专利名称：一种多层双栅石墨烯场效应的晶体管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种场效应晶体管器件及其制备工艺，具体涉及一种以石墨烯为沟道材料的场效应晶体管器件及其制备工艺。
背景技术：
石墨烯是被认为是拥有巨大潜力的新型场效应晶体管沟道材料。石墨烯是碳原子以六方晶格形成二维薄膜材料，其中各碳原子之间以SP2杂化形成的O键相连接。石墨烯具有非常优异的电学性能，其中载流子低温本征迁移率高达200000cm2/vs。目前，制造出的石墨烯场效应晶体管的迁移率在3000cm2/Vs到10000cm2/Vs左右，截止频率达到100GHz。但由于材料本身缺陷以及各种散射机制的影响，石墨烯中载流子迁移率还远未达到其本征值，因此石墨烯的高频特性还有进一步提升的空间。此外，石墨烯很薄，其自身的热容很小，因此现有的单沟道石墨烯场效应晶体管可承受的漏源电流很小，限制了石墨烯场效应晶体管在大功率器件中的应用。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提出了一种新型的多层双栅石墨烯场效应晶体管结构及其制备方法。该器件在不增加器件面积的情况下，通过将多个双栅石墨烯场效应晶体管器件堆叠在一起，并将所有堆叠器件单元的源极、栅极以及漏极并联在一起，形成一个具有多沟道的石墨烯场效应晶体管器件。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:一种多层双栅石墨烯场效应的晶体管，包括六方氮化硼作衬底，源电极，漏电极，所述晶体管还包括:底栅金属电极，淀积在所述衬底上；背栅介质，设置在所述背栅金属电极上；单层石墨烯，设置在所述背栅介质上；顶栅介质，设置在所述单层石墨烯上；顶栅金属电极，设置在所述顶栅介质之上；将所述底栅金属电极与所述顶栅金属电极连接，其中，多层以上所述晶体管结构时，将每一层所述晶体管并联，将每一层所述晶体管的源、漏电极分别并联。作为一种优选的方案，所述背栅金属电极为厚度IOnm的Ti和在其基础上的厚度40nm的Au薄膜。作为一种优选的方案，所述源电极或漏电极为厚度IOnm的Cr和在其基础上的厚度50nm的Au薄膜。一种制备上述多层晶体管的方法，包括以下步骤:( I)利用电子束光刻以及电子束蒸发回流工艺在所述衬底上淀积所述底栅金属电极；
(2)用CVD法生长h-BN薄膜转移到所述背栅金属电极上，作为背栅介质；(3)将通过外延法在SiC衬底上生长的所述单层石墨烯转移所述背栅介质上；(4)利用电子束光刻以及金属蒸发回流工艺淀积所述源电极和漏电极；(5)再利用机械剥离法将h-BN转移到所述单层石墨烯薄膜上，作为顶栅介质；
( 6 )利用电子束光刻以及电子束蒸发回流工艺淀积顶栅金属电极，到此，第一层石墨稀场效应晶体管制备完成；(7)在第一层顶栅电极的上方，再转移一层h-BN，作为第二层所述晶体管的底栅介质；(8)再将通过外延法在SiC衬底上生长的单层石墨烯薄膜转移到h-BN介质上，作为第二层石墨烯FET的沟道材料；(9)重复步骤(4) (8)，制作第二层和第三层的石墨烯场效应晶体管；(10)多层晶体管制造完成后，将多层晶体管放置在石英管炉中进行退火，并通入氩气，所述氩气速率为0.7Sccm/s，在300°C下退火2小时；(11)所述多层晶体管制作完成后，用铝互连线将每一层石墨烯场效应晶体管的顶栅和底栅电极相连，之后将所有的栅并联，再将每一层石墨烯场效应晶体管的源和漏分别并联。需要说明的是，所述多层晶体管层数为2 10000层。本发明有益效果在于，该器件利用h-BN作为顶栅和底栅介质，由于h-BN是一种二维平面材料，且表面悬挂键和陷阱电荷非常少，因此能够提高石墨烯沟道载流子的迁移率。这种多层双栅的石墨烯场效应晶体管具有更大的漏源电流承受能力和更高的截止频率，在高频大功率器件领域有广泛应用。
图1为本发明的多层双栅石墨烯场效应晶体管结构示意图；图2为本发明晶体管器件的直流1-V特性曲线；图3为本发明晶体管器件的高频特性曲线。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的描述。如图1所示，为本发明一种多层双栅石墨烯场效应的晶体管，包括六方氮化硼作衬底，源电极，漏电极，所述晶体管还包括:底栅金属电极，淀积在所述衬底上；背栅介质，设置在所述背栅金属电极上；单层石墨烯，设置在所述背栅介质上；顶栅介质，设置在所述单层石墨烯上；顶栅金属电极，设置在所述顶栅介质之上；将所述底栅金属电极与所述顶栅金属电极连接，其中，多层以上所述晶体管结构时，将每一层所述晶体管并联，将每一层所述晶体管的源、漏电极分别并联。作为一种优选的方案，所述背栅金属电极为厚度IOnm的Ti或厚度40nm的Au。
作为一种优选的方案，所述源电极或漏电极为厚度IOnm的Cr或厚度50nm的Au。一种制备上述多层晶体管的方法，包括以下步骤:( I)利用电子束光刻以及电子束蒸发回流工艺在所述衬底上淀积所述底栅金属电极；(2)用CVD法生长h-BN薄膜转移到所述背栅金属电极上，作为背栅介质；(3)将通过外延法在SiC衬底上生长的所述单层石墨烯转移所述背栅介质上；(4)利用电子束光刻以及金属蒸发回流工艺淀积所述源电极和漏电极；(5)再利用机械剥离法将h-BN转移到所述单层石墨烯薄膜上，作为顶栅介质；(6)利用电子束光刻以及电子束蒸发回流工艺淀积顶栅金属电极，到此，第一层石墨稀场效应晶体管制备完成；(7)在第一层顶栅电极的上方，再转移一层h-BN，作为第二层所述晶体管的底栅介质；(8)再将通过外延法在SiC衬底上生长的单层石墨烯薄膜转移到h-BN介质上，作为第二层石墨烯FET的沟道材料；(9)重复步骤(4) (8)，制作第二层和第三层的石墨烯场效应晶体管；(10)多层晶体管制造完成后，将多层晶体管放置在石英管炉中进行退火，并通入氩气，所述氩气速率为0.7Sccm/s，在300°C下退火2小时；(11)所述多层晶体管制作完成后，用铝互连线将每一层石墨烯场效应晶体管的顶栅和底栅电极相连，之后将所有的栅并联，再将每一层石墨烯场效应晶体管的源和漏分别并联。需要说明的是，所述多层晶体管层数为2 10000层。实施例通过本发明方法制作三层双栅石墨烯场效应晶体管，并进行测试。如图2所示，为所述三层双栅石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线图，可以得出，通过将三个双栅石墨烯晶体管堆叠在一起，得到的三层双栅石墨烯场效应晶体管在相同栅压下的漏源电流与其中的单个双栅石墨烯晶体管相比增大了近3倍。如图3所示，为所述三层双栅石墨烯场效应晶体管的高频特性曲线图，可以得出，器件的高频特性与单个双栅石墨烯晶体管相比并没有退化，介质频率达到了 200GHz。由此表明，通过本发明的结构和方法，可以在不影响器件频率特性的情况下提升其功率特性。对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种多层双栅石墨烯场效应晶体管，其特征在于，包括六方氮化硼作衬底，源电极，漏电极，所述晶体管还包括: 底栅金属电极，淀积在所述衬底上； 背栅介质，设置在所述背栅金属电极上； 单层石墨烯，设置在所述背栅介质上； 顶栅介质，设置在所述单层石墨烯上； 顶栅金属电极，设置在所述顶栅介质之上； 将所述底栅金属电极与所述顶栅金属电极连接，其中，多层以上所述晶体管结构时，将每一层所述晶体管并联，即将每一层所述晶体管的源、漏电极分别并联。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述背栅金属电极为厚度IOnm的Ti和在其基础上的厚度40nm的Au薄膜。
3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述源电极或漏电极为厚度IOnm的Cr和在其基础上的厚度50nm的Au薄膜。
4.一种制备权利要求1所述晶体管的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)利用电子束光刻以及电子束蒸发回流工艺在所述衬底上淀积所述底栅金属电极； (2)用CVD法生长h-BN薄膜转移到所述背栅金属电极上，作为背栅介质； (3)将通过外延法在SiC衬底上生长的所述单层石墨烯转移所述背栅介质上； (4)利用电子束光刻以及金属蒸发回流工艺淀积所述源电极和漏电极； (5)再利用机械剥离法将h-BN转移到所述单层石墨烯薄膜上，作为顶栅介质； (6)利用电子束光刻以及电子束蒸发回流工艺淀积顶栅金属电极，到此，第一层石墨烯场效应晶体管制备完成； (7)在第一层顶栅电极的上方，再转移一层h-BN，作为第二层所述晶体管的底栅介质； (8)再将通过外延法在SiC衬底上生长的单层石墨烯薄膜转移到h-BN介质上，作为第二层石墨烯FET的沟道材料； (9)重复步骤(4) (8)，制作第二层和第三层的石墨烯场效应晶体管； (10)多层晶体管制造完成后，将多层晶体管放置在石英管炉中进行退火，并通入氩气，所述氩气速率为0.7Sccm/s，在300°C下退火2小时； (11)所述多层晶体管制作完成后，用铝互连线将每一层石墨烯场效应晶体管的顶栅和底栅电极相连，之后将所有的栅并联，再将每一层石墨烯场效应晶体管的源和漏分别并联。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多层晶体管层数为2 10000层。
全文摘要
一种多层双栅石墨烯场效应的晶体管，包括六方氮化硼作衬底，源电极，漏电极，所述晶体管还包括底栅金属电极，淀积在所述衬底上；背栅介质，单层石墨烯，顶栅介质，顶栅金属电极，将所述底栅金属电极与所述顶栅金属电极连接，其中，多层以上所述晶体管结构时，将每一层所述晶体管并联，将每一层所述晶体管的源、漏电极分别并联。本发明有益效果在于，该器件利用h-BN作为顶栅和底栅介质，由于h-BN是一种二维平面材料，且表面悬挂键和陷阱电荷非常少，因此能够提高石墨烯沟道载流子的迁移率。这种多层双栅的石墨烯场效应晶体管可以最大限度提高石墨烯场效应晶体管的漏源电流，在高频大功率器件领域有广泛应用。
文档编号H01L21/336GK103208524SQ201310148699
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月25日 优先权日2013年4月25日
发明者马中发, 张鹏, 吴勇, 庄奕琪, 肖郑操, 赵钰迪, 郭超, 冯元博 申请人:西安电子科技大学