带更宽。同时，已知，石墨烯沟道层110上生长栅介质层120时，会对石墨烯的晶格结构造成损伤从而大大降低载流子迁移率。因此，栅介质层120优选地采用超薄高κ (介电常数) 介质层。栅介质层120的厚度范围大约为10埃至100埃。在一实施例中，栅介质层120采用h-BN (六方氮化硼)，这是由于h_BN与石墨烯具有基本相同的晶体结构，h-BN在一个原子层平面内化学键作用很强，使h-BN表面具有很强的化学惰性，几乎没有悬空键存在，也没有表面陷阱电荷存在，从而对石墨烯中电子迁移率影响较小。h-BN具体地可以采用ALD (原子层淀积)的方法形成。在又一实施例中，栅介质层120采用ALD生长的A1203。这是，由于ALD是一种厚度及均勻性控制精确、填充能力强、低缺陷超薄生长的高κ介质层生长手段。常规地，ALD生长过程中，利用水作为前驱体；而在ALD应用于石墨烯上的高κ介质层生长时，采用该常规方法是不容易实现高κ介质层生长。在一优选方案中，在石墨烯沟道层110的上表面进行表面处理，例如M)2处理，利用NO2-TMA (三甲基铝)对石墨烯110表层进行功能化，这样，可以ALD生长获得IOnm以下的没有针孔的Al2O3介质薄膜。在又一优选方案中，在石墨烯沟
5道层 110 的上表面生长 PTCA (3，4，9，10-perylene tetracarboxylic acid, 3, 4, 9, 10 -茈四羧酸)的聚合物缓冲层，再ALD生长Al2O3介质薄膜；具体地，将石墨烯110在PTCA溶液中浸泡25-35分钟，然后清洗并吹干放入ALD的生长腔，在约100摄氏度的条件下利用TAM 和水作为前驱体来生长Al2O315这是由于PTCA预处理石墨烯后，引入高密度的羟化物终止二萘嵌苯(carboxylate terminated perylene)分子，同时得到密集的包裹功能团，从而允许连续均一地在石墨烯上生长超薄AL2O3薄膜。进一步，优选地，栅介质层为单晶纳米带(nanoribbon)结构的A1203。同时，构图定义石墨烯沟道层Iio时，也以单晶纳米带的Al2O3栅介质层(120)为刻蚀掩膜，这样，石墨烯沟道层110迁移率可以更好(达到22400cm2/VS)。继续如图2所示，石墨烯沟道层110的生长方法有机械剥离法、石墨烯氧化物化学还原法、热处理法、SiC上外延生长法以及化学气相淀积法(CVD)。为使该GEFT 10的制备易于与集成电路制备工艺集成并且成本低，优选地，采用CVD法生长石墨烯沟道层110，这样易于实现GEFT的大规模化制备。更优选地，CVD生长石墨烯的温度条件为300-400°C。图3所示为按照本发明又一实施例提供的GEFT的基本结构示意图。相比于图2 所示实施例，该实施例的GEFT 30主要差异在于采用了背栅结构。同样地，该GFET 30包括沟道层310、源端(S) 330、漏端(D) 340、栅介质层320以及栅端(G) 350，其分别与图2所示的沟道层110、源端(S) 130、漏端(D) 140、栅介质层120以及栅端(G) 150相对应。如图3所示，栅端350形成于Si02/Si衬底100上，栅端350上先形成栅介质层 320，栅介质层320的具体材料选择以及制备方法等，可以参考图2所示实施例的栅介质层 120 ；沟道层310形成于栅介质层320之上，同样地，沟道层310的具体材料选择以及制备方法等，也可以参考图2所示实施例的沟道层110 ；源端330和漏端340分别与沟道层310的两端电性连接。优选地，在栅介质层320采用h-BN材料，h-BN可以从超纯单晶h_BN上剥离并转移至金属栅端350上，然后在h-BN上生长石墨烯作为沟道层310。这样，石墨烯沟道层310 的迁移率仍然能够保持在较高迁移率水平。需要说明的是，石墨烯沟道层110或310的具体制备方法不限于以上实施例，随着石墨烯的制备方法的不断发展，本领域技术人员可以选择相对适用于红外探测应用的新工艺方法。同时，栅介质层120或320的具体材料种类以及制备方法也不限于以上实施例，其也能随着石墨烯材料研究的不断进步以及介质层制备方法的不断发展，而选择相适用于红外探测应用的新材料或新工艺方法。本发明的GEFT的红外探测波长范围也可能随着对石墨烯材料的研究的进步(例如，禁带宽度的可调范围的变化)，而作相应的变化。因此，该发明的GEFT可以应用于红外探测器，红外探测器的红外感应基本元件采用本发明的GEFT。因此，该红外探测器的灵敏度高、功耗低、超轻超稳定，并且，不要制冷系统，运行成本低，红外吸收带宽且可根据实际应用需求可调；还避免了现有的红外探测器生产工艺复杂且带有剧毒的问题。尤其适合于巡天红外探测应用。以上例子主要说明了本发明的GEFT及其红外探测器。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
权利要求
1.一种具有光电导效应的石墨烯场效应晶体管，其包括石墨烯沟道层，其特征在于，所述石墨烯沟道层可操作地在红外线辐射下产生光电导效应、以使所述石墨烯场效应晶体管的电学特性发生变化；所述红外线的波长大于或等于5微米。
2.如权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯沟道层的石墨层数为2至10层。
3.如权利要求1或2所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯沟道层的禁带宽度在1毫电子伏至250毫电子伏的范围内可调。
4.如权利要求3所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，确定所述红外线的波长范围根据所述石墨烯沟道层的禁带宽度来确定。
5.如权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯场效应晶体管还包括栅介质层，所述栅介质层为厚度为10埃至100埃的高K介质层。
6.如权利要求5所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质材料为原子层淀积生长的六方氮化硼或HfO2,或者为原子层淀积生长的Al2O315
7.如权利要求5所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质为单晶纳米带结构的Al2O3，所述单晶纳米带结构的Al2O3用作刻蚀所述石墨烯沟道层的掩膜。
8.如权利要求1或2所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯场效应晶体管为背栅结构。
9.如权利要求8所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯场效应晶体管的栅介质层为六方氮化硼。
10.如权利要求9所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述六方氮化硼为从单晶六方氮化硼上剥离并置于所述石墨烯场效应晶体管栅电极上。
11.如权利要求1或2所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯沟道层通过化学气相淀积法形成。
12.如权利要求11所述的石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述化学气相淀积的温度范围基本为300°C -400°C。
13.—种红外探测器，其特征在于红外探测元件采用如权利要求1-12中任一项所述的石墨烯场效应晶体管。
全文摘要
本发明属于石墨烯技术领域，具体为一种具有光电导效应的石墨烯场效应晶体管以及红外探测器。该GEFT包括石墨烯沟道层，该石墨烯沟道层可操作地在红外线辐射下产生光电导效应、以使所述石墨烯GEFT的电学特性发生变化；该GEFT灵敏度高、功耗低。使用该GEFT制造的红外探测器，不要制冷系统，运行成本低，超轻超稳定，红外吸收带宽且可根据实际应用需求可调；还避免了现有的红外探测器生产工艺复杂且带有剧毒的问题，尤其适合于巡天红外探测应用。
文档编号H01L31/028GK102185004SQ201110082999
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者吴东平, 周鹏, 孙清清, 张卫 申请人:复旦大学