基於石墨烯的二極體器件及其邏輯單元的結構的製作方法

2023-06-10 20:52:36

專利名稱：基於石墨烯的二極體器件及其邏輯單元的結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於納米尺度器件的結構以及加工方法，具體是一種石墨烯結構和由此結構衍生的功能器件。
背景技術：
石墨烯，即單層石墨，是迄今為止最薄的二維電子氣薄膜材料，它發現於2004年並於2010年獲得諾貝爾物理學獎。石墨烯的電子遷移率極高，高達IO5Cm2W1 s—1數量級，約為矽中電子遷移率的140倍。理論上，石墨烯中所有Sp2雜化的碳原子均飽和成鍵，結構穩定，其所能承載的電流密度高、抗電擊穿能力強；利用石墨烯製作場效應電晶體，可使溝道
厚度降低至單原子尺度，其溝道長度也可以縮短至納米尺寸，而且不存在類似於矽基器件中的短溝效應，故石墨烯在高速電子器件領域將具有巨大的應用潛力。由於石墨烯的二維結構能夠與傳統的CMOS工藝兼容，它又擁有高遷移率等優良的電學性能，基於石墨烯的電晶體很快成為學術界和工業界所共同追求的目標。但由於石墨烯是零禁帶半導體，即使在狄拉克點下其導電性仍然很好，使石墨烯邏輯器件的開關比很低，性能不好。近幾年的研究發現石墨烯納米帶(nanoribbon)具有與大面積石墨烯所不同的電學性質，其中關鍵點的一點是，隨著石墨烯納米帶寬度的減小其禁帶寬度展寬了，開關比顯著提高，這一點已經得到了理論(Son, Y. and M. L. Cohen, etal. (2006). " Energy Gaps in Graphene Nanoribbons. " Physical Review Letters97(21) :216803.)和實驗(Li，X. L. and X. R. Wang, et al. (2008). " Chemically derived,ultrasmooth graphene nanoribbon semiconductors" SCIENCE 319(5867) :1229-1232;Han,M. Y. and B. Ozyilmaz, et al. (2007). " Energy Band-Gap Engineering of GrapheneNanoribbons. " Physical Review Letters 98 (20) : 206805)兩方面的證實。但是目前對於石墨烯納米帶的應用都集中在傳統MOS結構的器件。

發明內容
本專利目的在於提出一種寬度改變的石墨烯納米結構，用於二極體和邏輯門電路。本發明提供一種二極體結構，如圖3所示，為一寬度沿延展方向漸變的三角形單層石墨烯納米結構，或寬度沿延展方向一寬一窄兩個矩形相連的單層石墨烯納米結構，將上述單層石墨烯納米結構進行n型或p型摻雜。參考圖4，一寬一窄兩個矩形相連的單層石墨烯納米結構，寬矩形的長度LI在50nm到10 ii m之間，寬度Wl為50nm到10 u m,窄矩形的長度L2在50nm到I y m之間，寬度W2為2A (單碳環的寬度)到20nm。寬度沿延展方向漸變的三角形單層石墨烯納米結構，其尖角a的角度範圍為0到60°，側面的邊LO的長度在I. 4nm (十個碳環)和500nm之間。本發明納米結構可以平行襯底放置，也可以在有限支持下懸空，甚至與襯底垂直放置。由於石墨烯的晶格長度在I. 4A，而石墨烯納米結構在20nm以下均有顯著的能帶隨寬度調製效應，因此在保持石墨烯完整的晶格結構的前提下仍可以認為此結構的石墨烯器件寬度連續變化，因此能帶也連續變化。此結構的石墨烯邊界可以為armchair型，zigzag型以及兩者的混合型。本發明利用上述結構設計並加工成所需要的二極體邏輯門如下利用結構構件還可以在一塊完整的石墨烯上僅利用圖形化方式製作出整個二極體邏輯門乃至整個邏輯電路。由於石墨烯納米導電性隨納米結構的寬度改變，因此在同一塊石墨烯上刻出與上述二極體結構相連的不同寬度的納米帶可以分別用作導線和電阻，與上面的結構構件形成的二極體結合便組成二極體邏輯門電路，將二極體邏輯門組合起來便可以組成整個邏輯電路。例如，對下面兩個結構的石墨烯進行P型摻雜後，就分別為一個二極體或門電路和一個二極體與門電路。
20nm之間，保證其半導體性；L1為IOOnm到5 y m, L2為50nm到I y m ；W3, W4在IOOnm到IOum 之間；L3 為 IOOnm 到 10 y m，W5 為 IOOnm 到 IOum ；W5 為 20nm 到 IOOnm,保證其電阻
較大而又沒有禁帶展寬效應。二極體與門的尺寸要求與二極體或門相同。以二極體組成的邏輯與門和邏輯或門作為基礎模塊，可以僅通過在石墨烯上圖形化的方式形成整個邏輯電路，實現邏輯運算的功能。本發明將石墨烯納米結構製作成一寬一窄兩個矩形相互連接或者一端寬一端窄的三角形結構，納米帶較寬的一端禁帶寬度為零類似金屬，納米帶較窄的一端有一定禁帶寬度類似半導體，完整的結構就是一個金屬半導體接觸。將金屬性的石墨烯納米帶進行n型(P型)摻雜，由於兩者的載流子濃度不同，載流子擴散會造成半導體性石墨烯納米帶的能帶彎曲，此結構平衡的能帶圖I所示。當在這兩者上加上偏壓的時候，可以調節金屬到二極體一側的電子(空穴)勢壘，進而調節電子(空穴)電流，從而實現了整流的功能，如圖2所示。發明優點本發明根據所需要的器件的功能設計石墨烯圖形以實現特定的能帶結構。本發明進一步提供了二極體器件組成的基本的邏輯門進而可以形成整個邏輯電路。本發明是一種納米尺度器件，尺寸非常小，且結構簡單，製作方便，由於此結構利用的是完整的一片石墨烯，缺陷少電學性能好，它可以成為未來碳基集成電路的基本構件。


圖I本發明二極體平衡能帶示意圖；圖2本發明二極體偏壓能帶示意圖；圖3本發明單層石墨烯納米結構示意圖；圖4本發明單層石墨烯納米結構尺寸示意圖；圖5為本發明二極體邏輯或門示意圖。
具體實施例方式
實施實例一 二極體邏輯或門(I)製備單層石墨烯製備單層石墨烯的方法包括機械剝離(mechanical exfoliation), CVD生長再轉移，在SiC上外延生長，將氧化石墨還原，用多層石墨減薄等。可以直接在襯底上製作石墨烯也可以在其他地方(溶液，金屬表面等)合成石墨烯再轉移到襯底上。襯底上的石墨烯可以為懸空態，也可以貼著襯底。襯底材料可以為矽，二氧化矽，石英，玻璃等剛性材料以及PMMA等柔性材料。(2)對單層石墨烯進行圖形化對單層石墨烯圖形化的方式包括光刻，納米壓印，導電AFM圖形化等。利用上述圖形化手段將單層石墨烯加工為結構構件，本實施例用電子束曝光的方式使石墨烯圖形化將器件部分用PMMA保護起來，而將要刻蝕掉的部分曝光去膠後露出，然後用氧等離子體轟擊，用反應離子刻蝕(ICP)刻蝕石墨烯，最終將石墨烯形成為如圖5所示的形狀，其關鍵尺寸為輸入的寬石墨烯納米帶寬度Wl為Iii m，長度LI為Iii m，中間的窄石墨烯納米帶寬度W2為20nm，長度L2為I y m ;W3的寬度為lOOnm，W4的寬度為I y m ;L3為2 y m，W5為3. 5 u m, W6 為 IOOnnio(3)電極製備用電子束曝光的方式定義金屬電極，通過電子束蒸發金屬和剝離的過程形成電極。兩個輸入的電極都澱積25nm厚的Au,使兩個金屬電極通過接觸摻雜的方式將寬的金屬性的石墨烯納米帶摻雜為P型。(關於金屬電極對應的摻雜有文獻報導Huard，B. and N. Stander,et al. (2008) "Evidence of the role of contacts on the observedelectron-hole asymmetry in graphene. "Physical Review B 78 (12) : 121402)輸出的電極和接地的電極也用同種方式同種金屬製作。(4)以金屬電極作為電學引出即可以做二極體邏輯或門的電學測試。
權利要求
1.一種二極體結構，其特徵在於，為一寬度沿延展方向漸變的三角形單層石墨烯納米結構，或寬度沿延展方向一寬一窄兩個矩形相連的單層石墨烯納米結構，將上述單層石墨烯納米結構進行n型或p型摻雜。
2.如權利要求I所述的二極體結構，其特徵在於，三角形單層石墨烯納米結構，其尖角的角度範圍為O到60°，側面的邊的長度在I. 4nm和500nm之間。
3.如權利要求I所述的二極體結構，其特徵在於，寬度沿延展方向一寬一窄兩個矩形相連的單層石墨烯納米結構，寬矩形的長度在50nm到10 u m之間，寬度為50nm到10 y m,窄矩形的長度在50nm到I ii m之間，寬度為到20nm。
4.如權利要求I所述的二極體結構，具特徵在於，單層石墨烯納米結構在襯底上放置，或在有限支持下懸空，或者與襯底垂直放置。
5.一種二極體邏輯門，其特徵在於，若干個如權利要求1-4所述的任意一種二極體結構與作為導線和電阻的不同寬度的納米帶相連。
6.如權利要求5所述的二極體邏輯門，其特徵在於，所述二極體結構間距在IOOnm到10 u m之間。
7.如權利要求5所述的二極體邏輯門，其特徵在於，所述作為導線的納米帶的寬度為IOOnm 到 10 u m。
全文摘要
本發明提供了一種基於石墨烯的二極體器件及其邏輯單元的結構，屬於納米尺度器件的結構以及加工方法。本發明二極體結構為一寬度沿延展方向漸變的三角形單層石墨烯納米結構，或寬度沿延展方向一寬一窄兩個矩形相連的單層石墨烯納米結構，對該單層石墨烯納米結構進行n型或p型摻雜。本發明可根據所需要的器件的功能設計石墨烯圖形以實現特定的能帶結構。本發明進一步提供了二極體器件組成的基本的邏輯門進而可以形成整個邏輯電路。
文檔編號H01L29/06GK102709332SQ20121015365
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者任黎明, 傅雲義, 葉天揚, 張興, 趙華波, 魏子鈞, 黃如 申請人:北京大學