包括石墨烯溝道的隧穿場效應電晶體的製作方法

2023-06-08 00:43:31

包括石墨烯溝道的隧穿場效應電晶體的製作方法
【專利摘要】提供包括石墨烯溝道的隧穿場效應電晶體（TFET）。該TFET包括：在基板上的第一電極；在第一電極上的半導體層；在半導體層上的石墨烯溝道，該石墨烯溝道朝向與第一電極間隔開的第一區域延伸；在石墨烯溝道上的第二電極，該第二電極在第一區域上；覆蓋石墨烯溝道的柵絕緣層；以及在柵絕緣層上的柵電極。第一電極和石墨烯溝道設置為彼此面對，半導體層設置在其間。
【專利說明】包括石墨烯溝道的隧穿場效應電晶體
【技術領域】
[0001]本公開涉及包括石墨烯溝道的隧穿場效應電晶體(TFET)，更具體而言，涉及其中柵電壓通過石墨烯溝道與電極之間的半導體被施加到隧穿載流子的TFET。
【背景技術】
[0002]近來具有二維六方碳結構的石墨烯已經作為代替半導體的新材料受到關注，因而對於石墨烯的研究在全球正被積極地進行。當具有零帶隙半導體的石墨烯被製成具有小於或等於IOnm的寬度的石墨烯納米帶(GNR)時，由於尺寸效應，在GNR中形成帶隙，因而，在室溫下操作的場效應電晶體(FET)可以使用GNR製備。
[0003]在製備使用GNR的石墨烯電晶體時，石墨烯電晶體的開/關比增大，但是GNR中的遷移率由於GNR的紊亂邊緣而大大減小並且石墨烯電晶體的導通電流低。備選地，垂直電場可以被施加到雙層石墨烯以形成帶隙。然而，難以執行該方法，因為難以使用大面積化學氣相沉積(CVD)生長均勻的雙層石墨烯並且由於隨機的域(domain)而難以實現該方法。

【發明內容】

[0004]提供包括石墨烯溝道的隧穿場效應電晶體(TFET)，其通過施加柵電壓提供控制隧穿通過石墨烯溝道與電極之間的半導體的電流的器件。
[0005]額外的方面將在以下的描述中被部分地闡述且部分將通過該描述明顯或者可以通過所給出的實施方式的實踐而習知。
[0006]根據示例實施方式，一種包括可調勢壘的石墨烯開關器件包括:在基板上的第一電極；在第一電極上的半導體層；在半導體層上的石墨烯溝道，該石墨烯溝道延伸到基板上的與第一電極間隔開的第一區域；在石墨烯溝道上的第二電極，該第二電極設置在第一區域上；覆蓋石墨烯溝道的柵絕緣層；以及在柵絕緣層上的柵電極，其中第一電極的一部分和石墨烯溝道設置為彼此面對，半導體層設置在其間。
[0007]第一區域還可以包括形成在石墨烯溝道與基板之間的第一絕緣層。
[0008]第一電極可以包括主體部分和從主體部分朝向第一區域在半導體層下面延伸的延伸部分，第一電極的所述部分是延伸部分。
[0009]半導體層可以包括鎵銦鋅氧化物(GIZO)、a-S1、S1、HIZO、MoS2,CdSe, ZnO、A1P、InP, SrTiO3, Ge、GaAs, SiC、AlAs、GaN、CdTe、CuO、NiO 或 GaMnAs。
[0010]延伸部分的厚度可以比主體部分的厚度薄。
[0011]半導體層可以具有在大約Inm到大約30nm範圍內的厚度。
[0012]第一電極可以包括Pt、N1、Au、Pd、Co、Be、Cu、Re、Ru、Fe、W、Sb、Mo、Ag 或 Cr。
[0013]上述電晶體可以是具有與半導體層的雜質的極性相同的極性的單極性電晶體。
[0014]根據施加到柵電極的柵電壓，在第一電極和石墨烯溝道之間形成的半導體層的能帶的隧穿厚度可以是可變的。
[0015]石墨烯溝道可以由I至4層石墨烯組成。[0016]第一能量勢壘可以形成在半導體層與第一電極之間的界面和半導體層與石墨烯溝道之間的界面兩者之一處。
[0017]在半導體層與第一電極之間的界面和半導體層與所述石墨烯之間的界面兩者中的另一個處，形成比第一能量勢壘低的第二能量勢壘。
[0018]第二能量勢壘可以小於或等於0.3eV。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]通過結合附圖對實施方式的以下描述，這些和/或其它方面將變得明顯且更易於理解，在附圖中:
[0020]圖1是示出根據本發明實施方式的包括石墨烯溝道的隧穿場效應電晶體(TFET)的截面圖；
[0021]圖2A至圖2C是描述圖1的TFET的操作的能帶圖；以及
[0022]圖3是示出根據本發明實施方式的包括石墨烯溝道的TFET的I_V特性的曲線圖。
【具體實施方式】
[0023]現在將詳細參考實施方式，其實例在附圖中示出，其中相同的參考標記始終表示相同的元件。在這點上，本實施方式可具有不同的形式並且不應被理解為限於在此闡述的描述。因此，以下僅通過參考附圖描述實施方式來說明本說明書的多個方面。
[0024]圖1是示出根據本發明實施方式的包括石墨烯溝道的隧穿場效應電晶體(TFET)100的截面圖。
[0025]參考圖1，第一電極120設置在基板110上，第一絕緣層130形成在與第一電極相鄰的區域中。第一電極120包括主體部分122和延伸到第一絕緣層130的延伸部分124。延伸部分124的一端與第一絕緣層130相鄰地設置。延伸部分124可以比主體部分122薄。
[0026]半導體層140形成在延伸部分124上，石墨烯溝道150形成在半導體層140上。石墨烯溝道150延伸到第一絕緣層130上。在石墨烯溝道150上，第二電極160形成為面對第一絕緣層130。
[0027]柵絕緣層170形成在基板110上，該柵絕緣層170覆蓋一部分第一電極120和一部分石墨烯溝道150以及一部分第二電極160。柵電極180形成在柵絕緣層170上。柵電極180形成為與石墨烯溝道150相應。
[0028]第一絕緣層130可以由矽氧化物或矽氮化物形成。
[0029]基板110可以由玻璃、塑料、半導體等形成。
[0030]半導體層140可以由鎵銦鋅氧化物(GIZ0)、非晶S1、S1、HIZO、MoS2, CdSe, ZnO、A1P、InP、SrTiO3> Ge、GaAs, SiC、AlAs、GaN、CdTe、CuO、NiO、GaMnAs 等形成。半導體層 140
在與第一電極120或石墨烯溝道150的一個界面處形成第一能量勢壘，並且在與石墨烯溝道150或第一電極120的另一界面處不形成能量勢壘或者形成比第一能量勢壘低的第二能量勢壘。第二能量勢壘可以小於或等於0.3eV。
[0031]半導體層140可以形成為載流子可以隧穿通過的厚度，例如在大約Inm到大約30nm範圍內的厚度。
[0032]半導體層140用η型雜質或P型雜質中的任一種摻雜。如圖1所示，半導體層140被設置為面對柵電極180，其中石墨烯溝道150在半導體層140與柵電極180之間。因此，半導體層140的能帶會受柵電壓影響。
[0033]第一電極120可以由與半導體層140形成能量勢壘的材料形成。第一電極120可以由鉬(Pt)、鎳(Ni)、金(Au)鈀(Pd)、鈷(Co)、鈹(Be)、錸(Re)、釕(Ru)、鐵(Fe)、鎢(W)、銻(Sb)、鑰(Mo)、銀(Ag)、鉻(Cr)等形成。
[0034]石墨烯溝道150可以使用通過化學氣相沉積(CVD)製造的石墨烯形成。石墨烯溝道150可以由I至4層石墨烯組成。石墨烯溝道150是載流子移動通過的通道，石墨烯溝道150的帶隙可以是零或者小於或等於30meV。
[0035]第二電極160可以由一般金屬或多晶矽等形成。第二電極160可以由與第一電極120相同的金屬形成。
[0036]柵絕緣層170可以由矽氧化物或矽氮化物形成。
[0037]柵電極180可以由一般金屬或多晶矽形成。此外，柵電極180可以由透明導電材料，例如金屬氧化物諸如ITO形成。
[0038]由於發生載流子遷移的區域增加，其中半導體層140和石墨烯溝道150順序地形成在第一電極120的延伸部分124上的垂直結構具有載流子沿著其移動的增加的通道。因此，載流子的遷移率可以被改善，而且載流子的移動量也被提高。
[0039]第一絕緣層130被設計為防止載流子從第二電極160流到基板110，在基板110由絕緣材料形成時，可以從該結構省略第一絕緣層130。
[0040]包括石墨烯溝道150的TFET100可以是根據半導體層140的極性是η型電晶體或者是P型電晶體的單極性電晶體。也就是說，當半導體層140用η型雜質摻雜時，TFET100變成η型電晶體，當半導體層140用P型雜質摻雜時，TFET100變成ρ型電晶體。
[0041]圖2Α至圖2C是描述TFET100的操作的能帶圖。這裡，第一電極120由Pt形成，半導體層140由GIZO形成。半導體層140用η型雜質摻雜，因此，場效應電晶體是η型電晶體。氫(H)被用作η型雜質，但是空隙可以被用來代替氫。GIZO的厚度大約是20nm，Ga:1niZn的原子比是 0.391:0.176:0.433。
[0042]圖2A是施加電壓和柵電壓之前的能帶圖。在半導體層140的相反兩側，石墨烯溝道150和第一電極120的能帶結構被設置為分別與其功函數相應。在下文中，將描述包括用η型雜質摻雜的半導體層140的η型TFET100。場效應電晶體的多數載流子是電子。
[0043]在石墨烯溝道150和半導體層140之間沒有能量勢壘。代替地，具有1.0eV的高度(Hl)的能量勢壘(Eb)形成在石墨烯溝道150和第一電極120之間。第一電極120可以用作源電極。在圖中示出的Ef指的是石墨烯溝道150的費米能級。
[0044]圖2Β是當負電壓被施加到第一電極120時的能帶圖。在負電壓被施加到第一電極120時，第一電極120的費米能級如虛線所示出地相對增加。雖然能量勢壘(Eb)的高度(Hl)未改變，但是半導體層140的能帶的隧穿厚度減小。在此，電子沒有從第一電極120隧穿通過半導體層140的能帶。
[0045]圖2C是正柵電壓被施加到柵電極180時的能帶圖。由於正柵電壓的施加，石墨烯溝道150的費米能級增加。如圖2C中的虛線所示出的，半導體層140的能級與石墨烯溝道150相比相對較低。因此，半導體層140的能帶的隧穿厚度減少，因此電子通過從第一電極120隧穿通過半導體層140而移到石墨烯溝道150。[0046]在正電壓漸增地施加到柵電極180時，電子容易移動，因而，TFET100中的電流也增加。
[0047]圖3是示出包括石墨烯溝道的TFET的1-V特性的曲線圖。第一電極由Pt形成，半導體層由GIZO形成。半導體層用η型雜質摻雜，因此，場效應電晶體是η型電晶體。
[0048]參考圖3，_9V到9V範圍內的柵電壓被施加到電晶體。如圖3所示，當柵電壓增加時，漏電流(Id)增加。此外，如圖3所示，漏電流(Id)可以基於施加到第一電極120的電壓Vd (V)的大小而增加。
[0049]以上已經描述了 η型TFET100的操作，但是在P型TFET中，載流子可以是空穴並且施加負柵電壓以導通電晶體。此處將省略其詳細說明。
[0050]此外，當在石墨烯溝道和半導體層之間的界面處的能量勢壘大於在半導體層和第一電極之間的界面處的能量勢壘時，源漏電壓相反地施加並且載流子從第二電極移到第一電極。在此將省略其詳細說明。
[0051]如上所述，根據本發明的一個或多個實施方式，包括石墨烯溝道的TFET可以將亞閾值擺幅降至小於60mV/dec，因此具有低驅動電壓，因而，可以通過使用石墨烯的高遷移率而改善驅動速度。
[0052]應該理解，在此描述的示例性實施方式僅應該以說明性含義被理解，而不是用於限制目的。在每個實施方式內的特徵或方面的描述通常應被理解為可用於其它實施方式中的其它類似特徵或方面。
[0053]本申請要求於2012年10月9日在韓國知識產權局提交的韓國專利申請N0.10-2012-0112087的優先權，其公開通過引用整體結合在此。
【權利要求】
1.一種隧穿場效應電晶體，包括: 在基板上的第一電極； 在所述第一電極上的半導體層； 在所述半導體層上的石墨烯溝道，所述石墨烯溝道延伸到所述基板上的與所述第一電極間隔開的第一區域； 在所述石墨烯溝道上的第二電極，所述第二電極設置在所述第一區域上； 覆蓋所述石墨烯溝道的柵絕緣層；以及 在所述柵絕緣層上的柵電極， 其中所述第一電極的一部分和所述石墨烯溝道設置為彼此面對，所述半導體層設置在其間。
2.根據權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，還包括在所述第一區域上位於所述石墨烯溝道和所述基板之間的第一絕緣層。
3.根據權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其中所述第一電極包括主體部分和從所述主體部分朝向所述第一區域在所述半導體層下面延伸的延伸部分，所述第一電極的所述部分是延伸部分。
4.根據權利要求3所述的隧穿場效應電晶體，其中所述延伸部分的厚度比所述主體部分的厚度薄。
5.根據權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其中所述半導體層包括從由鎵銦鋅氧化物(GIZO)、a-S1、S1、HIZO、MoS2' CdSe, ZnO、A1P、InP、SrTiO3> Ge、GaAs, SiC、AlAs、GaN、CdTe、CuO、NiO和GaMnAs組成的組中選出的至少一種。
6.根據權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其中所述半導體層的厚度在大約Inm到大約30nm的範圍內。
7.根據權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其中所述第一電極包括從由Pt、N1、Au、Pd、Co、Be、Cu、Re、Ru、Fe、W、Sb、Mo、Ag和Cr組成的組中選出的至少一種。
8.根據權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其中所述電晶體是具有與所述半導體層的雜質的極性相同的極性的單極性電晶體。
9.根據權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其中根據施加到所述柵電極的柵電壓，在所述第一電極和所述石墨烯溝道之間的所述半導體層的能帶的隧穿厚度是可變的。
10.根據權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，所述石墨烯溝道由I至4層石墨烯組成。
11.根據權利要求1所述的隧穿場效應電晶體，其中第一能量勢壘形成在所述半導體層與所述第一電極之間的界面和所述半導體層與所述石墨烯溝道之間的界面兩者之一處。
12.根據權利要求11所述的隧穿場效應電晶體，其中在所述半導體層與所述第一電極之間的所述界面處和所述半導體層與所述石墨烯之間的所述界面兩者中的另一個處，形成比所述第一能量勢壘低的第二能量勢壘。
13.根據權利要求12所述的隧穿場效應電晶體，其中所述第二能量勢壘小於或等於 0.3eV0
【文檔編號】H01L29/10GK103715259SQ201310221610
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年6月5日 優先權日:2012年10月9日
【發明者】許鎮盛, 樸晟準, 卞卿溵, D.徐, 宋俔在, 李載昊, 鄭現鍾 申請人:三星電子株式會社