一種具有高開關(guān)電流比的石墨烯晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子器件及石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種石墨烯晶體管及其制備方法，尤其是涉及一種具有高開關(guān)電流比的石墨烯晶體管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型，呈蜂巢晶格的平面薄膜，由于在狄拉克點(diǎn)附近的線性能帶結(jié)構(gòu)色散和電子與空穴二者極高的載流子迀移率，石墨烯呈現(xiàn)出奇特的電子特性，如量子自旋霍爾效應(yīng)，基于上述原因，石墨烯作為下一代半導(dǎo)體材料，引起了相當(dāng)多的關(guān)注。和傳統(tǒng)的硅基晶體管的制備材料相比，石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)及電學(xué)特性，石墨烯的這些優(yōu)異的性能促使其在電子器件和光電器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
[0003]然而，由于石墨烯不具備帶隙，其在室溫下無(wú)法實(shí)際用于低功率損耗的邏輯器件。由于零帶隙的特點(diǎn)，使得石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開關(guān)電流較低，一般小于10。因此，如何提高石墨烯晶體管的開關(guān)電流比，仍然是一個(gè)重要的問(wèn)題，但目前與此相關(guān)的技術(shù)鮮有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于金屬吸收層的具有尚開關(guān)電流比的石墨稀晶體管及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]—種具有尚開關(guān)電流比的石墨稀晶體管，該石墨稀晶體管包括襯底層、由下向上依次生長(zhǎng)在襯底層上的金屬電極層、介質(zhì)層、石墨烯溝道層以及金屬納米顆粒層，所述的石墨烯溝道層兩端分別設(shè)有第一金屬電極及第二金屬電極，所述的金屬電極層為柵極，所述的第一金屬電極為源極，所述的第二金屬電極為漏極。
[0007]所述的襯底層為η型重?fù)诫sSi襯底層。
[0008]所述的金屬電極層為通過(guò)電子束蒸發(fā)生長(zhǎng)在襯底層上的金層，厚度在200nm以內(nèi)。
[0009]所述的介質(zhì)層為S12介質(zhì)層，該S1 2介質(zhì)層的厚度在10nm以內(nèi)。
[0010]所述的石墨稀溝道層的厚度在Inm以內(nèi)。
[0011]所述的金屬納米顆粒層的厚度為3-5nm。
[0012]所述的金屬納米顆粒層的材質(zhì)為N1、Co、Au或Fe中的一種。
[0013]所述的第一金屬電極及第二金屬電極的厚度為10-200nm，材質(zhì)為Au、Al或Ti中的一種。
[0014]—種具有高開關(guān)電流比的石墨烯晶體管的制備方法，該方法具體包括以下步驟:
[0015](I)清洗襯底:將襯底層清洗干凈；
[0016](2)制作金屬電極層:通過(guò)電子束蒸發(fā)法或磁控濺射法在襯底層上生長(zhǎng)一層金屬電極層；
[0017](3)制作介質(zhì)層:通過(guò)熱氧化方法在金屬電極層上生長(zhǎng)一層S12介質(zhì)層，控制厚度在10nm以內(nèi)；
[0018](4)制作石墨烯溝道層:在介質(zhì)層上直接生長(zhǎng)或通過(guò)轉(zhuǎn)移技術(shù)的方法覆蓋一層石墨烯溝道層；
[0019](5)制作金屬納米顆粒層:先通過(guò)電子束蒸發(fā)法或磁控濺射法在石墨烯溝道層上生長(zhǎng)一層金屬吸收層，控制厚度為3-5nm，再于200_300°C條件下，退火5_30min，退火后，金屬吸收層受熱融化，轉(zhuǎn)變成金屬納米顆粒層；
[0020](6)制作電極:用PMMA作為光刻膠，通過(guò)電子束光刻在石墨烯溝道層上制作源電極與漏電極。
[0021]步驟(4)中，在介質(zhì)層上采用化學(xué)氣相沉積法直接生長(zhǎng)一層石墨烯溝道層或通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械剝離工藝獲得石墨烯，之后通過(guò)轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移到介質(zhì)層上。
[0022]本發(fā)明的核心技術(shù)是在石墨烯溝道層上先生長(zhǎng)一層金屬吸收層，再于200-300°C條件下退火，金屬吸收層吸熱后融化，變成金屬納米顆粒層。由于碳元素在N1、Co、Fe內(nèi)的固溶度較大，故石墨烯中的碳元素會(huì)吸附到金屬吸收層內(nèi)，進(jìn)而在石墨烯內(nèi)產(chǎn)生納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的量子效應(yīng)，能夠打開石墨烯的禁帶寬度，產(chǎn)生了石墨烯隙，導(dǎo)致石墨稀漏電流降低，從而提尚石墨稀晶體管的開關(guān)電流比。
[0023]本發(fā)明的工作原理如下:在柵極電壓作用下，載流子通過(guò)隧道效應(yīng)穿過(guò)石墨烯溝道層，在源極和漏極之間形成導(dǎo)電溝道，而柵極電壓可以控制源極與漏極之間的電流。
[0024]本發(fā)明中，石墨烯是一種零帶隙半導(dǎo)體材料，其透光性較好，光譜吸收范圍可以從紫外到太赫茲頻段，采用石墨烯作為溝道，可以在一個(gè)廣泛的頻譜范圍內(nèi)工作。此外，石墨烯具有超高的載流子迀移率，響應(yīng)速度很快；同時(shí)，在石墨烯溝道層上覆蓋一層金屬納米顆粒層后，因金屬納米顆粒的曲率半徑很小，光照后，金屬納米顆粒的電場(chǎng)增強(qiáng)，使得石墨烯與電場(chǎng)之間耦合增強(qiáng)，光吸收率增大，器件的量子效率增大。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
[0026]I)由于采用金屬納米顆粒層，電場(chǎng)增強(qiáng)，使得石墨烯與電場(chǎng)之間耦合增強(qiáng)，光吸收率增大，器件的量子效率增大；
[0027]2)由于采用石墨烯作為溝道，可以在一個(gè)廣泛的頻譜范圍內(nèi)工作，并且響應(yīng)速度快；
[0028]3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝條件溫和，有效解決了石墨烯晶體管低開關(guān)電流比的問(wèn)題，同時(shí)保持了石墨烯晶體管高導(dǎo)電特性，具有廣泛應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖中標(biāo)記說(shuō)明:
[0031]I一襯底層、2—金屬電極層、3—介質(zhì)層、4一石墨稀溝道層、5—金屬納米顆粒層、6一第一金屬電極、7—第二金屬電極。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下文結(jié)合特定實(shí)例說(shuō)明的實(shí)施方式，此處的實(shí)施例及各種特征和有利細(xì)節(jié)將參考附圖中圖示以及以下描述中詳述的非限制性實(shí)施例而進(jìn)行更完整的解釋。省略眾所周知的部件和處理技術(shù)的描述，以免不必要的使此處的實(shí)施例難以理解。在制作所述結(jié)構(gòu)時(shí)，可以使用半導(dǎo)體工藝中眾所周知的傳統(tǒng)工藝。此處使用的示例僅僅是為了幫助理解此處的實(shí)施例可以被實(shí)施的方式，以及進(jìn)一步使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┐颂幍膶?shí)施例。因而，不應(yīng)將此處的示例理解為限制此處的實(shí)施例的范圍。
[0033]實(shí)施例1:
[0034]如圖1所不，一種具有尚開關(guān)電流比的石墨稀晶體管，該石墨稀晶體管包括襯底層1、由下向上依次生長(zhǎng)在襯底層I上的金屬電極層2、介質(zhì)層3、石墨烯溝道層4以及金屬納米顆粒層5，石墨烯溝道層4兩端分別設(shè)有第一金屬電極6及第二金屬電極7，金屬電極層2為柵極，第一金屬電極6為源極，第二金屬電極7為漏極。
[0035]其中，襯底層I為η型重?fù)诫sSi襯底層；金屬電極層2為通過(guò)電子束蒸發(fā)生長(zhǎng)在襯底層I上的金層，厚度在200nm以內(nèi)；介質(zhì)層3為3;102介質(zhì)層，該S1 2介質(zhì)層的厚度在10nm以內(nèi)；石墨稀溝道層4的厚度在Inm以內(nèi)；金屬納米顆粒層5的厚度為5nm，并且金屬納米顆粒層5的材質(zhì)為Au。
[0036]第一金屬電極6及第二金屬電極7的厚度均為200nm，材質(zhì)為Al。
[0037]本實(shí)施例具有尚開關(guān)電流比的石墨稀晶體管的制備方法，具體包括以下步驟:
[0038](I)清洗襯底:將襯底層I清洗干凈；
[0039](2)制作金屬電極層2:通過(guò)電子束蒸發(fā)法在襯底層I上生長(zhǎng)一層金屬電極層2 ;
[0040](3)制作介質(zhì)層3:通過(guò)熱氧化方法在金屬電極層2上生長(zhǎng)一層S12介質(zhì)層，控制厚度在10nm以內(nèi)；
[0041](4)制作石墨烯溝道層4:在介質(zhì)層3上采用化學(xué)氣相沉積法直接生長(zhǎng)一層石墨烯溝道層4 ;
[0042](5)制作金屬納米顆粒層5:先通過(guò)電子束蒸發(fā)法在石墨烯溝道層4上生長(zhǎng)一層金屬吸收層，控制厚度為5nm，再于300°C條件下，退火5min，退火后，金屬吸收層受熱融