專利名稱：一種石墨烯晶體管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米加工技術(shù)，具體是一種用碳納米管做柵電極的石墨烯晶體管的制備方法。
背景技術(shù)：
石墨烯，即單層石墨，是迄今為止最薄的二維電子薄膜材料。石墨烯的電子遷移率很高，高達(dá)IO5Cm2V-1S-1數(shù)量級，遠(yuǎn)高于硅中電子遷移率。理論上，石墨烯中所有SP2雜化的碳原子均飽和成鍵，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其所能承載的電流密度高、抗電擊穿能力強(qiáng)；利用石墨烯制作場效應(yīng)晶體管，可使溝道厚度降低至單原子尺度，其溝道長度也有可能縮短至納米尺寸， 而且不存在類似于硅基器件中的短溝效應(yīng)，故石墨烯在高速電子器件領(lǐng)域?qū)⒕哂芯薮蟮膽?yīng)用潛力。目前，石墨烯晶體管的結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是背柵結(jié)構(gòu)，石墨烯做溝道，用硅襯底表面的二氧化硅做柵介質(zhì)，用高摻雜的硅基底做柵電極，該種結(jié)構(gòu)的晶體管，其溝道長度因光刻精度或限于其它微加工工藝，目前報(bào)道的最小溝道長度為40納米；且背柵結(jié)構(gòu)的晶體管寄生電容很大，無法實(shí)現(xiàn)器件的集成；另一種晶體管結(jié)構(gòu)是頂柵結(jié)構(gòu)，石墨烯作溝道， 用SiO2, Al2O3或HfO2等做柵介質(zhì)材料等，用電子束光刻技術(shù)定義柵電極和柵介質(zhì)，但其溝道長度或柵電極受限于電子束光刻精度，通常很難達(dá)到10納米以下。由于受限于微加工技術(shù)或工藝過程，上述兩種結(jié)構(gòu)石墨烯晶體管的溝道長度很難降低至10納米以下。為了降低溝道長度，IBM提出了自對準(zhǔn)的方法降低溝道長度，即利用原子層沉積 Al2O3時(shí)，選擇性地沉積至金屬鋁電極表面，自對準(zhǔn)地沉積源漏電極。但是用這種方法制備的晶體管溝道長度仍然受工藝水平的限制，且柵介質(zhì)材料的選擇也受到限制(D. B. Farmer and Y. -Μ. Lin et al. ,Graphene field-effect transistors with self-aligned gates, Appl.Phys. Lett. Vol. 97，2010，P. 013103)。另外通過利用Co2Si納米線做柵電極，用原子層沉積到Co2Si納米線表面的Al2O3做柵介質(zhì)材料，用自對準(zhǔn)的方法制備石墨烯晶體管， 其溝道長度可降低到納米線柵電極的尺寸，即100-300nm。該方法制備的石墨烯晶體管的溝道長度取決于Co2SiAl2O3納米線的直徑，Co2SiAl2O3納米線的直徑最小可達(dá)到lOOnm， 故用這種方法也很難制備出溝道長度小于IOnm的石墨烯晶體管(L.Liao and Y. -C. Lin et al. , High-speed graphene transistors with a self-alignednanowire gate, Nature, Vol. 467, No. 16,2010, P. 305 ；L. Liao and J. W. Bai et al, ScalableFabrication of Self-Aligned Graphene Transistors and Circuits on Glass, Nano letters, DOI 10.1021/nl201922c,2011)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用碳納米管做柵電極的石墨烯晶體管的制備方法。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下—種石墨烯晶體管的制備方法，其步驟包括
(1)首先在基底上制備如圖(1)所示的碳納米管放置于溝槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可通過兩個(gè)過程獲得，即(a)制備納米尺度溝槽、(b)放置(或生長)碳納米管，這(a)與(b) 兩個(gè)過程的前后順序沒有特殊要求、可不分先后。例如可先用微加工的方法在基底上制備出溝槽，然后在溝槽內(nèi)生長碳納米管或者將已制備出的碳納米管轉(zhuǎn)移到溝槽內(nèi)；也可先在基底上生長碳納米管或者將制備出的碳納米管轉(zhuǎn)移到基底上，然后再制備溝槽，將碳納米管置于溝槽內(nèi)；其中，基底可為SiO2、石英、砷化鎵或塑料等材料；碳納米管可為單壁碳納米管、 多壁碳納米管或碳納米管管束；碳納米管放置于溝槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)可為一根或多根，溝槽寬度 < 1. 5 μ m，深度< 300nm，溝槽間距為2nm 1 μ m ；(2)用導(dǎo)電材料將碳納米管引出，用于電學(xué)性能測試，如圖(2)所示。導(dǎo)電材料可為金屬材料(如Al，Pd或Au/Ti雙層金屬(Au位于上方，Ti位于下方，作為與基底的粘附層))等，也可為高摻雜半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電塑料或聚合物材料等。引出碳納米管的過程也可在溝槽制備之前進(jìn)行；(3)直接利用空氣做柵介質(zhì)材料，將石墨烯轉(zhuǎn)移至碳納米管所在的溝槽上面，溝槽中碳納米管與石墨烯之間的空氣為柵介質(zhì)，如圖(3)所示；石墨烯可以是用機(jī)械剝離的方法直接獲得，并轉(zhuǎn)移至基底表面；也可以是用化學(xué)氣相沉積或熱分解等方法制備，再將石墨烯轉(zhuǎn)移到基底。石墨烯可為單層的，兩層或多層的。石墨烯可以橫跨在一個(gè)溝槽之上，也可以同時(shí)橫跨在多個(gè)溝槽上面；(4)在石墨烯的兩端淀積導(dǎo)電材料引出，用于電學(xué)性能測試，如圖⑷所示。導(dǎo)電材料可為金屬材料(如Al，Pd或Au/Ti雙層金屬(Au位于上方，Ti位于下方，作為與基底的粘附層))等，也可為高摻雜半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電塑料或聚合物材料等。本發(fā)明原理本發(fā)明的基本原理利用預(yù)置于納米尺度溝槽內(nèi)的碳納米管作為柵電極，利用空氣作柵介質(zhì)，將機(jī)械剝離、CVD技術(shù)或用其它生長方法制備的石墨烯轉(zhuǎn)移至碳納米管所在溝槽的上方，碳納米管作為柵電極，并利用電子束曝光等圖形化方法將源、漏和柵電極引出(用于電學(xué)性能測試)，則可制得溝道長度接近碳納米管直徑、碳納米管作為柵電極的單柵或多柵石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下首先，本發(fā)明中提出的石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)是用碳納米管作為柵電極，因此柵電極控制的溝道長度可以很小(< lOnm)，甚至接近單根單壁碳納米管的直徑，例如1.4nm。其次，直接利用空氣作柵介質(zhì)，石墨烯懸于溝槽上方，其下表面未與碳納米管或襯底接觸，避免了漏電或因襯底或柵介質(zhì)所致的遷移率降低的問題，可使石墨烯基本保持其本征特性； 另外通過碳納米管和石墨烯的結(jié)合，有可能實(shí)現(xiàn)全碳的晶體管結(jié)構(gòu)或電路。


圖1.為碳納米管放置于溝槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2.為用導(dǎo)電材料將碳納米管引出的示意圖；圖3.為將石墨烯轉(zhuǎn)移至碳納米管所在的溝槽上的示意圖4.為在石墨烯的兩端淀積導(dǎo)電材料的示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施實(shí)例一、(1)首先在Si/SiA基底上排列單壁碳納米管，用Au/Ti雙層金屬(Au位于上方， Ti位于下方，作為與基底的粘附層)將碳納米管引出。(2)在上述結(jié)構(gòu)的表面通過PVD濺射一層SiO2,厚度為30nm，然后用氫氟酸刻蝕二氧化硅(包括PVD濺射的S^2和原來襯底表面的SiO2)，由于碳納米管的增強(qiáng)刻蝕作用，在碳納米管的位置就會產(chǎn)生一個(gè)納米尺度的溝槽，碳納米管也會隨之落入溝槽內(nèi)；(3)用機(jī)械剝離的方法將石墨烯剝離、并轉(zhuǎn)移至碳納米管所在的溝槽上面，溝槽中碳納米管與石墨烯之間的空氣為柵介質(zhì)；(4)在石墨烯的兩端淀積導(dǎo)電材料引出，用于測試電學(xué)性能，導(dǎo)電材料為鈀(Pd)。實(shí)施實(shí)例二、(1)首先在石英襯底上利用電子束曝光和刻蝕的方法制備出的溝槽。溝槽寬度 1 μ m，溝槽深度為50nm。在溝槽內(nèi)生長單壁碳納米管。(2)用鈀(Pd)將碳納米管引出。(3)直接將用化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯轉(zhuǎn)移到碳納米管所在的溝槽上面，溝槽中碳納米管與石墨烯之間的空氣為柵介質(zhì)；(4)在石墨烯的兩端淀積導(dǎo)電材料弓丨出，用于測試電學(xué)性能，導(dǎo)電材料為Au/Ti雙層金屬(Au位于上方，Ti位于下方，作為與基底的粘附層)。上面描述的實(shí)施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的變換和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯晶體管的制備方法，其步驟包括1)在基底上制備單個(gè)或若干個(gè)放置碳納米管的納米尺度溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽中設(shè)有碳納米管作為柵電極；2)通過導(dǎo)電材料將碳納米管引出；3)將石墨烯轉(zhuǎn)移至碳納米管所在的溝槽上面，溝槽中碳納米管與石墨烯之間的空氣為柵介質(zhì)；4)在石墨烯的兩端淀積導(dǎo)電材料引出。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)具體為先用微加工的方法在基底上制備出溝槽，然后在溝槽內(nèi)生長碳納米管或者將已制備出的碳納米管轉(zhuǎn)移到納米尺度溝槽內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中基底為SiO2、石英、砷化鎵或塑料。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中碳納米管為單壁碳納米管、多壁碳納米管或碳納米管管束。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中放置于溝槽內(nèi)的碳納米管為一根或多根。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中溝槽的間距為2nm Ιμπι，溝槽寬度< 1. 5 μ m，溝槽深度< 300nm。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)中石墨烯為單層、兩層或多層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)中石墨烯橫跨在一個(gè)溝槽之上，或同時(shí)橫跨在多個(gè)溝槽上面，且溝槽中預(yù)先放置碳納米管。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電材料為金屬材料、高摻雜半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電塑料或聚合物材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨烯晶體管的制備方法，該方法將置于納米尺度溝槽內(nèi)的碳納米管作為柵電極，利用空氣作柵介質(zhì)，將機(jī)械剝離、CVD技術(shù)或用其它生長方法制備的石墨烯轉(zhuǎn)移至碳納米管所在溝槽的上方，則可制得溝道長度接近碳納米管直徑的、碳納米管作為柵電極的單柵或多柵石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用碳納米管和石墨烯的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全碳結(jié)構(gòu)的新型晶體管。
文檔編號H01L29/78GK102339735SQ20111030880
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者傅云義, 尹金澤, 崔曉銳, 張興, 曹宇, 趙華波, 魏子鈞, 魏芹芹, 黃如 申請人:北京大學(xué)