專利名稱：一種碳基場效應(yīng)晶體管的頂柵介質(zhì)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于碳材料的頂柵場效應(yīng)晶體管，特別涉及
碳基場效應(yīng)晶體管的頂柵介質(zhì)及其制備方法。
背景技術(shù)：
以碳材料為基的納米電子學(xué)，尤其是碳納米管(Carbon Nanotube)和石墨烯 (Gr即hene)為基的納米電子學(xué)，被認為具有極大的應(yīng)用前景，最有潛力替代現(xiàn)今硅基技術(shù)。 自從1991年碳納米管和2004年石墨烯分別被人們成功制備出來以來Iijima， S. Nature 1991， 354， 56-58. Novoselov， K. S. ;Geim， A. K. ;Morozov， S. V. ;Jiang， D. ;Zhang， Y.; Dubonos，S. V. ;Grigorieva， I. V. ;Firsov， A. A. Science 2004， 306， 666-669.，碳基的電 子學(xué)取得了巨大的進展。人們成功的選擇金屬鈀和金屬鈧可以分別和碳納米管形成無需摻 雜的空穴型(P型)和電子型(n型)的歐姆接觸Javey，A. ;Guo，J. ;Wang，Q. ;Lundstrom， M. ;Dai， H. J. Nature2003， 424， 654-657. Zhang， Z. Y. ;Liang， X. L. ;Wang， S. ;Yao， K. ;Hu， Y. F. ;Zhu， Y. Z. ;Chen， Q. ;Zhou， W. W. ;Li， Y. ;Yao， Y. G. ;Zhang， J. ;Peng， L _M. Nano Lett. 2007， 7， 3603-3607.，并引入高介電常數(shù)材料作為柵介質(zhì)層把空穴型和電子型的場 效應(yīng)晶體管的性能推向了極致Javey， A. ;Guo， J. ;Farmer， D. B. ;Wang， Q. ;Yenilmez，E.; Gordon, R.G. ;L皿dstrom，M. ;Dai， H. J. Nano Lett. 2004， 4， 1319-1322. Zhang， Z. Y. ;Wang， S. ;Ding， L. ;Liang，X丄;Pei， T. ;Shen， J. ;Xu， H. L. ;Chen， Q. ;Cui，R丄;Li， Y. ;Peng， L.-M.Nano Lett. 2008， 8， 3696-3701.，進一步的，得到了幾乎完美對稱的空穴型和電子型 場效應(yīng)晶體管，并將其組合在一起得到了完美對稱的互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)反 相器Zhang， Z. Y. ;Wang， S. ;Wang， Z. X. ;Ding， L. ;Pei， T. ;Hu， Z. D. ;Liang， X. L. ;Chen， Q. ;Li，Y. ;Peng， L.-M. ACS Nano 2009， ArticlesASAP， D0I :10. 1021/nn901079p.。同時， 基于石墨烯的電子學(xué)也在近幾年取得很大的進展Li， X.L. ;Wang， X. R. ;Zhang， L. ;Lee， S.W. ;Dai，H. J. Science, 2008， 319， 1229-1232. Wang，X.R. ;Li，X丄;Zhang， L. ;Yoon，Y.K; Weber， P. K. ;Wang， H. L. ;Guo， J. ;Dai， H. J. Science, 2009， 324， 768-771.，其極高的遷移 率受到人們的青睞；石墨烯納米帶的禁帶寬度隨著寬度的變化增大這一特性也被人們利用 制備出了全半導(dǎo)體型的石墨烯納米帶場效應(yīng)晶體管Wang， X.R. ;0uyang， Y.J. ;Li，X丄; Wang， H. L. ;Guo， J. ;Dai， H. J. Phys. Rev. Lett. 2008， 100,206803.。基于碳基的電子學(xué)因
其尺寸小、速度快、功耗低、工藝簡單等特點受到人們越來越廣泛的關(guān)注。 場效應(yīng)晶體管的性能受到兩個最重要的因素的影B向，一個是溝道的材料，它決定
了器件性能的潛力，另一個就是柵介質(zhì)材料，由于它直接和溝道接觸，它的性能會很大地影 響整個器件的性能。硅基技術(shù)之所以能走到今天，不是因為硅材料有多么出色，而極大程度 上受益于二氧化硅的柵介質(zhì)層，二氧化硅作為硅的天然柵介質(zhì)，把硅基技術(shù)推到了今天。要 實現(xiàn)場效應(yīng)晶體管性能的提高，可以縮短溝道長度、提高載流子遷移率或者提高柵極的電 容，而提高柵極電容最有效的就是減小柵介質(zhì)的厚度和提高柵介質(zhì)的介電常數(shù)。為了有效 的抑制柵電極的漏電流，我們不能把柵介質(zhì)的物理厚度減小得太小，所以唯一的途徑就是
3有效的提高柵介質(zhì)的介電常數(shù)。 在基于碳基材料——碳納米管和石墨烯的電子器件中，制備超薄的高介電常數(shù)頂 柵介質(zhì)是一個普遍的難題。對于普遍使用的高介電常數(shù)柵介質(zhì)的生長方法——原子層沉 積，由于碳納米管和石墨烯表面存在的是非定域的鍵，所以沒有懸掛鍵為其生長提供成 核位置Lu， Y.R. ;Bangsa進tip， S. ;Wang， X. R. ;Zhang， L. ;Nishi， Y. ;Dai， H. J. J. Am. Chem. Soc. 2006， 128,3518-3519. Wang， X. R. ;Tabakman， S. M. ;Dai， H. J. J. Am. Chem. Soc. 2008， 130，8152-8153.，因此無法直接在碳基材料上生長一層均勻的超薄的柵介質(zhì) 層。為了使柵介質(zhì)能夠有很好的絕緣性，通常采用的解決方法是生長很厚的柵介質(zhì)將整個 碳納米管或者石墨烯納米帶淹沒在其中，這樣，就會大大降低了柵電極對溝道的控制能力， 從而難以使器件性能達到最好。如果我們要制備很薄的柵介質(zhì)來提高器件的性能，就需要 在進行原子層沉積之前對材料表面進行功能化，常見的方法有脫氧核糖核酸(DNA)分子功 能化、二氧化氮(N02)分子功能化、臭氧(03)功能化Lu， Y.R. ;Bangsaruntip， S. ;Wang， X.R. ;Zhang， L. ;Nishi， Y. ;Dai，H.J.J. Am. Chem. Soc. 2006， 128， 3518-3519. Farmer, D. B. ;Gordon， R. G. Nano Lett. 2006， 6， 699-703丄ee， B. K. ;Park， S. _Y. ;Kim， H. _C.; Cho，K.J. ;Vogel，E.M. ;Kim， M.J. ;Wallace， R. M. ;Kim， J. Y. Appl. Phys. Lett. 2008， 92， 203102.等。還有其他的一些頂柵解決方案，比如用蒸發(fā)的鋁作為成核位置繼續(xù)進行原子 層沉積生長，或者直接用濺射的方法得到氧化硅這樣的低介電常數(shù)柵介質(zhì)Kim， S. ;Nah， J. ;Jo， I. ;Shahrjerdi， D. ;Colombo， L. ;Yao， Z. ;Tutuc， E. ;Banerjee， S. K. Appl. Phys. Lett. 2009， 94， 062107丄e騰，M. C. ;Echtermeyer， T. J. ;Baus，M. ;Kurz，H. IEEE Electron Device Lett. 2007， 28， 282-284.。這些方法或會引入一些額外的散射中心降低器件的性 能，或會在導(dǎo)電溝道和柵介質(zhì)之間引入一層單分子從而削弱頂柵對溝道的調(diào)制，或會直接 對碳骨架造成傷害Lin， Y.-M. ;Jenkins， K. A. ;Valdes-Garcia， A. ;Small，J.P. ;Farmer， D.B. ;A麗ris， P. Nano Lett. 2009， 9， 422-426. Pirkle， A. ;Wallace， R. M. ;Colombo， L. Appl. Phys. Lett. 2009， 95， 133106.。 一個新型的、簡單的、干凈的、無傷害的、高性能的 碳基高介電常數(shù)的頂柵介質(zhì)及其制備方法必將對碳基的集成電路的發(fā)展起到舉足輕重的 作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于碳基納米場效應(yīng)晶體管的高性能的頂柵介質(zhì)，以 及該頂柵介質(zhì)的制備方法，其中所述碳基納米場效應(yīng)晶體管主要是指以碳納米管和石墨烯 作為導(dǎo)電通道的器件。 上述目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的 將氧化釔作為碳基場效應(yīng)晶體管的頂柵介質(zhì)材料。 由此，本發(fā)明提供了一種碳基場效應(yīng)晶體管，包括導(dǎo)電通道、源電極、漏電極、柵介 質(zhì)層和柵電極，所述導(dǎo)電通道為碳基材料，源、漏電極分別位于導(dǎo)電通道兩端，柵介質(zhì)層覆 蓋在源、漏電極之間的導(dǎo)電通道上，柵電極位于柵介質(zhì)層之上，其特征是，所述柵介質(zhì)層是 一層氧化釔薄膜。 作為頂柵介質(zhì)的氧化釔薄膜的厚度以1 20納米為宜。 上述作為導(dǎo)電通道的碳基材料主要是指碳納米管和石墨烯，包括石墨烯的各種形
4態(tài)，如大片石墨烯、石墨烯納米帶等。 對源、漏電極的厚度無特殊要求，源、漏電極的材料以可以和導(dǎo)電通道形成很好的 接觸的材料為宜。柵電極的厚度沒有特殊要求，柵電極可以根據(jù)需要選擇任何導(dǎo)電材料，形 成金屬單質(zhì)薄膜或其它導(dǎo)電薄膜。 本發(fā)明是通過下述方法在碳基材料上制備一層均勻的氧化釔薄膜來作為頂柵介 質(zhì)的 在源、漏電極之間的導(dǎo)電通道(即溝道區(qū)域)上先沉積一層金屬釔薄膜，然后用熱
氧化的方法將金屬釔氧化成氧化釔，得到一層氧化釔薄膜作為頂柵介質(zhì)層。 上述方法形成的頂柵介質(zhì)具有很高的介電常數(shù)和良好的絕緣性質(zhì)，在其上再沉積
一層導(dǎo)電金屬薄膜作為頂柵電極。 上述方法中，沉積金屬釔薄膜可以用電子束蒸發(fā)或者熱蒸發(fā)或者磁控濺射的方 法，金屬釔可以均勻覆蓋在碳基材料上。金屬釔薄膜的厚度一般以小于io納米為宜，優(yōu)選 1 10納米。 熱氧化不限于具體的方法，采用熱板加熱、烘箱加熱、管式爐加熱等可以提供一定 高溫的方法均可以，熱氧化的溫度在100 500攝氏度，熱氧化的時間在1分鐘 5小時為且。 本發(fā)明的核心在于提出一種碳基的納米場效應(yīng)晶體管的高介電常數(shù)頂柵介質(zhì)及
其制備方法，為碳基高性能器件的實現(xiàn)提供了一個解決方案，滿足了碳基規(guī)?；呻娐?br> 的需求。具體而言，氧化釔作為碳基場效應(yīng)晶體管的柵介質(zhì)，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在 1.氧化釔和碳納米管以及石墨烯的浸潤良好(參見圖l和圖2)，并且具有很高的
介電常數(shù)，還擁有良好的絕緣性質(zhì)，可以有效的作為碳基納米場效應(yīng)晶體管的高介電常數(shù)
頂柵介質(zhì)，并得到很好的頂柵調(diào)制； 2.金屬釔容易被氧化，可以通過熱氧化的方法將其直接氧化成氧化釔，這樣的加 工方法簡單、干凈、廉價，不會引入多余的干擾因素影響器件的性能，同時最重要的是解決 了原子層沉積方法無法在碳納米管和石墨烯表面成核的問題，首次實現(xiàn)了在碳納米管和石 墨烯表面直接生長高介電常數(shù)頂柵介質(zhì)； 3.可以生長很薄的介質(zhì)層均勻覆蓋在碳基材料上，而不需要通過生長很厚的氧化 物來 淹沒納米材料的方法生長柵介質(zhì)。


圖1是展示氧化釔和碳納米管能很好浸潤的透射電子顯微鏡(TEM)圖像，其中，碳 納米管上覆蓋有一層5納米的氧化釔，圖中右下角比例尺為20納米。 圖2是展示氧化釔和石墨烯能很好浸潤的原子力顯微鏡(AFM)圖像，其中，圖像中 間的塊狀石墨烯上覆蓋有一層5納米的氧化釔，圖中右下角比例尺為1微米。
圖3是基于單根碳納米管的氧化釔高介電常數(shù)頂柵場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是實施例1制備的氧化釔高介電常數(shù)頂柵場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性(Ids_Vgs) 曲線，其中，Vds從上而下分別是O. 5V，0. 3V，0. 1V，圖中的虛線展示該場效應(yīng)晶體管的亞閾 值斜率達到了理論極限的60mV/dec。
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圖5是實施例1制備的氧化釔高介電常數(shù)頂柵場效應(yīng)晶體管的輸出特性(Ids_Vds) 曲線，其中，Vgs自上而下從1. 4V到-IV，每條曲線減少0. 2V。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，通過實施例進一步詳細說明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
實施例1 : 如圖3所示的以金屬鈧為源漏電極，氧化釔為柵介質(zhì)、金屬鈦為柵電極的碳納米 管場效應(yīng)晶體管。分布在絕緣基底6上的碳納米管1上的兩個鈧電極分別為源電極2和漏 電極3，柵介質(zhì)層4是由金屬釔熱氧化得到的氧化釔薄膜，柵電極層5為蒸發(fā)得到的金屬鈦。 具體制備步驟如下 1.在半導(dǎo)體碳納米管上通過光刻形成源、漏電極的形狀，蒸鍍一層80納米厚的鈧 金屬層作為源漏電極層，然后將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層即得到源漏金 屬電極； 2.光刻形成柵極形狀，通過電子束蒸發(fā)方式生長一層3納米左右的金屬釔，然后 將樣品放在熱板上，用200攝氏度在空氣中氧化5分鐘，將金屬釔氧化成氧化釔；
3.馬上通過電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍一層10納米厚的金屬鈦作為柵電極；
4.將樣品放進丙酮中剝離，制備出柵極。 所制備出來的納米場效應(yīng)晶體管通過實驗測量得到的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性 曲線，分別如圖4和圖5所示，可以看出通過這種方法得到的晶體管具有很大的亞閾值斜 率，達到了室溫下的理論極限60mV/dec，同時在輸出特性曲線里可以看出其歸一化(通過 碳納米管的直徑l. 2nm來歸一化)的跨導(dǎo)為4200S/m，這顯示出這種柵介質(zhì)具有很好的調(diào)制 效果。 實施例2 : 如圖3所示的以金屬鈀為源漏電極，氧化釔為柵介質(zhì)、金屬鉻為柵電極的碳納米 管場效應(yīng)晶體管。分布在絕緣基底6上的碳納米管1上的兩個鈀電極分別為源電極2和漏 電極3，柵介質(zhì)層4是由金屬釔熱氧化得到的氧化釔薄膜，柵電極層5為蒸發(fā)得到的金屬鉻。 具體制備步驟如下 1.在半導(dǎo)體碳納米管上通過光刻形成柵極形狀，通過電子束蒸發(fā)方式生長一層5 納米左右的金屬釔，然后將樣品放在熱板上，用200攝氏度在空氣中氧化10分鐘，將金屬釔 氧化成氧化釔； 2.馬上通過電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍一層20納米厚的金屬鉻作為柵電極；
3.將樣品放進丙酮中剝離，制備出柵極； 4.光刻形成源、漏電極的形狀，蒸鍍一層50納米厚的鈀金屬層作為源漏電極層， 然后將樣品放進丙酮中剝離，去除不需要的金屬層即得到源漏金屬電極。
權(quán)利要求
氧化釔作為碳基場效應(yīng)晶體管的頂柵介質(zhì)的用途。
2. —種碳基場效應(yīng)晶體管，包括導(dǎo)電通道、源電極、漏電極、柵介質(zhì)層和柵電極，所述導(dǎo)電通道為碳基材料，源、漏電極分別位于導(dǎo)電通道兩端，柵介質(zhì)層覆蓋在源、漏電極之間的< 導(dǎo)電通道上，柵電極位于柵介質(zhì)層之上，其特征是，所述柵介質(zhì)層是一層氧化釔薄膜。
3. 如權(quán)利要求2所述的碳基場效應(yīng)晶體管，其特征是，所述碳基材料為碳納米管或石墨烯。
4. 如權(quán)利要求2所述的碳基場效應(yīng)晶體管，其特征是，所述柵介質(zhì)層的厚度為1 20納米。
5. —種碳基場效應(yīng)晶體管的頂柵介質(zhì)的制備方法，所述碳基場效應(yīng)晶體管以碳基材料為導(dǎo)電通道，導(dǎo)電通道的兩端分別為源、漏電極，在源、漏電極之間的導(dǎo)電通道上先沉積一層金屬釔薄膜，然后熱氧化該金屬釔薄膜，得到一層氧化釔薄膜作為頂柵介質(zhì)。
6. 如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是，用電子束蒸發(fā)或者熱蒸發(fā)或者磁控濺射的方法沉積金屬釔。
7. 如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是，所沉積的金屬釔薄膜的厚度為1 10納米。
8. 如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是，采用熱板加熱、烘箱加熱或管式爐加熱的方法進行熱氧化。
9. 如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是，熱氧化的溫度為100 500攝氏度。
10. 如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是，熱氧化的時間為1分鐘 5小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳基場效應(yīng)晶體管的頂柵介質(zhì)及其制備方法，氧化釔直接作為碳基場效應(yīng)晶體管的頂柵介質(zhì)。以碳納米管或石墨烯等碳基材料作為導(dǎo)電通道，在溝道區(qū)域生長一層金屬釔薄膜，然后通過熱氧化的方法將釔氧化為氧化釔，得到的氧化釔薄膜作為頂柵介質(zhì)。本發(fā)明首次實現(xiàn)了在碳納米管和石墨烯表面直接生長高介電常數(shù)頂柵介質(zhì)，解決了原子層沉積無法在碳納米管或者石墨烯表面成核生長高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜的問題，氧化釔頂柵介質(zhì)具有很高的介電常數(shù)和良好的絕緣性質(zhì)，并實現(xiàn)高效的柵調(diào)制，且制作工藝簡單，材料和工藝成本低廉，為碳基高性能器件的實現(xiàn)提供了一個解決方案，滿足碳基規(guī)模化集成電路的需求。
文檔編號H01L21/283GK101710588SQ200910242119
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者張志勇, 彭練矛, 王振興, 王勝 申請人:北京大學(xué)