凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法
【专利摘要】本发明为一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，解决了石墨烯沟道与衬底和栅介质层直接接触带来的性能降低的问题。本发明方法在衬底上形成凹槽结构，在凹槽底部制作栅电极和栅介质，然后转移石墨烯薄膜至衬底上以覆盖凹槽，且在石墨烯薄膜两侧制作源、漏极，石墨烯薄膜和栅介质之间形成悬空的石墨烯沟道，避免了石墨烯沟道与衬底、栅介质直接接触。通过悬空的石墨烯沟道，避免衬底和栅介质层对石墨烯基本特性的影响，进一步提高了石墨烯晶体管的性能。
【专利说明】凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及晶体管加工制备技术，具体是一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯(Graphene)，又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是目前世界上公认的最薄也是最坚硬的纳米级材料，几乎透明，导热系数高，高于纳米碳管和金刚石，室温下，石墨烯的电子传递速度比任何已知导体都快，而电阻率比铜或银更低。由于以上突出的特性，石墨烯是未来电气电子航空航天领域的新一代突破性材料。
[0003]在现代通信领域，面临以下难题:电子设备体积庞大，重量重，能耗高，运行速度慢，发热量高，抗干扰能力差等。随着电子科学的发展以及人们需求的不断提升，硅系材料的缺点也不断涌现出来，电子传导慢，发热量大，体积大，直接制约着现代电子领域的发展。由于石墨烯奇特的电学性质，使得它具有较高的载流子迁移率等。在不久的将来石墨烯将代替硅材料，成为下一代半导体材料。2011年4月，IBM公司展示了其研究的截止频率为155GHz的石墨烯晶体管，这是IBM迄今为止生产的最小的晶体管，选通脉冲宽度降到了 40纳米。日本东北大学宣布，其研究人员畠山力三教授及其助教加藤俊显开发出了沟道层使用新型碳材料——石墨烯晶体管，导通/截止比达到IO4以上。常温下其电子迁移率超过15000 cm2/ (V.s),但是由于衬底和沉积在石墨烯上的栅介质层的影响,现在制备的石墨烯晶体管其电子迁移率远低于该值，限制了石墨烯晶体管的各项性能的进一步提高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了提供一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，以解决石墨烯沟道与衬底和栅介质层直接接触带来的性能降低的问题。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，包括如下步骤:
1)取衬底，在衬底上表面刻蚀有凹槽(通过光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀等工艺，这些工艺都是本领域技术人员所熟知并能够实现的)，凹槽个数为单个或者多个，当凹槽个数为多个时，相邻两个凹槽的间距为5nm-5um，并且在多个凹槽的同一端还刻蚀有一个将多个凹槽连通的连通槽；其中，所述的衬底材料为Si02、Si02/S1、石英或塑料；
2)在衬底上的凹槽槽底和连通槽槽底淀积一层导电材料作为栅电极，在凹槽槽底的栅电极上再淀积一层栅介质；其中，所述的导电材料为金属、半导体或聚合物材料(如聚苯胺、聚吡咯、TTF-TCNQ、TTF-TNAF等聚合物材料)，所述的栅介质为SiO2、Si3N4、Ta205、Pr2O3、HfO2、Al2O3 或 ZrO2 ；
3)在衬底上表面转移一层完全覆盖凹槽的石墨烯薄膜(石墨烯材料可以是机械剥离、CVD或热分解等方法制备，这些方法都是本领域技术人员所熟知并能够实现的，例如:将生长在铜箔上或者其他衬底上的石墨烯薄膜表面涂覆一层PMMA即聚甲基丙烯酸甲酯，通过化学腐蚀去除衬底材料，然后将附在PMMA上的石墨烯薄膜转移到具有凹槽结构的衬底上，通过有机清洗去除PMMA)，凹槽内的栅介质和石墨烯薄膜之间有空气间隔(即石墨烯沟道是悬空在栅极上面的，未与衬底或栅介质层直接接触)；
4)在石墨烯薄膜上位于凹槽两侧的位置各淀积一层导电材料，一侧作为源极、另一侧作为漏极；其中，所述的导电材料为金属、半导体或聚合物材料。
[0006]进一步地，凹槽的宽度小于2um、深度为50nm~100 μ m，栅电极层厚度为30nm~30 μ m,栅介质厚度为1nm~20 μ m,这些尺寸设置都是工艺上可以实现的参数范围，理论上栅介质越薄越好，但是过薄会容易击穿，所以通过不断试验得到栅介质厚度为1nm~20μm为宜。所述的石墨烯薄膜为单层或多层，单层石墨烯薄膜的电场调制效果最好，但是多层也可以实现电场调整，现在由于石墨烯薄膜制备工艺不成熟，多数石墨烯材料都是多层。。
[0007]本发明通过在衬底上制备凹槽结构使石墨烯导电沟道与衬底之间分离，避免了石墨烯薄膜与衬底直接接触导致的电学特性降低，进一步提高石墨烯晶体管的特征频率。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为一个凹槽结构(单栅凹槽结构)的本发明晶体管制作步骤I)的示意图。
[0009]图2为一个凹槽结构(单栅凹槽结构)的本发明晶体管制作步骤2)的示意图。
[0010]图3为一个凹槽结构(单栅凹槽结构)的本发明晶体管制作步骤3)的示意图。
[0011]图4为一个凹槽结构(单栅凹槽结构)的本发明晶体管制作步骤4)的示意图。
[0012]图5为两个凹槽结构(双栅凹槽结构)的本发明晶体管制作步骤I)的示意图。
[0013]图6为两个凹槽结构(双栅凹槽结构)的本发明晶体管制作步骤2)的示意图。
[0014]图7为两个凹槽结构(双栅凹槽结构)的本发明晶体管制作步骤3)的示意图。
[0015]图8为两个凹槽结构(双栅凹槽结构)的本发明晶体管制作步骤4)的示意图。
[0016]图中:101-衬底、102-凹槽、103-栅电极、104-栅介质、105-石墨烯薄膜、106-源极、107-漏极、108-连通槽。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图对本发明作进一步描述:
一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，包括如下步骤:
1)取衬底，在衬底上表面刻蚀有凹槽，凹槽个数为单个或者多个，当凹槽个数为多个时，相邻两个凹槽的间距为5nm-5um，并且在多个凹槽的同一端还刻蚀有一个将多个凹槽连通的连通槽；其中，所述的衬底材料为Si02、Si02/S1、石英或塑料；
2)在衬底上的凹槽槽底和连通槽槽底淀积一层导电材料作为栅电极，在凹槽槽底的栅电极上再淀积一层栅介质；其中，所述的导电材料为金属、半导体或聚合物材料，所述的栅介质为 Si02、Si3N4' Ta2O5' Pr2O3> HfO2' Al2O3 或 ZrO2 ；
3)在衬底上表面转移一层完全覆盖凹槽的石墨烯薄膜，凹槽内的栅介质和石墨烯薄膜之间有空气间隔；
4)在石墨烯薄膜上位于凹槽两侧的位置各淀积一层导电材料，一侧作为源极、另一侧作为漏极；其中，所述的导电材料为金属、半导体或聚合物材料。
[0018]具体实施时，凹槽102的宽度小于2um、深度为50ηm-?00 μ m，栅电极103层厚度为30ηm-30 μ m,栅介质104层厚度为1ηm-20 μ m。石墨烯薄膜105可选择单层或多层。
[0019]以下列举两个具体实施例对本发明作进一步地说明，下列实施例只是说明性的，并不对本发明做任何的限定:
实施例1
一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，包括如下步骤:1)取Si02衬底，在Si02衬底上表面通过光刻形成一个直线型的凹槽，凹槽的宽度为50nm、深度为200nm、长度为50 μ m ;2)在Si02衬底上的凹槽槽底淀积一层导电材料Cr/Au作为栅电极，该导电材料Cr/Au包括下层厚IOnm的Cr和上层厚80nm的Au，其中Cr层为缓冲层，在栅电极上再沉积一层栅介质，栅介质为厚5nm的A1203层；3)在Si02衬底上表面通过CVD方法转移一层完全覆盖凹槽的石墨烯薄膜，通过刻蚀把多余的石墨烯薄膜去掉，凹槽内的栅介质和石墨烯薄膜之间有空气间隔；4)在石墨烯薄膜上位于凹槽两侧的位置各淀积一层导电材料Cr/Au，一侧作为源极、另一侧作为漏极，其中，该导电材料Cr/Au包括下层厚IOnm的Cr和上层厚80nm的Au，其中Cr层为缓冲层。这样单栅凹槽结构的石墨烯晶体管便形成了，如图1至图4。
[0020]实施例2
一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，包括如下步骤:1)取石英衬底，在石英衬底上表面通过干法刻蚀形成两个直线型的凹槽(双栅凹槽结构)，凹槽的宽度为30nm、深度为200nm、长度为80 μ m，两个直线型的凹槽的同一端通过干法刻蚀形成一个连通两个凹槽的连通槽；2)在石英衬底上的凹槽槽底和连通槽槽底淀积一层导电材料Ti/Au作为栅电极，该导电材料Ti/Au包括下层厚15nm的Ti和上层厚85nm的Au，其中Ti层为缓冲层，在栅电极上再沉积一层栅介质，栅介质为厚5nm的Ta2O5层；3)在石英衬底上表面通过机械剥离转移两层完全覆盖凹槽的石墨烯薄膜，凹槽内的栅介质和石墨烯薄膜之间有空气间隔；4)在石墨烯薄膜上位于凹槽两侧的位置各淀积一层导电材料Cr/Au，一侧作为源极、另一侧作为漏极，其中，该导电材料Cr/Au包括下层厚15nm的Cr和上层厚85nm的Au，其中Cr层为缓冲层。这样双栅凹槽结构的石墨烯晶体管便形成了，如图5至图8。
【权利要求】
1.一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)取衬底(101)，在衬底(101)上表面刻蚀有凹槽(102)，凹槽(102)个数为单个或者多个，当凹槽(102)个数为多个时，相邻两个凹槽(102)的间距为5nm-5um，并且在多个凹槽(102)的同一端还刻蚀有一个将多个凹槽连通的连通槽(108);其中，所述的衬底(101)材料为Si02、Si02/S1、石英或塑料； 2)在衬底(101)上的凹槽(102)槽底和连通槽(108)槽底淀积一层导电材料作为栅电极(103)，在凹槽(102)槽底的栅电极(103)上再淀积一层栅介质(104);其中，所述的导电材料为金属、半导体或聚合物材料，所述的栅介质(104)为Si02、Si3N4, Ta2O5, Pr203、HfO2,Al2O3 或 ZrO2 ； 3)在衬底(101)上表面转移一层完全覆盖凹槽(102)的石墨烯薄膜(105)，凹槽(102)内的栅介质(104)和石墨烯薄膜(105)之间有空气间隔； 4)在石墨烯薄膜(105)上位于凹槽(102)两侧的位置各淀积一层导电材料，一侧作为源极(106)、另一侧作为漏极(107);其中，所述的导电材料为金属、半导体或聚合物材料。
2.根据权利要求1所述的凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，其特征在于:凹槽(102)的宽度小于2um、深度为50nm-100μm，栅电极(103)层厚度为30nm-30 μ m，栅介质(104)层厚度为1nm-20 μ m。
3.根据权利要求1或2所述的凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，其特征在于:所述的石墨烯薄膜(105)为单层或多层。
【文档编号】H01L21/336GK103594378SQ201310593276
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月23日 优先权日:2013年11月23日
【发明者】张文栋, 薛晨阳, 王永存, 熊继军, 刘俊, 刘耀英, 高立波, 王永华 申请人:中北大学