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