一种石墨烯基异质结场效应晶体管、制备方法及其集成电路与流程

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种石墨烯基异质结场效应晶体管、制备方法及其集成电路。

背景技术：

在过去的十几年中，二维材料作为后硅时代最具发展前景的电子材料，引起业界广泛的关注。其中，石墨烯具有超高的载流子迁移率，这使其在众多二维材料中脱颖而出，用于构建场效应晶体管(fet)，以在未来集成电路中替代传统硅。此外，石墨烯可通过化学气相沉积法进行大面积制备，这是其另一大优势。但是，石墨烯本身缺乏带隙，这导致传统的石墨烯场效应晶体管的开关比极低(通常小于10)，严重限制了其实际应用潜力，尤其对于逻辑电路而言。

近年来，大量的研究工作致力于打开石墨烯带隙。例如，通过制备石墨烯纳米带，可将其带隙拓展至大约400mev。然而，石墨烯纳米带的带隙与其宽度成反比，纳米带的宽度需要非常窄，且必须具备整齐而光滑的边缘，这对于批量生产是极大的挑战。并且，该方法带来器件迁移率的大幅下降。另一方面，在垂直电场作用下，构建双层石墨烯也有助于打开带隙，然而制备的fet器件的开关比不到100，仍然远不能满足逻辑电路的应用。

研究者们还提出了一种基于石墨烯/半导体范德华异质结的垂直fet(vfet)，通过电场来调节石墨烯的功函数，从而影响异质结界面处的肖特基势垒高度，最终控制异质结垂直方向上的电荷输运，实现器件的有效开关。然而，该结构中，石墨烯最大的优势，即“面内”超高的载流子迁移率，实际上并没有得到有效利用，这导致器件的迁移率较低。此外，传统石墨烯场效应晶体管的输出特性通常为线性，难以达到饱和，这使其在射频领域中的应用也同样受限。vfet的出现也不能解决这一问题。

因此，需要对现有的石墨烯场效应晶体管进行改进，并提出相应的制造方法，才能克服其上述固有短板，以满足实际应用的需要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种石墨烯基异质结场效应晶体管、制备方法及其集成电路，以解决传统石墨烯fet器件开关比与迁移率难以兼顾、输出特性难以饱和的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种石墨烯基异质结场效应晶体管，包括衬底、栅电极、电介质层、石墨烯层、源电极和漏电极，还包括：氧化物半导体层，且氧化物半导体层设置在石墨烯层与源电极和漏电极之间。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述氧化物半导体层的材料为zno、ingazno、ga2o3、cu2o、sno或nio。

本发明采用的氧化物半导体均具有较宽的禁带宽度，由于石墨烯晶体管开关比非常低，利用氧化物半导体禁带宽度大的特性，与石墨烯组成的异质结可得到高开关比器件，并且在器件打开之后也能充分利用石墨烯迁移高的特点，使得器件同时具备高开关比和高迁移率的特点。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述氧化物半导体为n型或p型。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述电介质层的材料为sio2、si3n4、bn、al2o3、hfo2、zro2、tio2或者y2o3的一种或多种组合。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述石墨烯层为单层、双层或多层；源电极和漏电极为单层或多层结构；衬底的材料为硅、二氧化硅、碳化硅、玻璃或者高分子聚合物。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述场效应晶体管采用底栅型结构或顶栅型结构。

上述的石墨烯基异质结场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

底栅结构：

在衬底上形成栅电极；在栅电极与衬底上沉积形成电介质层；在电介质层上形成石墨烯层；在石墨烯层上形成氧化物半导体层；在氧化物半导体层的两端分别形成源电极和漏电极；

顶栅结构：在衬底上的两端分别形成源电极和漏电极；在源电极和漏电极上形成氧化物半导体层；在氧化物半导体层形成石墨烯层；在石墨烯层上沉积形成电介质层；在电介质层上形成栅电极。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述形成石墨烯层的方式为化学气相沉积法生长并转移或机械剥离法。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述还对石墨烯层和氧化物半导体层进行图案化处理。

一种集成电路，包括上述制备得到的石墨烯基异质结场效应晶体管。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提高了传统石墨烯fet器件的开关比，并且获得足够高的迁移率以及可饱和的输出特性，因此能够满足其在逻辑和射频领域的相关应用，且制造方式简单，有利于大规模生产应用。

2、本发明利用氧化物半导体-石墨烯异质结作为平面型场效应晶体管的双沟道层，且源、漏电极两端均只接触氧化物半导体层，而未接触石墨烯层(氧化物半导体层阻止源电极和漏电极与石墨烯层直接接触)，从而等效地形成了两个串联的vfet器件，分别位于源、漏电极下方的垂直区域，可同时调控所形成肖特基结垂直方向上的电荷输运，即同步开启/关闭，因此能够获得更高的开关比；平面型的双沟道还有助于充分利用石墨烯的超强电荷输运能力，从而获得较高的器件迁移率，弥补了单一vfet的不足；此外，氧化物半导体沟道的存在还有助于实现晶体管输出特性的饱和，突破石墨烯基fet器件的固有局限。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的顶栅型石墨烯基异质结场效应晶体管的剖面示意图；

图2为本发明的底栅型石墨烯基异质结场效应晶体管的剖面示意图；

图3为本发明的底栅型石墨烯基异质结场效应晶体管的立体结构示意图；

图4为本发明的底栅型石墨烯基异质结场效应晶体管的制备流程图；

图5为本发明的实施例提供的ingazno/石墨烯异质结场效应晶体管的转移特性曲线；

图6为本发明的实施例提供的ingazno/石墨烯异质结场效应晶体管的输出特性曲线；

图中，1-衬底；2-栅电极；3-电介质层；4-石墨烯层；5-氧化物半导体层；6-源电极；7-漏电极。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的石墨烯基异质结场效应晶体管，包括：

顶栅型结构(如图1所示)：从下而上依次为衬底、源电极和漏电极、氧化物半导体层、石墨烯层、电介质层以及栅电极。

底栅型结构(如图2所示)：从下而上依次为衬底、栅电极、电介质层、石墨烯层、氧化物半导体层以及源电极和漏电极。

其中，衬底的材料为硅、二氧化硅、碳化硅、玻璃或者高分子聚合物；电介质层的材料为sio2、si3n4、bn、al2o3、hfo2、zro2、tio2或者y2o3的一种或多种组合；石墨烯层为单层、双层或多层；氧化物半导体层的材料为zno、ingazno、ga2o3、cu2o、sno或nio，且氧化物半导体为n型或p型；源电极和漏电极为单层或多层结构。

本发明的石墨烯基异质结场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

底栅型结构(如图3和4所示)：

在衬底上形成栅电极；在栅电极与衬底上沉积形成电介质层；在电介质层上形成石墨烯层；在石墨烯层上形成氧化物半导体层；在氧化物半导体层的两端分别形成源电极和漏电极；

顶栅型结构：在衬底上的两端分别形成源电极和漏电极；在源电极和漏电极上形成氧化物半导体层；在氧化物半导体层形成石墨烯层；在石墨烯层上沉积形成电介质层；在电介质层上形成栅电极。

其中，形成石墨烯层的方式为化学气相沉积法生长并转移或机械剥离法；且上述步骤中还对石墨烯层和氧化物半导体层进行图案化处理。

本发明的石墨烯基异质结场效应晶体管的制备方法中采用顶栅型结构或底栅型结构，其步骤参数一致，区别在于衬底的位置不同。

实施例1：

本实施例的石墨烯基异质结场效应晶体管，采用底栅型结构：自下而上依次为：

衬底：选用si(p++重掺杂)/sio2，其中，重掺杂si也用作栅电极，sio2用作电介质层，厚度为300nm；

石墨烯层：通过化学气相沉积在铜箔上生长的单层石墨烯，利用湿法转移到电介质层上；

氧化物半导体层：采用磁控溅射方法生长的ingazno薄膜，厚度为100nm；

源电极和漏电极：通过电子束蒸发形成的ti/au电极，其中ti厚度为20nm，au厚度为160nm，源电极和漏电极的宽度均为w＝25um，源电极和漏电极的距离l＝20um。其中，源电极和漏电极只与ingazno薄接触，而不接触石墨烯。

实施例2：

本实施例的石墨烯基异质结场效应晶体管的制备方法，石墨烯基异质结场效应晶体管采用底栅型结构，包括以下步骤：

(1)衬底的表面处理：将si(p++重掺杂)/sio2衬底分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10min，然后用氮气吹干，并采用热板在80℃-150℃温度下烘烤5min-15min以去除衬底表面的水汽，保证si(p++重掺杂)/sio2衬底表面清洁、干燥。

(2)石墨烯薄膜的转移：利用传统湿法转移法，将通过化学气相沉积法生长铜箔上生长好的单层石墨烯转移到si/sio2衬底。

(3)生长氧化物半导体层：磁控溅射仪器抽真空，背底真空度为2.0×10^-6torr，生长温度为室温，工作气压为5.0×10^-1pa，通入ar/o2气体，生长100nm的ingazno薄膜，将石墨烯完全覆盖。

(4)光刻过程：

(4.1)涂胶，将az6112光刻胶以3000r/min的转速均匀涂覆在步骤3中薄膜上；

(4.2)前烘，涂覆后的光刻胶在100℃下烘焙60s；

(4.3)曝光，将设计好的光刻板覆盖在光刻胶上，曝光时间为0.8-1.2s；

(4.4)显影，将曝光后的样品放入显影液中，显影时间为30s；

(4.5)检查，检查图形宽度距离是否满足设定的尺寸。

(5)刻蚀过程：

(5.1)用盐酸刻蚀ingazno，盐酸配比为hcl:h2o(1:10)，刻蚀30s；

(5.2)反应离子刻蚀石墨烯，用功率20w，气流量20sccm，时间20s。

(6)光刻过程：

(6.1)涂胶，将az5214反转光刻胶以3000r/min的转速均匀涂覆在步骤3中薄膜上；

(6.2)前烘，涂覆后的光刻胶在100℃下烘焙60s；

(6.3)第一次曝光，将设计好的光刻板覆盖在光刻胶上，曝光时间为0.8s-1.2s；

(6.4)后烘，曝光后的光刻胶在120℃下烘焙90s；

(6.5)泛曝，无光刻板，曝光时间为45s；

(6.6)显影，将泛曝光后的样品放入显影液中，显影时间为50s；

(6.7)检查，检查图形宽度间距是否满足设定的尺寸。

(7)源电极和漏电极的形成：利用电子束蒸发法蒸镀金属ti，厚度20nm，蒸发速率保持在0.1nm/s；然后在ti层上再蒸镀金属au，厚度160nm，蒸发速率保持在2nm/s，沉积完金属后，将样品依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中，去除光刻胶及多余的ti、au，从而得到图形化电极层。

将上述实施例制备得到的石墨烯异质结场效应晶体管进行性能测试，得到ingazno/石墨烯异质结场效应晶体管的转移特性曲线，如图5所示。以及ingazno/石墨烯异质结场效应晶体管的输出特性曲线，如图6所示

从图5可以得知，ingazno/石墨烯异质结场效应晶体管的电流开关比为3x10⁶，迁移率为220cm²/v·s；相较于传统的石墨烯fet器件，开关比提高了5个数量级；相较于单纯的ingazno薄膜晶体管以及石墨烯vfet器件，器件迁移率得到大幅提升。换言之，ingazno/石墨烯异质结场效应晶体管可同时兼顾高开关比和高迁移率。从图6可以得知，ingazno/石墨烯异质结场效应晶体管呈现明显的饱和特性，突破了石墨烯fet器件的固有局限。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。