一种高迁移率晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高迁移率晶体管及其制备方法，属于功能性电子器件领域。该发明专利技术利用高迁移率的双层或三层石墨烯薄膜作为电子输运沟道，其导电特性受到应力和掺杂特性调制，当在栅端加电压调节沟道中的电流，从而实现了HEMT器件的功能。且由于双层或三层石墨烯薄膜导电性随掺杂而改变，因此在同一块GaN上能够同时制作N型HEMT和P型HEMT，N型HEMT和P型HEMT构成数字逻辑电路的反相器,实现射频和微波频段的数字逻辑运算的功能。

High mobility transistor and method for making same

The invention discloses a high mobility transistor and a preparation method thereof, belonging to the functional electronic device field. This invention utilizes two or three layers of graphene films with high mobility as electron transport channel, its conductive properties are subjected to stress and doping characteristics of modulation, when voltage applied to the gate terminal current in the channel, so as to realize the function of HEMT devices. And because the conductivity of two or three layers of graphene films changed with doping, therefore in the same piece of GaN can also produce N type HEMT and P type HEMT, N type HEMT and P type HEMT inverter digital logic circuits, digital logic RF and microwave frequency function.

【技术实现步骤摘要】
一种高迁移率晶体管及其制备方法
本专利技术属于功能性电子器件领域，具体是高电子迁移率的双层石墨烯结构作为电子输运沟道和由此结构衍生的高迁移率晶体管(HEMT)。
技术介绍
高电子迁移率晶体管(HEMT)是一利用具有很高迁移率的二维电子气来工作的场效应晶体管，这种器件及其集成电路能够很好的应用于超高频(毫米波)、超高速领域。在常规的HEMT器件中，由于异质结接触有较大的导带不连续差值，界面处的窄禁带半导体一侧形成三角量子阱，宽禁带半导体侧会形成势垒，限制三角量子阱中的自由电子在垂直异质结接触面方向的移动，故称此量子阱为二维电子气(2DimensionalElectronGas)。2-DEG是HEMT中电子输运的沟道.由于沟道所在的半导体通常是不掺杂的，沟道中的自由移动电子远离掺杂的半导体中电离杂质的散射，载流子能获得很高的电子迁移率。当今的HEMT器件通常有GaAs基、GaN基、InP基三大系化合物半导体构建，已经在射频和微波领域发挥重大作用。由于石墨烯在狄拉克点下零禁带半导体，电子迁移率非常高。在双层石墨烯结构，对称性受到破坏，在狄拉克点处，零禁带分裂出导带与价带。在氧化物半导体-石墨烯-宽禁带半导体构建的三明治结构的应力作用下，导带与价带分离更大的趋势。应力可以改变石墨烯的电子特性并产生带隙。高迁移率的石墨烯作为电子或空穴的输运沟道，由此构建三明治结构的HEMT器件。根据三明治结构的材料生长的耐温梯度,筛选不同的宽禁带半导体材料和金属氧化物半导体材料，构建HEMT器件的材料组合。GaN系宽禁带半导体，耐高温，耐化学腐蚀的新一代的宽禁带半导体，已经实现了蓝色和绿色发光二极管和蓝色半导体激光器以及HEMT。AlGaN/GaNHEMT已开始应用到微波领域。但在数字电路领域还缺乏成熟类似CMOS的互补器件构建的反相器。而二维结构石墨烯的能够与GaN基HEMT工艺兼容，结合石墨烯拥有高迁移率优良的电学性能和GaN系宽禁带半导体特性，制作HEMT.拓展HEMT器件在数字领域的射频和微波波段的集成电路应用。活跃的金属原子,易被氧化成氧化物宽禁带半导体.氧化锌(ZnO)是一种具有广泛用途的新型II-VI族多功能半导体材料，它的室温禁带宽度为3.37eV,具有良好电学和光学特性，是制备半导体发光器和半导体激光器的材料。常规条件下制备出的ZnO都是纤锌矿结构，呈六角对称性，此配位结构是典型的sp3轨道杂化的特征，ZnO半导体材料的极性介于离子性和共价性半导体之间，因非中心对称性，而具有压电和热电特性。ZnO可以作为栅电极的肖特基电极接触层。In2O3氧化物半导体已经在薄膜晶体管上获得应用。石墨烯是迄今为止最薄的二维电子气薄膜材料，它发现于2004年并于2010年获得诺贝尔物理学奖。石墨烯是一种由单层碳原子组成的平面二维结构,与石墨类似,碳原子4个价电子中的3个以sp2杂化的形式与最近邻三个碳原子形成平面正六边形连接的蜂巢结构,另一个垂直于碳原子平面的σz轨道电子在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键.这种二元化的电子价键结构决定了石墨烯独特而丰富的性能:sp2键有高的强度和稳定性,理论上，石墨烯中所有sp2杂化的碳原子均饱和成键，结构稳定，其所能承载的电流密度高、抗电击穿能力强；这使其组成的平面六角晶格有极高的强度和热导；另一方面,晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性,表现出良好的导电性、极高的电子迁移率(2.5×105cm2V－1·s－1)约为硅中电子迁移率的140倍。宽频的光吸收和非线性光学性质,以及室温下的量子霍尔效应等。但本征石墨烯零带隙的特点也给其在电子器件领域的应用带来了困难,如漏电流大、开关比低等；通过掺杂获得p型和n型石墨烯，使其可应用于电子器件.利用石墨烯制作场效应晶体管，可使沟道厚度降低至单原子尺度，其沟道长度也可以缩短至纳米尺寸，且不存在类似于硅基器件中的短沟效应，石墨烯在高速电子器件领域将具有巨大的应用潜力。
技术实现思路
本专利目的在于提出一种基于石墨烯的高迁移率晶体管及其制备方法。本专利技术提供的高迁移率晶体管，如图1所示，包括宽禁带半导体或耐高温的晶体基体，在上述晶体基体上设有双层或三层石墨烯作为沟道，在沟道上淀积金属锌或铟并氧化形成氧化锌或氧化铟半导体薄膜，在上述氧化锌或氧化铟半导体薄膜上制备肖特基电极，在双层或三层石墨烯层上制作欧姆电极。宽禁带半导体具有耐高温的特点，有利于CVD法在基体材料上外延生长优质的石墨烯薄层，因此可以选择GaN,AlN,Si作为衬底材料。石墨烯能带随应力和掺杂调制效应。由于石墨烯的晶格常数纤锌矿结构ZnO晶格常数GaN,晶格常数在ZnO/石墨烯/GaN三明治结构中，三明治结构中拉伸石墨烯晶格，由于规范场的形成从而改变了局域的电子结构，这导致电子如同穿越一个磁场，使得电子处于不同的朗道能级，在某些特定情形下可以形成带隙。双层或三层石墨烯因为对称性破缺而导致狄拉克点出的零禁带的分裂带隙，张应力导致导带和价带分裂。双层或三层石墨烯因吸附活跃的金属原子而呈现P型，在宽禁带GaN和ZnO半导体界面处双层或三层石墨烯因张应力作用能带劈裂成导带和价带。金属原子对石墨烯具有掺杂效应，而石墨烯又耐一定的高温，因此活泼的金属原子易在氧气氛围中形成金属氧化物半导体，综合上述，充分利用石墨烯的高迁移率的特性,构建氧化物半导体-石墨烯-宽禁带半导体三明治材料结构，石墨烯作为电子输运的沟道，由此制作HEMT器件。通过对石墨烯层的掺杂活泼的II、III族金属原子或V族原子实现P型沟道和N型沟道。为GaN基HEMT数字电路MMIC奠定基础。本专利技术高迁移率晶体管的制备方法，其步骤包括：1)利用MOCVD在蓝宝石或者碳化硅或者Si(111)衬底外延生长宽禁带半导体或耐高温的晶体基体；2)制备双层或三层石墨烯薄膜，并将上述石墨烯薄膜转移到宽禁带半导体或耐高温的晶体基体上；3)淀积一层金属锌或铟薄层，在纯氧氛围中低温氧化获得氧化锌或氧化铟半导体薄膜；4)在上述双层或三层石墨烯上制作欧姆电极，以及上述氧化锌或氧化铟半导体薄膜上制作肖特基电极。本专利技术利用高迁移率的双层或三层石墨烯薄膜作为电子输运沟道，其导电特性受到应力和掺杂特性调制。掺Zn实现石墨烯P型化和应力导致石墨烯N型化。因此在同一块GaN上能够同时制作N型HEMT和P型HEMT。N型HEMT和P型HEMT构成数字逻辑电路的反相器。实现射频和微波频段的数字逻辑运算的功能。制作单指或者双指以及多指的HEMT器件，漏端电子通过双层或三层石墨烯薄膜输运到源端，其电流大小受到指栅端调制。石墨烯与金属易形成欧姆接触接触，而难形成肖特基接触。因此利用ZnO层中Zn对石墨烯掺杂效应，将双层或三层石墨烯薄膜进行p型掺杂，以及利用ZnO薄膜上易制备肖特基接触得特性。在石墨烯的三明治结构中，石墨烯作为电子输运沟道，当在栅端加电压调节沟道中的电流，从而实现了HEMT器件的功能。栅压调控石墨烯沟道的电子沟道电子浓度和空间电荷场区宽度，对石墨烯沟道层进行n型或p型掺杂。参考图2，在宽禁带半导体外延层上转移或者外延生长双层或三层石墨烯薄膜后，在石墨烯层上淀积金属原子，然后在氧气氛围中低温氧化金属，获得致密优良的氧化物半导体薄层。与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高迁移率晶体管，其特征在于，包括宽禁带半导体或耐高温的晶体基体，在上述晶体基体上设有双层或三层石墨烯作为沟道，在沟道上淀积金属锌或铟并氧化形成氧化锌或氧化铟半导体薄膜，在上述氧化锌或氧化铟半导体薄膜上制备肖特基电极，在双层或三层石墨烯层上制作欧姆电极。

【技术特征摘要】
1.一种高迁移率晶体管，其特征在于，包括宽禁带半导体或耐高温的晶体基体，在上述晶体基体上设有双层或三层石墨烯作为沟道，在沟道上淀积金属锌或铟并氧化形成氧化锌或氧化铟半导体薄膜，在上述氧化锌或氧化铟半导体薄膜上制备肖特基电极，在双层或三层石墨烯层上制作欧姆电极。2.如权利要求1所述的高迁移率晶体管，其特征在于，所述宽禁带半导体为GaN、AlN或Si。3.如权利要求1所述的高迁移率晶体管，其特征在于，所述氧化锌或氧化铟半导体薄膜为4至10nm。4.如权利要求1所述的高迁移率晶体管，其特征在于，所述欧姆电极为Ti/Al/Ni/Au金属。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：周劲，傅云义，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11