一種調控石墨烯場效應電晶體磁滯行為的方法
2023-05-01 10:15:31
一種調控石墨烯場效應電晶體磁滯行為的方法
【專利摘要】本發明公開一種納電子器件領域中的調控石墨烯場效應電晶體磁滯行為的方法，在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加掃描電壓-12V~12V，測試出漏源電流 I sd和柵壓 V g，繪製出 I sd- V g磁滯轉移特性曲線，獲得離子輻照停留時間為1μs時的對應的電壓偏移量；再用聚焦離子束系統下的Ga離子對石墨烯溝道進行輻照1μs；得到對應的電壓偏移量，繼續增大離子輻照停留時間，直到100μs，得到一組電壓偏移量；以離子輻照停留時間為橫坐標，以一組電壓偏移量為縱坐標，繪製出停留時間與磁滯行為的關係曲線；根據關係曲線，通過調控離子輻照停留時間的長短以調控磁滯行為的強弱。
【專利說明】-種調控石墨婦場效應電晶體磁滯行為的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於納電子器件【技術領域】，涉及一種調控石墨帰場效應電晶體磁滯行為的 方法。
【背景技術】
[0002] 石墨帰是碳原子W sp2軌道雜化組成六角形蜂巢狀晶格的平面薄膜，擁有獨特的 機械和電學性能。其高電子遷移率、室溫下的量子霍爾效應、彈道運輸、自旋極化的運輸等 特性，在未來微電子領域具有巨大的應用潛力，很有可能代替娃作為下一代電晶體的理想 材料。然而，由於石墨帰作為二維材料擁有超大的比表面積，較易吸附周邊環境中的雜質， 因此其電學特性對周邊環境表現的很敏感；而且石墨帰與娃基表面的陷阱效應的存在，石 墨帰溝道中的載流子較易被界面陷阱捕獲或釋放，因此在循環變化的柵壓偏置下，石墨帰 溝道中的載流子由於得到陷阱中電荷的注入，或者被陷阱捕獲，呈現出不穩定特性。在轉移 特性曲線中，漏源電流(/^)隨柵壓（Kg)方向的變化表現為不重合，狄拉克點也表現出巨大 偏移，該都將引起器件的不穩定性，大大限制了石墨帰場效應電晶體的應用。
[0003] 石墨帰場效應電晶體具有高載流子遷移率、高截止頻率、高開關比等諸多優點，使 其在未來超大規模集成電路中有廣泛應用前景。然而由於石墨帰超大的比表面積及其陷阱 效應的存在，大大加劇了石墨帰場效應電晶體的磁滯現象，即轉移特性曲線隨時間的推移 呈現出不穩定的特性。引起石墨帰場效應電晶體磁滯現象的主要因素有石墨帰表面吸附的 雜質和內部引入的晶格缺陷。目前，石墨帰表面的雜質吸附可W通過洗塗、退火、真空處理、 Si化表面疏水性處理等手段來控制。對石墨帰內部引入缺陷的常用方法有雷射加熱、等離 子體轟擊、雜質沉積等。目前已有的技術表明對石墨帰進行雷射加熱或高電壓偏置擊穿可 對石墨帰場效應電晶體磁滯效應產生影響。現有的石墨帰場效應電晶體的不穩定性和磁滯 效應影響都是不可控的，至今未見有能調控石墨帰場效應電晶體磁滯行為的技術報導。
[0004] 聚焦離子束（FIB)技術是將離子束聚焦到微、納尺度，對材料實現微細加工。FIB 具有很多獨特的優點，如液態金屬離子源可W在離子槍加速下形成離子束，離子束照射到 樣品表面時可W實現樣品表面原子剝離，完成微、納米級表面形貌的調控加工，而且在加工 過程中具有汙染少、加工應力及熱變形小、加工質量高等特點，FIB技術已逐漸成為半導體 工業中強有力的工具。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為克服現有石墨帰場效應電晶體的磁滯效應影響不可控的技術 缺陷，提供一種調控石墨帰場效應電晶體磁滯行為的方法，利用FIB系統中的金屬源Ga(嫁） 離子對石墨帰進行福照，引入可控的缺陷進而來調控磁滯現象。
[0006] 本發明採用的技術方案是；在n型Si襯底的表面熱生長Si〇2介質層，轉移單層 的石墨帰到Si〇2介質層上構成石墨帰溝道，姍射源極電極和漏極電極，製備出石墨帰場效 應電晶體；用半自動探針臺在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底 和源極電極之間施加掃描電壓-12ri2V，測試出未處理的石墨帰場效應電晶體的漏源電 流和柵壓繪製出磁滯轉移特性曲線，獲得對應的電壓偏移量；用聚焦離子束 系統下的Ga離子對石墨帰溝道進行福照，福照停留時間為1US。之後用半自動探針臺在 源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加掃描電 壓-12V^12V，得到離子福照停留時間為1 y S時的石墨帰場效應電晶體的磁滯轉移 特性曲線，獲得對應的電壓偏移量；再用聚焦離子束系統下的Ga離子對石墨帰溝道再次福 照，福照停留時間為10 y S，之後用半自動探針臺在源極電極和漏極電極之間施加500mV 的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加掃描電壓-12ri2V，得到離子福照停留時間為 10 y S時的石墨帰場效應電晶體的磁滯轉移特性曲線，獲得對應的電壓偏移量；繼續 增大離子福照停留時間，直到lOOys，得到一組電壓偏移量；W離子福照停留時間為橫坐 標，W-組電壓偏移量為縱坐標，繪製出停留時間與磁滯行為的關係曲線；根據停留時間與 磁滯行為的關係曲線，通過調控離子福照停留時間的長短W調控磁滯行為的強弱。
[0007] 本發明利用FIB系統下Ga離子福照對石墨帰進行缺陷引入，使石墨帰內部形成了 許多石墨帰納米晶，通過改變離子福照的時間參數來改變離子福照的劑量，從而來改變石 墨帰納米晶的數量，而石墨帰納米晶間的載流子隧穿傳輸行為調製著界面陷阱中電荷的密 度，從而調製著磁滯現象。磁滯現象通過狄拉克電壓的偏移量（來量化。因此通過 調控離子福照的時間即可來實現磁滯行為的可控性調製。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 圖1是聚焦離子束（FIB)系統下Ga離子福照石墨帰的結構示意圖； 圖2是未處理的石墨帰場效應電晶體的轉移特性曲線圖； 圖3是在離子福照停留時間為1 y S時的石墨帰場效應電晶體的轉移特性曲圖； 圖4是在離子福照停留時間為10 y S時的石墨帰場效應電晶體的轉移特性曲圖； 圖5是狄拉克電壓偏移量與離子福照停留時間的關係曲線圖。
[000引圖中；1-n型Si襯底；2-Si化介質層；3-源極電極；4一漏極電極；5-石墨帰溝 道；6-聚焦離子束系統。
【具體實施方式】
[0010] 參見圖1，在電阻率為廣10 Q cm的n型Si襯底1的表面熱生長300皿厚度的 Si化介質層2,轉移單層的石墨帰到Si化介質層2上構成石墨帰溝道5,姍射源極電極3和 漏極電極4，製備出石墨帰場效應電晶體。
[0011] 用Cascade半自動探針臺，在源極電極3和漏極電極4之間施加500mV的電壓，在 n型Si襯底1和源極電極3之間施加掃描電壓-12ri2V，測試出未處理的石墨帰場效應晶 體管的漏源電流和柵壓Kg,繪製出磁滯轉移特性曲線，如圖2所示，曲線A為柵壓 由-12V^12V掃描的轉移曲線，曲線B為柵壓由12r-12V掃描的轉移曲線，兩曲線的最低點 對應的電壓偏移量(即狄拉克電壓的偏移量）= 〇心V，表明製備出的石墨帰場效應晶 體管大多都存在磁滯現象。
[0012] 參見圖1，用聚焦離子束系統6 (儀器型號：陽I Company Quanta 3D)下的Ga離子 對石墨帰溝道5進行福照，將停留時間（Dewell time)設置為lys。之後用同樣的方法得 到電壓偏移量，即之後用化scade半自動探針臺在源極電極3和漏極電極4之間施加500mV 的電壓，在n型Si襯底1和源極電極3之間施加掃描電壓-12ri2V，測試離子福照停留時 間為1 y S時的石墨帰場效應電晶體的磁滯轉移特性曲線，如圖3所示，曲線C為柵 壓由-12V^12V掃描的轉移曲線，曲線D為柵壓由12r-12V掃描的轉移曲線，兩曲線的最低 點對應的電壓偏移量（即狄拉克電壓的偏移量）= U V，接著每次把離子福照停留時 間增加1 y S，從1 y S直至9 y S，得到一系列轉移曲線，通過測得的電壓偏移量發現離子福 照時間很短時，從1 y S逐漸增大到9 y S，小於10 y S時，磁滯行為有一個增強的趨勢。
[0013] 再用聚焦離子束系統6下的Ga離子對石墨帰溝道5再次福照，將停留時間設置 為10 US。之後用Cascade半自動探針臺在源極電極3和漏極電極4之間施加500mV的 電壓，在n型Si襯底1和源極電極3之間施加掃描電壓-12V^12V，測試離子福照停留時間 為10 y S時的石墨帰場效應電晶體的磁滯轉移特性曲線，如圖4所示，曲線E為柵壓 由-12V^12V掃描的轉移曲線，曲線F為柵壓由12r-12V掃描的轉移曲線，兩曲線的最低點 對應的電壓偏移量(即狄拉克電壓的偏移量）= V。繼續增大離子福照停留時間， 每次把離子福照停留時間增加幾個y S或lOy S，直到lOOy S，得到一組狄拉克電壓偏移量 的數值，表明離子福照劑量過大又會導致磁滯行為減弱，然後逐漸趨於穩定。W離子福照停 留時間為橫坐標，W電壓偏移量為縱坐標，得到停留時間與磁滯行為的關係曲線，如圖5所 示。因此，根據停留時間與磁滯行為的關係曲線，通過調控離子福照停留時間的長短，即可 調控磁滯行為的強弱。當離子福照停留時間從10 y S逐漸增大到100 y S時，磁滯行為在逐 漸減弱。
[0014] Ga離子福照時，相關聚焦離子束系統的參數設定如下；加速能量（Accelerate energy)為30 keV，離子束流（Ion current)為15 pA，改變的時間參數為停留時間（Dewell time),通過改變停留時間來改變離子福照劑量。通過改變離子福照的停留時間參數，測試 福照後器件的轉移特性曲線，實現磁滯行為的可控性調製。
【權利要求】
1. 一種調控石墨帰場效應電晶體磁滯行為的方法，在n型Si襯底的表面熱生長Si化 介質層，轉移單層的石墨帰到Si化介質層上構成石墨帰溝道，姍射源極電極和漏極電極，制 備出石墨帰場效應電晶體，其特徵是包括W下步驟： (1) 用半自動探針臺在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底 和源極電極之間施加掃描電壓-12ri2V，測試出未處理的石墨帰場效應電晶體的漏源電流 和柵壓Kg,繪製出磁滯轉移特性曲線，獲得對應的電壓偏移量； (2) 用聚焦離子束系統下的Ga離子對石墨帰溝道進行福照，福照停留時間為1 y S ; 之後用半自動探針臺在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極 電極之間施加掃描電壓-12ri2V，得到離子福照停留時間為1 y S時的石墨帰場效應晶體 管的磁滯轉移特性曲線，獲得對應的電壓偏移量； (3) 用聚焦離子束系統下的Ga離子對石墨帰溝道再次福照，福照停留時間為10 y S， 之後用半自動探針臺在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極 電極之間施加掃描電壓-12ri2V，得到離子福照停留時間為10 y S時的石墨帰場效應晶體 管的磁滯轉移特性曲線，獲得對應的電壓偏移量； (4) 繼續增大離子福照停留時間，直到lOOy S，得到一組電壓偏移量； (5) W離子福照停留時間為橫坐標，W-組電壓偏移量為縱坐標，繪製出停留時間與磁 滯行為的關係曲線， (6) 根據停留時間與磁滯行為的關係曲線，通過調控離子福照停留時間的長短W調控 磁滯行為的強弱。
2. 根據權利要求所述一種調控石墨帰場效應電晶體磁滯行為的方法，其特徵是；步驟 (2)結束後，每次把離子福照停留時間增加川S，直至9 y S，得到不同福照停留時間的電壓 偏移量。
3. 根據權利要求所述一種調控石墨帰場效應電晶體磁滯行為的方法，其特徵是；聚焦 離子束系統的加速能量為30 keV，離子束流為15 pA。
4. 根據權利要求所述一種調控石墨帰場效應電晶體磁滯行為的方法，其特徵是；離子 福照停留時間小於10 y S時，磁滯行為有增強的趨勢，離子福照停留時間從10 y S逐漸增大 到100 y S時，磁滯行為在逐漸減弱。
5. 根據權利要求所述一種調控石墨帰場效應電晶體磁滯行為的方法，其特徵是；n型 Si襯底的電阻率為廣10 Q cm, Si〇2介質層的厚度是300皿。
【文檔編號】H01L21/04GK104465340SQ201410657178
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】王權, 白冰, 徐琳, 劉帥, 鄭蓓蓉, 薛偉 申請人:江蘇大學