石墨烯器件及其制造和操作方法以及电子装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 示例实施方式涉及石墨烯器件及其制造和操作方法和/或包括该石墨烯器件的 电子装置。
【背景技术】
[0002] 二维（2D)材料通常是这样的单层或半层固体材料，其中原子形成期望的晶体结 构或替代地形成预定或给定的晶体结构。2D材料的众所周知的示例是石墨烯。石墨烯是其 中碳原子形成六边形结构的单层（单个原子层）结构。石墨烯可以具有通常为硅（Si)的 电荷迀移率的至少100倍或更高的电荷迀移率（例如，2X105cm2/VS)、通常为铜（Cu)的电 流密度的至少100倍或更高的电流密度（例如，约l〇sA/cm2)、以及非常高的费米速度（VF)。 因此，石墨烯已经作为可以克服现有技术中的材料的限制的下一代材料而引起关注。
[0003] 至少由于上述原因，已经开展了应用石墨烯的器件的研究。然而，对应用石墨烯的 器件的研究被局限于具有单一功能的器件。为了实现具有各种功能的电子器件，需要具有 不同功能的多个器件，这些器件可以连接到（联接到）彼此。这导致工艺和设计方面的各 种困难。
【发明内容】
[0004] 示例实施方式涉及多功能的石墨烯器件。
[0005] 示例实施方式涉及通过将具有期望的功能或替代地具有预定功能的功能材料层 与石墨烯结合而能够在单个器件中执行各种功能的石墨烯器件。
[0006] 示例实施方式涉及在开关器件/电子器件（例如，晶体管）的结构中具有存储器 器件、压电器件和光电子器件中的至少一个的特性（功能）的石墨烯器件。
[0007] 示例实施方式涉及制造该石墨烯器件的方法。
[0008] 示例实施方式涉及操作该石墨烯器件的方法。
[0009] 示例实施方式涉及包括该石墨烯器件的电子装置/电子电路/逻辑器件。
[0010] 其他的示例实施方式将在以下的描述中被部分地阐述，并将部分地从该描述而变 得明显，或者可以通过示例实施方式的实施而掌握。
[0011] 根据至少一个示例实施方式，一种石墨烯器件包括：石墨烯层；第一电极，电连接 到石墨烯层的第一区域；第二电极，对应于石墨烯层的第二区域；功能层，在石墨烯层和第 二电极之间并具有非易失性存储器特性和压电特性中的至少一个；栅极，面对功能层，石墨 烯层在两者之间；以及栅极绝缘层，在石墨烯层和栅极之间。
[0012] 功能层可以包括电阻变化材料、相变材料、铁电材料、多铁性材料、多稳态分子以 及压电材料中的至少一种。
[0013] 功能层可以包括过渡金属氧化物（ΤΜ0)、硫族化物材料、钙钛矿材料、二维（2D)材 料以及有机材料中的至少一种。
[0014] 石墨烯器件还可以包括在功能层和石墨烯层之间的第一插入层和在功能层和第 二电极之间的第二插入层中的至少一个。
[0015] 第一和第二插入层可以是半导体或绝缘体。
[0016] 栅极绝缘层可以在栅极上，石墨烯层可以在栅极绝缘层上，彼此间隔开的第一和 第二电极可以在石墨烯层上，功能层可以在石墨烯层和第二电极之间。
[0017] 石墨烯层可以在基板上，第一电极可以在石墨烯层的第一区域上，第二电极可以 在石墨烯层的第二区域和基板之间，功能层可以在第二电极和石墨烯层之间，栅极绝缘层 和栅极可以顺序地位于功能层上的石墨烯层上。
[0018] 功能层可以包括η型半导体或p型半导体。
[0019] 功能层可以包括双极性半导体。
[0020] 功能层可以包括横向地布置的多个层，该多个层可以包括η型半导体层和ρ型半 导体层。
[0021] 功能层可以包括垂直地堆叠的多个层，该多个层可以包括η型半导体层和ρ型半 导体层。
[0022] 功能层可以包括相变材料。在这种情况下，石墨烯器件还可以包括在功能层和第 二电极之间的加热电极。
[0023] 功能层可以具有光电转换特性。
[0024] 第二功能层可以进一步设置在石墨烯层和第二电极之间，第二功能层可以具有光 电转换特性。
[0025] 栅极、第一电极和第二电极中的至少一个可以由透明材料形成或包括透明材料。
[0026] 石墨烯器件可以是多功能的器件。
[0027] 根据另一个示例实施方式，一种石墨烯器件包括：第一和第二石墨烯层；第一和 第二电极元件，分别电连接到第一和第二石墨烯层；第三电极元件，对应于第一石墨烯层的 一部分和第二石墨烯层的一部分；第一功能层，在第三电极元件和第一石墨烯层之间；第 二功能层，在第三电极元件和第二石墨烯层之间；栅极，与第一和第二石墨烯层间隔开；以 及栅极绝缘层，在栅极与第一和第二石墨烯层之间。第一和第二功能层中的至少一个具有 光电转换特性、非易失性存储器特性和压电特性中的至少一个。
[0028] 第一和第二功能层中的一个可以是η型半导体，另一个可以是ρ型半导体。
[0029] 石墨烯器件可以具有互补反相器结构。
[0030] 石墨烯器件可以具有双极性晶体管结构。
[0031] 第一和第二功能层中的至少一个可以包括发光材料、光敏（photoactive)材料、 电阻变化材料、相变材料、铁电材料、多铁性材料、多稳态分子和压电材料中的至少一种。
[0032] 第一和第二功能层中的至少一个可以包括包含III族和V族元素的化合物、ΤΜ0、硫 族化物材料、钙钛矿材料、2D材料和有机材料中的至少一种。
[0033] 石墨烯器件还可以包括以下中的至少一个：在第一功能层和第一石墨烯层之间的 第一插入层、在第一功能层和第三电极元件之间的第二插入层、在第二功能层和第二石墨 烯层之间的第三插入层以及在第二功能层和第三电极元件之间的第四插入层。
[0034] 根据另一个示例实施方式，一种石墨烯器件包括：石墨烯层；第一电极，电连接到 石墨烯层的第一区域；第二电极，对应于石墨烯层的第二区域；功能层，包括横向地布置在 石墨烯层与第二电极之间的多个层，其中该多个层中的至少一个具有光电转换特性、非易 失性存储器特性和压电特性中的至少一种；栅极，面对功能层，石墨烯层在两者之间；以及 栅极绝缘层，在石墨烯层和栅极之间。
[0035] 该多个层可以包括第一层和第二层，第一层可以是η型半导体，第二层可以是p型 半导体。
[0036] 该多个层可以包括第一层和第二层，第一层可以具有光电转换特性、非易失性存 储器特性和压电特性中的一个。例如，第二层可以具有光电转换特性、非易失性存储器特性 和压电特性中的另一个。
[0037] 石墨烯器件还可以包括在功能层和石墨烯层之间的第一插入层和在功能层和第 二电极之间的第二插入层中的至少一个。
[0038] 根据另一个示例实施方式，一种石墨烯器件包括：石墨烯层；第一电极，电连接到 石墨烯层的第一区域；第二电极，对应于石墨烯层的第二区域；功能层，包括垂直地堆叠在 石墨烯层与第二电极之间的多个层，其中该多个层的每个具有光电转换特性、非易失性存 储器特性和压电特性中的至少一种；栅极，面对功能层，石墨烯层在两者之间；以及栅极绝 缘层，在石墨烯层和栅极之间。
[0039] 该多个层可以包括第一层和第二层，第一层可以是η型半导体，第二层可以是ρ型 半导体。
[0040] 该多个层可以包括第一层和第二层。第一层可以具有光电转换特性、非易失性存 储器特性和压电特性中的一个，第二层可以具有光电转换特性、非易失性存储器特性和压 电特性中的另一个。
[0041] 石墨烯器件还可以包括在功能层和石墨烯层之间的第一插入层和在功能层和第 二电极之间的第二插入层中的至少一个。
[0042] 根据至少一个示例实施方式，一种石墨烯器件包括：至少一个石墨烯层；至少一 个电极元件，电连接到该至少一个石墨稀层；至少一个功能层，在至少一个电极元件和至少 一个石墨烯层之间，其中至少一个功能层具有光电转换特性、非易失性存储器特性、压电特 性、η型半导体和ρ型半导体中的至少一个。
【附图说明】
[0043] 从以下结合附图的描述，这些和/或其他的示例实施方式将变得明显并更易于理 解，附图中：
[0044] 图1是根据至少一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0045] 图2是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0046] 图3是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0047] 图4是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0048] 图5是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0049] 图6是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0050] 图7是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0051] 图8是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0052] 图9是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0053] 图10是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0054] 图11是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0055] 图12是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0056] 图13是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0057] 图14是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0058] 图15是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0059] 图16是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0060] 图17是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0061] 图18是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0062] 图19是示出当图18的石墨烯器件用作反相器时的电路配置的电路图；
[0063] 图20是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图；
[0064] 图21A-21C是用于说明根据示例实施方式的制造石墨烯器件的方法的截面图；
[0065] 图22是用于说明根据另一个示例实施方式的制造石墨烯器件的方法的截面图；
[0066] 图23A-23D是用于说明根据另一个示例实施方式的制造石墨烯器件的方法的截 面图；
[0067] 图24A-24E是用于说明根据另一个示例实施方式的制造石墨烯器件的方法的截 面图；
[0068] 图25A-25E是用于说明根据另一个示例实施方式的制造石墨烯器件的方法的截 面图；
[0069] 图26A-26D是用于说明根据另一个示例实施方式的制造石墨烯器件的方法的截 面图；
[0070] 图27是截面图，用于说明当根据示例实施方式的石墨烯器件操作时施加在电极 之间的电压Vds和Vgs;
[0071] 图28-32是用于说明图27的石墨烯器件的操作方法的能带图；
[0072] 图33是截面图，用于说明当根据另一个示例实施方式的石墨烯器件操作时施加 在电极之间的电压Vds和Vgs;
[0073] 图34-37是用于说明图33的石墨烯器件的操作方法的能带图；
[0074] 图38是截面图，用于说明当根据另一个示例实施方式的石墨烯器件操作时施加 在电极之间的电压Vds和Vgs;
[0075] 图39-41是用于说明图38的石墨烯器件的操作方法的能带图；
[0076] 图42是截面图，用于说明当根据另一个示例实施方式的石墨烯器件操作时施加 在电极之间的电压Vds和Vgs;
[0077] 图43和44是用于说明图42的石墨烯器件的操作方法的能带图；
[0078] 图45是截面图，用于说明当根据另一个示例实施方式的石墨烯器件操作时施加 在电极之间的电压Vds和Vgs;
[0079] 图46和47是用于说明图45的石墨烯器件的操作方法的能带图；
[0080] 图48是截面图，用于说明当根据另一个示例实施方式的石墨烯器件操作时施加 在电极之间的电压Vds和Vgs;以及
[0081] 图49和50是用于说明图48的石墨烯器件的操作方法的能带图。
【具体实施方式】
[0082] 现在将参照附图更充分地描述各个示例实施方式，附图中示出了示例实施方式。
[0083] 将理解，当元件被称为在另一元件"上"、"连接到"或"联接到"另一元件时，它可 以直接在另一元件上、直接连接到或联接到另一元件，或者可以存在插入的元件。相反，当 元件被称为"直接连接"或"直接联接"到另一元件时，不存在插入元件。如这里所用的，术 语"和/或"包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。此外，将理解，当层被称为 在另一层"下面"时，它可以直接在下面，或者还可以存在一个或多个插入层。此外，还将理 解，当层被称为在两个层"之间"时，它可以是该两个层之间的唯一层，或者还可以存在一个 或多个插入层。
[0084] 将理解，虽然这里可使用术语"第一"、"第二"等描述各种元件、部件、区域、层和/ 或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语限制。这些术语仅用于将 一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区别开。因此，以下讨论 的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而没有背离 示例实施方式的教导。
[0085] 为便于描述这里可以使用诸如"在…之下"、"在...下面"、"下"、"在…之上"、"上" 等空间关系术语来描述一个元件或特征与另一个（些）元件或特征之间如附图所示的关 系。将理解，空间关系术语是用来概括除附图所示取向之外器件在使用或操作中的不同取 向的。例如，如果附图中的器件翻转过来，被描述为"在"其它元件或特征"之下"或"下面" 的元件将会取向在其他元件或特征的"上方"。这样，示例术语"在...下面"能够涵盖之上 和之下两种取向。器件可以采取其他取向（旋转90度或在其他取向），这里所用的空间相 对性描述符做相应解释。
[0086] 这里所用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，而不意在限制示例实施方 式。如这里所用的，除非上下文另外明确表述，否则单数形式"一"、"一个"和"该"也旨在包 括复数形式。还将理解的是，术语"包括"和/或"包含"，当在本说明书中使用时，指定了所 述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、 步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或增加。
[0087] 这里参照截面图描述了示例实施方式，这些图是示例实施方式的理想化实施方式 (和中间结构）的示意图。因而，由例如制造技术和/或公差引起的图示形状的变化是可能 发生的。因此，示例实施方式不应被解释为仅限于这里示出的区域的特定形状，而是包括由 例如制造引起的形状偏差在内。例如，图示为矩形的注入区域将通常具有圆化或弯曲的特 征和/或在其边缘处的注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的