一种异质结碳纳米管场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种能够实现室温下亚阈值摆幅小于60毫伏/量级的异质结碳纳米管场效应晶体管及其制备方法。该器件采用半导体碳纳米管作为有源层，采用石墨烯层和半导体碳纳米管形成的异质结作为器件的源端，栅介质和栅电极同时调制碳纳米管沟道和石墨烯/碳纳米管结，从而利用石墨烯/碳纳米管结势垒被栅电压调制的特点，加速晶体管的关断。该晶体管可以通过源漏金属的选择来控制极性，即采用高功函数的金属作为源漏电极可以实现p型场效应晶体管，采用低功函数金属作为源漏电极可以实现n型场效应晶体管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于固体电子晶体管器件领域，具体涉及一种纳米异质结场效应晶体管及其制备方法。
技术介绍
金属‐氧化物‐半导体(metal‐oxide‐semiconductor,MOS)场效应晶体管(field‐effect‐transistor,FET)是构建现代集成电路的基础。场效应晶体管通过栅电压来实现开关，其关断速度由亚阈值摆幅来描述，亚阈值摆幅越小，意味着晶体管的关断速度越快。对于常规的MOSFET器件,其亚阈值摆幅为热激发载流子浓度所限制，在室温下的极限值为60毫伏/量级，而一般情况下，由于栅效率不足和存在寄生效应，亚阈值摆幅会大于60毫伏/量级。亚阈值摆幅60mV/Dec限制了场效应晶体管的阈值电压减小，从而限制了集成电路工作电压的缩减，直接制约集成电路的功耗进一步降低。未来集成电路降低功耗的关键是采用更高迁移率材料，并且采用新结构的场效应晶体管，突破关断时热激发载流子的限制，才能突破60mV/Dec的极限，实现更低的工作电压，从而进一步降低功耗。目前在实现低阈值摆幅方面的研究主要集中在隧穿晶体管(TunnelingFET)，在沟道中形成重掺杂np结，载流子通过带间隧穿才能实现从源极到漏极的输运，而栅极通过控制带间隧穿区的厚度来控制隧穿电流，从而实现晶体管的开关转换。这样器件关断时，就可以突破热激发的物理限制，实现室温下亚阈值摆幅小于60毫伏/量级。但是，在器件的开态，载流子的输运依然要经过带间隧穿，这大大影响了隧穿晶体管的开态电流，由于开态驱动电流不足而使得隧穿晶体管的速度不能满足正常的集成电路工作需要。采用隧穿晶体管来实现低亚阈值摆幅的器件目前尚无实用价值，因此需要一种新结构的晶体管，能够在实现室温下亚阈值摆幅小于60毫伏/量级的同时，保证器件的开态电流足够大，作为构建未来的超低工作电压集成电路的基本元件。
技术实现思路
本专利技术提供了一种可以实现室温下亚阈值摆幅小于60毫伏/量级的异质结碳纳米管场效应晶体管及其制备方法。所诉晶体管采用半导体性碳纳米管作为导电通道，采用石墨烯作为接触，栅电极不仅可以控制导电沟道，而且可以调控作为接触的石墨烯部分。由于石墨烯的载流子浓度和费米能级能被栅电场调控，所以石墨烯和碳纳米管所形成的肖特基结的势垒高度能被栅调制，这一独特机理能使得石墨烯‐碳纳米管异质结场效应晶体管在关断时，可以突破传统热激发的物理限制，实现室温下亚阈值摆幅小于60毫伏/量级,同时避免目前隧穿晶体管的开态电流过小的弊病，保证晶体管的驱动能力和速度。所述石墨烯‐碳纳米管异质结场效应晶体管的结构如图1所示，包括衬底(101)、半导体碳纳米管沟道(102)、石墨烯接触(103)、栅介质层(104)、源电极和漏电极(105)和栅电极(106)。所诉的半导体碳纳米管沟道是半导体型单根碳纳米管、多根平行的碳纳米管或者随机取向的碳纳米管薄膜；所述的石墨烯与碳纳米管沟道的接触构成器件源端接触，该接触被栅介质和栅电极覆盖，这是晶体管实现室温下亚阈值摆幅小于60毫伏/量级的核心部分；所述的栅结构由栅介质和栅电极组成，其中栅电极位于栅介质之上，栅结构应覆盖石墨烯和碳纳米管接触的交叠边界；所述的源电极和漏电极分别位于栅结构的两侧，源电极在石墨烯源接触之外的石墨烯上，漏电极形成在漏端的半导体碳纳米管之上。所述的异质结碳纳米管场效应晶体管，其核心的特征在于器件的源端部份由石墨烯与碳纳米管的异质结接触构成，且所述的异质结源端接触被器件的栅结构覆盖，由于石墨烯的载流子浓度和费米能级能被栅电场调控，所以栅电压能调控晶体管源端石墨烯‐半导体碳纳米管异质结形成的肖特基结的势垒高度，从而使得晶体管在室温下的亚阈值摆幅小于传统极限60mV/dec。所述晶体管源端接触的石墨烯必须是载流子浓度能够被栅电极所调控的薄层石墨烯，层数1-5层，优选的为1-3层，晶体管的源端接触材料也可以是其他二维半导体材料，包括如二硫化钼、二硫化钨、黑磷等等。源端接触区石墨烯可以在碳纳米管沟道上方，如图1A所示，也可以在碳纳米管沟道下方，如图1B所示。所述异质结碳纳米管场效应晶体管的栅介质层的核心在于等效氧化厚度小于2纳米，其中等效氧化层厚度(equivalentoxidethickness,EOT)的定义为:EOT＝tox*εSiO2/εox其中，tox和εox分别是栅介质层的物理厚度和相对介电常数，εSiO2＝3.9是氧化硅的相对介电常数。栅介质材料可以是任意绝缘介质材料，如氧化钇，氧化铪，氧化锆，氧化钽，氧化镧，氧化镧铝，氮化硅，氧化硅，环氧树脂或聚甲基丙烯酸甲酯。所述晶体管的源电极和漏电极的材料是金属薄膜，包括钯、铑、铂、钛、铜、铝、金、钨、钪、钇等等，或者它们的合金材料，以及多层膜材料。晶体管的极性由源漏电极材料决定。如果采用功函数大于4.5电子伏特的金属作为源漏电极，比如钯、铑、铂、铜、金等，晶体管呈现p型(空穴型)特性，如果采用功函数小于4.5电子伏特的金属作为源漏电极，比如钪、钇、铝、钨等，晶体管呈现n型(电子型)。所述晶体管的栅电极材料课题采用任何金属，导电金属硅化物，掺杂多晶硅，以及上述导电材料的叠层结构，或者厚度范围为20～100nm的高密度碳纳米管导电膜。所述衬底材料可以是任何平整的绝缘基底，包括氧化硅，石英，玻璃，氧化铝，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚酰亚胺。上述的异质结碳纳米管场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：1)在绝缘衬底上通过气相化学沉积生长或者转移制备碳纳米管薄膜，用光刻和刻蚀工艺将碳纳米管薄膜图形化成有源区；2)将石墨烯转移到绝缘衬底上，用光刻和刻蚀工艺将石墨烯图形化，保证石墨烯与碳纳米管薄膜有源区具有一定交叠，形成晶体管的源端；3)沉积源漏电极金属层，用光刻和刻蚀或者剥离工艺将源漏电极金属层图形化。4)在石墨烯-碳纳米管薄膜异质沟道上沉积高k栅介质层，用光刻和刻蚀工艺将该栅介质层图形化；5)沉积栅电极金属层，用光刻和刻蚀工艺将该栅电极金属层图形化。所述异质结碳纳米管场效应晶体管的工作原理如图2和3所示。如果采用低功函数的金属作为源漏电极，晶体管为n型场效应晶体管，其工作原理如图2所示。在栅压为零的情况下，石墨烯和碳纳米管之间形成的势垒高度由两者的功函数差决定，由于势垒的存在，载流子无法从源到漏，晶体管处于关断状态。在晶体管的开态(即栅电极施加一个较大的正电压)时，栅电极下面的碳纳米管的费米能级靠近导带，碳纳米管石墨烯接触的势垒也被栅电压调节的非常低，因此，电子很容易从晶体管的源电极，通过石墨烯流入碳纳米管沟道，最后到达漏电极，晶体管处于开启状态。当栅压减小时，不仅碳纳米管的费米能级下降导致有源区的势垒升高，使得器件开始关断，而与此同时，栅电压减小引起的石墨烯费米能级的变化也使得其与碳纳米管接触的势垒变大，从而加快了晶体管的关断速度，从而使得器件的亚阈值摆幅突破了室温60毫伏/量级的限制。如果采用高功函数的金属作为源漏电极，晶体管为p型场效应晶体管，其工作原理如图3所示。在栅压为零的情况下，石墨烯和碳纳米管之间形成的势垒高度由两者的功函数差决定，由于势垒的存在，空穴无法从源到漏，晶体管处于关断状态。在晶体管的开态(即栅电极施加一个较大的负电压)时，栅电极下面的碳纳米管的费本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够实现室温下亚阈值摆幅小于60毫伏/量级的异质结碳纳米管场效应晶体管，包括：衬底、石墨烯、碳纳米管、栅结构、源电极和漏电极；所述的石墨烯与碳纳米管沟道的接触构成器件源端接触，该接触被栅介质和栅电极覆盖；所述的栅结构由栅介质和栅电极组成，其中栅电极位于栅介质之上，栅结构应覆盖石墨烯和碳纳米管接触的交叠边界；所述的源电极和漏电极分别位于栅结构的两侧，源电极在石墨烯源接触之外的石墨烯上，漏电极形成在漏端的半导体碳纳米管之上。

【技术特征摘要】
1.一种能够实现室温下亚阈值摆幅小于60毫伏/量级的异质结碳纳米管场效应晶体管，包括：衬底、石墨烯、碳纳米管、栅结构、源电极和漏电极；所述的石墨烯与碳纳米管沟道的接触构成器件源端接触，该接触被栅介质和栅电极覆盖；所述的栅结构由栅介质和栅电极组成，其中栅电极位于栅介质之上，栅结构应覆盖石墨烯和碳纳米管接触的交叠边界；所述的源电极和漏电极分别位于栅结构的两侧，源电极在石墨烯源接触之外的石墨烯上，漏电极形成在漏端的半导体碳纳米管之上。2.如权利要求1所述的异质结碳纳米管场效应晶体管，源端接触区石墨烯可以在碳纳米管沟道上方，也可以在碳纳米管沟道下方。3.如权利要求1所述的异质结碳纳米管场效应晶体管，源端接触的石墨烯必须是载流子浓度能够被栅电极所调控的薄层石墨烯，层数1-5层，优选的为1-3层。所述晶体管的源端接触材料也可以是其他二维半导体材料，包括如二硫化钼、二硫化钨、黑磷等等。4.如权利要求1所述的异质结碳纳米管场效应晶体管，所述异质结碳纳米管场效应晶体管的栅介质层的核心在于等效氧化厚度小于2纳米。栅介质材料可以是任意绝缘介质材料，如氧化钇，氧化铪，氧化锆，氧化钽，氧化镧，氧化镧铝，氮化硅，氧化硅，环氧树脂或聚甲基丙烯酸甲酯。5.如权利要求1所述的异质结碳纳米管p型场效应晶体管，其源电极和漏电极的材料是功函数大于4.5电子伏特金属薄膜，包括钯、铑、铂、铜、金等，或者它们的合金材料，以及多层膜材料。6.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱晨光，徐琳，张志勇，彭练矛，
申请(专利权)人：北京华碳元芯电子科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11