一種石墨烯電晶體的製備方法
2023-06-15 05:25:16 1
專利名稱：一種石墨烯電晶體的製備方法
技術領域：
本發明涉及納米加工技術，具體是一種用碳納米管做柵電極的石墨烯電晶體的製備方法。
背景技術：
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IO5Cm2V-1S-1數量級，遠高於矽中電子遷移率。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，其溝道長度也有可能縮短至納米尺寸， 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。目前，石墨烯電晶體的結構主要有兩種，一種是背柵結構，石墨烯做溝道，用矽襯底表面的二氧化矽做柵介質，用高摻雜的矽基底做柵電極，該種結構的電晶體，其溝道長度因光刻精度或限於其它微加工工藝，目前報導的最小溝道長度為40納米；且背柵結構的電晶體寄生電容很大，無法實現器件的集成；另一種電晶體結構是頂柵結構，石墨烯作溝道， 用SiO2, Al2O3或HfO2等做柵介質材料等，用電子束光刻技術定義柵電極和柵介質，但其溝道長度或柵電極受限於電子束光刻精度，通常很難達到10納米以下。由於受限於微加工技術或工藝過程，上述兩種結構石墨烯電晶體的溝道長度很難降低至10納米以下。為了降低溝道長度，IBM提出了自對準的方法降低溝道長度，即利用原子層沉積 Al2O3時，選擇性地沉積至金屬鋁電極表面，自對準地沉積源漏電極。但是用這種方法製備的電晶體溝道長度仍然受工藝水平的限制，且柵介質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做柵介質材料，用自對準的方法製備石墨烯電晶體， 其溝道長度可降低到納米線柵電極的尺寸，即100-300nm。該方法製備的石墨烯電晶體的溝道長度取決於Co2SiAl2O3納米線的直徑，Co2SiAl2O3納米線的直徑最小可達到lOOnm， 故用這種方法也很難製備出溝道長度小於IOnm的石墨烯電晶體(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)。
發明內容
本發明的目的在於提出一種用碳納米管做柵電極的石墨烯電晶體的製備方法。本發明提供的技術方案如下—種石墨烯電晶體的製備方法，其步驟包括
(1)首先在基底上製備如圖(1)所示的碳納米管放置於溝槽內的結構。該結構可通過兩個過程獲得，即(a)製備納米尺度溝槽、(b)放置(或生長)碳納米管，這(a)與(b) 兩個過程的前後順序沒有特殊要求、可不分先後。例如可先用微加工的方法在基底上製備出溝槽，然後在溝槽內生長碳納米管或者將已製備出的碳納米管轉移到溝槽內；也可先在基底上生長碳納米管或者將製備出的碳納米管轉移到基底上，然後再製備溝槽，將碳納米管置於溝槽內；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；碳納米管放置於溝槽內的結構可為一根或多根，溝槽寬度 < 1. 5 μ m，深度< 300nm，溝槽間距為2nm 1 μ m ；(2)用導電材料將碳納米管引出，用於電學性能測試，如圖(2)所示。導電材料可為金屬材料(如Al，Pd或Au/Ti雙層金屬(Au位於上方，Ti位於下方，作為與基底的粘附層))等，也可為高摻雜半導體材料、導電塑料或聚合物材料等。引出碳納米管的過程也可在溝槽製備之前進行；(3)直接利用空氣做柵介質材料，將石墨烯轉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，如圖(3)所示；石墨烯可以是用機械剝離的方法直接獲得，並轉移至基底表面；也可以是用化學氣相沉積或熱分解等方法製備，再將石墨烯轉移到基底。石墨烯可為單層的，兩層或多層的。石墨烯可以橫跨在一個溝槽之上，也可以同時橫跨在多個溝槽上面；(4)在石墨烯的兩端澱積導電材料引出，用於電學性能測試，如圖⑷所示。導電材料可為金屬材料(如Al，Pd或Au/Ti雙層金屬(Au位於上方，Ti位於下方，作為與基底的粘附層))等，也可為高摻雜半導體材料、導電塑料或聚合物材料等。本發明原理本發明的基本原理利用預置於納米尺度溝槽內的碳納米管作為柵電極，利用空氣作柵介質，將機械剝離、CVD技術或用其它生長方法製備的石墨烯轉移至碳納米管所在溝槽的上方，碳納米管作為柵電極，並利用電子束曝光等圖形化方法將源、漏和柵電極引出(用於電學性能測試)，則可製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電晶體結構。本發明的優點如下首先，本發明中提出的石墨烯電晶體結構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，石墨烯懸於溝槽上方，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所致的遷移率降低的問題，可使石墨烯基本保持其本徵特性； 另外通過碳納米管和石墨烯的結合，有可能實現全碳的電晶體結構或電路。
圖1.為碳納米管放置於溝槽內的結構示意圖；圖2.為用導電材料將碳納米管引出的示意圖；圖3.為將石墨烯轉移至碳納米管所在的溝槽上的示意圖4.為在石墨烯的兩端澱積導電材料的示意圖。
具體實施例方式實施實例一、(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位於上方， Ti位於下方，作為與基底的粘附層)將碳納米管引出。(2)在上述結構的表面通過PVD濺射一層SiO2,厚度為30nm，然後用氫氟酸刻蝕二氧化矽(包括PVD濺射的S^2和原來襯底表面的SiO2)，由於碳納米管的增強刻蝕作用，在碳納米管的位置就會產生一個納米尺度的溝槽，碳納米管也會隨之落入溝槽內；(3)用機械剝離的方法將石墨烯剝離、並轉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；(4)在石墨烯的兩端澱積導電材料引出，用於測試電學性能，導電材料為鈀(Pd)。實施實例二、(1)首先在石英襯底上利用電子束曝光和刻蝕的方法製備出的溝槽。溝槽寬度 1 μ m，溝槽深度為50nm。在溝槽內生長單壁碳納米管。(2)用鈀(Pd)將碳納米管引出。(3)直接將用化學氣相沉積法製備的石墨烯轉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；(4)在石墨烯的兩端澱積導電材料弓丨出，用於測試電學性能，導電材料為Au/Ti雙層金屬(Au位於上方，Ti位於下方，作為與基底的粘附層)。上面描述的實施例並非用於限定本發明，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可做各種的變換和修改，因此本發明的保護範圍視權利要求範圍所界定。
權利要求
1.一種石墨烯電晶體的製備方法，其步驟包括1)在基底上製備單個或若干個放置碳納米管的納米尺度溝槽結構，溝槽中設有碳納米管作為柵電極；2)通過導電材料將碳納米管引出；3)將石墨烯轉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；4)在石墨烯的兩端澱積導電材料引出。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟1)具體為先用微加工的方法在基底上製備出溝槽，然後在溝槽內生長碳納米管或者將已製備出的碳納米管轉移到納米尺度溝槽內。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟1)中基底為SiO2、石英、砷化鎵或塑料。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，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.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟1)中放置於溝槽內的碳納米管為一根或多根。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，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.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟3)中石墨烯為單層、兩層或多層。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟3)中石墨烯橫跨在一個溝槽之上，或同時橫跨在多個溝槽上面，且溝槽中預先放置碳納米管。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述導電材料為金屬材料、高摻雜半導體材料、導電塑料或聚合物材料。
全文摘要
本發明公開了一種石墨烯電晶體的製備方法，該方法將置於納米尺度溝槽內的碳納米管作為柵電極，利用空氣作柵介質，將機械剝離、CVD技術或用其它生長方法製備的石墨烯轉移至碳納米管所在溝槽的上方，則可製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電晶體結構。本發明利用碳納米管和石墨烯的結合，實現全碳結構的新型電晶體。
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 優先權日2011年10月12日
發明者傅雲義, 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