一种石墨烯射频晶体管及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及到半导体器件制造的技术领域，特别涉及到一种石墨烯射频晶体管及 其制作方法。
【背景技术】
[0002] 石墨稀(Graphene)是一种新型的二维纳米材料，是目前发现的硬度最高、韧性最 强的纳米材料。因其特殊纳米结构和优异的物理化学性能，石墨烯在电子学、光学、磁学、生 物医学、催化、储能和传感器等领域应用前景广阔，被公认为21世纪的"未来材料"和"革命 性材料"。在电子领域，由于其超高载流子迀移率，石墨烯在制作晶体管沟道材料方面体现 出巨大的优势。目前，石墨烯射频晶体已经被设计应用在电子倍频器、移相键控调制器和混 频器等具有射频概念的电路中。将石墨烯晶体管用于射频电路，其最重要参数之一是截止 频率，其大小由公式(1)给出
(1)
[0004] 其中，为载流子迀移率(石墨烯的载流子迀移率理论上可达2*105cm2/vs，比硅高 100倍），L为沟道长度。由公式可知，石墨烯射频晶体管的截止频率与晶体管的沟道长度呈 反比。所以要提高截止频率，一般可通过缩小沟道长度来提高。
[0005] 2010年2月，IBM的研究人员就在《科学》杂志上展示了在SiC晶圆上大规模射频石 墨烯晶体管，速度高达IOOGHz(每秒1000亿次循环）。2010年9月加州大学洛杉矶分校研究人 员制备出迄今仍为最尚截止频率的石墨稀射频晶体管，频率为300GHz。目如实验上石墨稀 场效应管的截止频率要达到300GHz，其沟道长度需要做到40nm，而要得到40nm的沟道长度， 传统的ArF(193nm)光刻机已不能满足如此小特征尺度的要求，一般需要采用电子束光刻机 设备完成。而电子束光刻工艺技术在石墨烯射频晶体管工艺过程中，石墨烯表面的光刻胶 残留，尤其是光学光刻胶残留，严重影响了石墨烯场效应器件中的接触电阻和栅控能力，使 得石墨烯的电学性能大打折扣，是限制其进一步应用发展的瓶颈之一。其次，电子束光刻机 设备价格昂贵，电子束光刻胶也比普通的光学光刻胶贵几倍，因此，造成石墨烯射频晶体管 价格昂贵。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种石墨烯射频晶体管的制作方法，采用核壳结构的 PMMA/PAN纳米线作为掩膜，实现低成本的制作高性能的石墨烯射频晶体管。
[0007] 为此，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种石墨烯射频晶体管的制作方法，所述石墨烯射频晶体管包括一带有SiO2层的 衬底，所述衬底掩埋有源、漏电极;所述衬底上设有基底/Graphene二维材料层以及源、漏电 极的连接金属层，所述连接金属层覆盖住基底/Graphene二维材料层的两端，所述基底/ Graphene二维材料层中间上设有栅极绝缘层，所述栅极绝缘层上设有栅极;其制作方法如 下：
[0009] 1)通过光刻和蒸镀工艺，在带有SiO2层的衬底上形成掩埋源、漏电极；
[0010] 2)在衬底上开$成基底/Graphene二维材料层，光亥丨」得至丨」特定图形；
[0011] 3)在基底/Graphene二维材料层上沉积栅绝缘层，在所述栅绝缘层上沉积栅极；
[0012] 4)在显微设备下，将核壳结构的纳米线覆盖到栅极表面，以纳米线为掩膜，刻蚀掉 未被掩膜的栅极和栅绝缘层；
[0013] 5)加热纳米线，使纳米线对栅极顶端形成包覆，采用蒸镀工艺，在衬底表面形成 源、漏电极的连接金属层，并光刻得到特定图形；
[0014] 6)去除纳米线及其上覆盖的金属层，即得到所需的石墨烯射频晶体管。
[0015] 优选的，所述带有SiO2层的衬底的制作方法为提供一高阻衬底，热氧化在表面形 成SiO2层，其中SiO 2层的厚度为80-100nm。
[0016] 优选的，所述源、漏电极的材料为&1^11、1^1或者48中的至少一种，其厚度为80-100nm〇
[0017]优选的，所述在衬底上形成基底/Graphene二维材料层的制作方法包括如下：
[0018] 1)在化学气相沉积设备中以Pt箱为衬底生长Graphene二维材料层，再在Graphene 二维材料层上生长基底二维材料层，得到基底/Graphene二维材料层；
[0019] 2)通过鼓泡法将Pt衬底上的基底/Graphene二维材料层转移到带有SiO2层的衬底 上。
[0020] 优选的，所述基底二维材料层为BN或者类金刚石碳。
[0021]优选的，所述栅绝缘层采用原子沉积设备沉积，其材料为Si02、Al203、Hf0 2或者SiN 中的至少一种，厚度为2-10nm;所述栅极采用电子束蒸发设备沉积，其材料为Cu、Au、Ti、Al 或者Ag中的至少一种，厚度为30-100nm〇
[0022] 优选的，所述核壳结构的纳米线为通过高压静电纺丝形成的PMMA/PAN纳米线，其 直径为30-40nm，其静电纺丝条件为温度80 °C，湿度25 %，针极距40cm，电压为45KV，收集板 为金属铝制成的矩形方框。
[0023] 优选的，所述以纳米线为掩膜前需要加热纳米线5-15s，使其软化与栅极紧密贴 合。
[0024]优选的，所述纳米线的加热时间为20-40S。
[0025] 优选的，所述连接金属层的材料为Cu、Au、Ti、Al或者Ag中的至少一种，厚度为10-20nm〇
[0026] 本发明采用以上技术方案，采用核壳结构的静电纺丝纳米线作为掩膜，纳米线直 径为30-40nm，通过自对准工艺，可以低成本的制作高性能的石墨烯射频晶体管。静电纺丝 设备价格约为2万元，约为电子束光刻机设备的1/500,因而成本极低。不可否认，光刻技术 在微细加工和集成电路制造中一直是主流技术，但是对于单个射频晶体管器件而言，采用 静电纺丝纳米线作为掩膜不失不为一种低成本的解决办法。而采用PMMA/PAN核壳结构的纳 米线作为掩膜，其优势在于:核为PAN，该材料具有较好的黏弹力，在高压电场作用下，可形 成直径10-50nm的纳米线，但是其与金属粘附性较差，不能用作掩膜板。而壳材料PMM较脆， 在高的电场作用下易断裂，难以获得直径小于IOOnm的纳米线，但其软化温度较低，稍稍加 热即可软化并与基底材料紧密结合，适合作为掩膜板使用。采用PMMA包覆PAN材料，融合了 PMM软化温度低和PAN纳米线直径小的优势，因而适合用作小尺寸沟道材料的掩膜板。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明石墨烯射频晶体管的结构侧视图。
[0028] 图2为本发明石墨烯射频晶体管的结构俯视图。
[0029] 图3为本发明石墨烯射频晶体管的制作方法结构流程示意图。
[0030] 图4为本发明PMMA/PAN核壳结构静电纺丝纳米线的SEM图。
【具体实施方式】
[0031]为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明 的【具体实施方式】做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充 分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其他方式来实施。因此，本发明不受 以下公开的具体实施的限制。
[0032] -种石墨烯射频晶体管的制作方法，如图1、图2所示，所述石墨烯射频晶体管包括 一带有SiO 2层11的衬底1，所述衬底1掩埋有源电极21和漏电极22;所述衬底1上设有基底 31/Graphene32二维材料层以及源、漏电极的连接金属层4,所述连接金属层4覆盖住基底 31/Graphene32二维材料层的两端，所述基底31/Graphene32二维材料层中间上设有栅极绝 缘层5，所述栅极绝缘层5上设有栅极6;其制作方法如图3所示，包括如下：
[0033] 1)通过光刻和蒸镀工艺，在带有SiO2层11的衬底1上形成掩埋源电极21和漏电极 22；
[0034] 2)在衬底1上形成基底31/Graphene32二维材料层，光刻得到特定图形；
[0035] 3)在基底31/Graphene32二维材料层上沉积栅绝缘层5,在所述栅绝缘层5上沉积 栅极6;
[0036] 4)在显微设备下，将核壳结构的纳米线0覆盖到栅极6表面，以纳米线0为掩膜，刻 蚀掉未被掩膜的栅极6和栅绝缘层