一种顶栅石墨烯场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种顶栅石墨烯场效应晶体管及其制备方法，包括衬底、氧化硅层、石墨烯沟道层、源极、漏极、栅极，衬底上依次外延生长有氧化硅层、石墨烯沟道层，石墨烯沟道层的两端上设有源极、漏极，源极、漏极之间的石墨烯沟道层上设有一层SiO薄膜，SiO薄膜上设有栅极。本发明专利技术中选用绝缘性能良好、介电常数高、蒸发温度低的SiO薄膜作为蒸发材料，SiO薄膜同时作为牺牲层和栅介质层，SiO薄膜作为牺牲层避免了石墨烯沟道层与光刻胶的接触，避免了光刻胶引起的器件性能降低；SiO薄膜作为栅介质层，制备方法简单，对石墨烯沟道层的损伤小，引入的缺陷少，对提高器件性能非常有利。

Top gate graphene field effect transistor and preparation method thereof

The present invention relates to a top gate graphene field effect transistor and a preparation method thereof, comprising a substrate, a silicon oxide layer, the graphene channel layer, a source electrode, a drain electrode, a gate sequence on the substrate epitaxial growth of silicon oxide layer, the graphene channel layer, both ends of the graphene channel layer is arranged on the source electrode and the drain electrode, the source electrode and the drain is provided with a layer of SiO thin film graphene channel layer between the SiO film is arranged on the gate. The invention of the insulated SiO thin film with good performance, high dielectric constant, low evaporation temperature as the evaporation material, SiO thin film as a sacrificial layer and the gate dielectric layer, SiO thin film as a sacrificial layer to avoid the graphene channel layer and photoresist contact, avoids reducing device performance caused by the photoresist film; SiO as the gate dielectric layer, the preparation method is simple, the graphene channel layer damage, the less defects, is favorable for improving the performance of the device.

【技术实现步骤摘要】
一种顶栅石墨烯场效应晶体管及其制备方法
本专利技术涉及一种顶栅石墨烯场效应晶体管及其制备方法，尤其涉及一种采用一氧化硅作为牺牲层和栅介质层制备顶栅结构石墨烯场效应晶体管及其制备方法，属于半导体器件制造领域。
技术介绍
石墨烯作为一种新型的二维材料，自2004年第一次被发现后便引起了各领域科研工作者的广泛关注。这种只由一层碳原子构成的二维平面晶体具有很多优良的性质，比如：极高的载流子迁移率和饱和漂移速度、亚微米级的弹道输运、优良的机械性能和热导率，以及良好的光学性能等。随着硅基集成电路的尺寸逐步逼近摩尔定律的极限，石墨烯有望取代硅成为下一代集成电路材料。而且由于极高的载流子迁移率，石墨烯很适合应用于射频器件。石墨烯场效应晶体管(GFET)是实现基于石墨烯的射频器件、传感器和集成电路的基本器件结构。栅介质层是顶栅石墨烯场效应晶体管(GFET)的重要组成部分，如何低损伤地在石墨烯上覆盖一层均匀的介质层一直是努力追求的目标。常用的沉积薄膜的技术如溅射、电子束蒸发、原子层沉积等，用于沉积石墨烯场效应晶体管(GFET)的介质层各有各的缺点。溅射是用氩等离子体轰击靶材，使靶材材料沉积到样品表面。由于靶材材料带有一定动量沉积到样品上，因此能够制备比较致密的薄膜。但这种方法对于脆弱的二维材料石墨烯来说是有一定破坏性的，会引入很多缺陷[JinZ,SuY,ChenJ,etal.StudyofAlNdielectricfilmongraphenebyRamanmicroscopy.AppliedPhysicsLetters,2009,95(23):233110]。最早的顶栅石墨烯场效应晶体管(GFET)是用电子束蒸发的SiO2作为介质层的，然而沉积介质层后GFET的迁移率下降了很多[LemmeMC,EchtermeyerTJ,BausM,etal.Mobilityingraphenedoublegatefieldeffecttransistors.Solid-StateElectronics,2008,52(4):514-518]，说明电子束蒸发也不适合用于制备顶栅GFET的介质层。原子层沉积适用于制备超薄氧化物介质层，而且损伤较低，制备的薄膜质量较高。但石墨烯表面比较惰性，原子层沉积的薄膜在石墨烯上倾向于岛状成长，不连续成膜。常用的解决办法是在原子层沉积之前对石墨烯表面进行化学处理[LinY-M,JenkinsKA,Valdes-GarciaA,etal.OperationofGrapheneTransistorsatGigahertzFrequencies.NanoLetters,2009,9(1):422-426]或引入缓冲层[FarmerDB,ChiuH-Y,LinY-M,etal.UtilizationofaBufferedDielectrictoAchieveHighField-EffectCarrierMobilityinGrapheneTransistors.NanoLetters,2009,9(12):4474-4478]。然而这些方法既增加了工艺复杂度，也引入了额外的散射中心。综上，石墨烯场效应晶体管(GFET)的现有制备技术中通常存在两个问题：(1)光刻胶直接接触石墨烯，包括光刻胶残胶在内的化学元素引起石墨烯器件性能退化；(2)栅介质层的制备方法会引起石墨烯损伤(溅射法)或引入杂质成分(原子层沉积法)等。在石墨烯场效应晶体管(GFET)的制备过程中，石墨烯表面很容易残留光刻胶。AllenHsu等通过引入铝作为牺牲层[HsuA,WangH,KimKK,etal.ImpactofGrapheneInterfaceQualityonContactResistanceandRFDevicePerformance.IEEEElectronDeviceLetters,2011,32(8):1008-1010]，避免了石墨烯与光刻胶的接触，提高了GFET的性能。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种顶栅石墨烯场效应晶体管；本专利技术还提供了一种采用一氧化硅作为牺牲层和栅介质层制备顶栅结构石墨烯场效应晶体管的方法；本专利技术通过热蒸发在石墨烯上沉积SiO薄膜同时作为牺牲层和栅介质层，制作顶栅石墨烯场效应晶体管(GFET)。SiO作为牺牲层避免了石墨烯与光刻胶的接触，避免了光刻胶引起的器件性能降低；热蒸发SiO作为栅介质层的方法简单，对石墨烯的损伤小，引入的缺陷少，对提高器件性能非常有利。本专利技术的技术方案为：一种顶栅石墨烯场效应晶体管，包括衬底、氧化硅层、石墨烯沟道层、源极、漏极、栅极，所述衬底上依次外延生长有所述氧化硅层、石墨烯沟道层，所述石墨烯沟道层的两端上设有源极、漏极，所述源极、漏极之间的所述石墨烯沟道层上设有一层SiO薄膜，所述SiO薄膜上设有栅极。本专利技术中，选用绝缘性能良好、介电常数高、蒸发温度低的SiO薄膜作为蒸发材料，SiO薄膜同时作为牺牲层和栅介质层，SiO薄膜作为牺牲层避免了石墨烯沟道层与光刻胶的接触，避免了光刻胶引起的器件性能降低；SiO薄膜作为栅介质层，制备方法简单，对石墨烯沟道层的损伤小，引入的缺陷少，对提高器件性能非常有利。根据本专利技术优选的，所述SiO薄膜的介电常数不小于5，击穿场强不小于5MV/cm。根据本专利技术优选的，所述SiO薄膜的厚度为20-50nm。厚度太小的SiO薄膜容易漏电，击穿场强小，容易被击穿；厚度太大的SiO薄膜，栅极调控能力降低。进一步优选的，所述SiO薄膜的厚度为25-35nm。特别优选的，所述SiO薄膜的厚度为30nm。一种采用一氧化硅作为牺牲层和栅介质层制备顶栅石墨烯场效应晶体管的方法，包括步骤如下：(1)提供衬底，在所述衬底上依次外延生长氧化硅层、石墨烯沟道层，形成样品；(2)在步骤(1)形成的样品上通过热蒸发方法沉积一层SiO薄膜，作为牺牲层和介质层；(3)在石墨烯沟道层的两端上形成源极和漏极；(4)在源极和漏极之间的所述石墨烯沟道层上形成栅极。根据本专利技术优选的，所述步骤(2)，在样品上沉积一层SiO薄膜，包括步骤如下：将步骤(1)形成的样品放入热蒸发仪器(HHVAuto306)的腔内，将腔内真空度抽到小于10-5Torr，调节电流将蒸发速率控制在在样品表面沉积一层厚度为20-50nm的SiO。蒸发过程中没有主动加热样品。本专利技术采用简单的、低损伤的热蒸发方法制备顶栅GFET的介质层，选用绝缘性能良好、介电常数高、蒸发温度低的SiO薄膜作为蒸发材料，克服了电子束蒸发、溅射等物理方法对石墨烯沟道层损伤大的缺点，而且此方法比原子层沉积方法简单，不需要对石墨烯表面进行预先处理。该方法适用于制备二维材料晶体管的顶栅介质层。根据本专利技术优选的，在所述步骤(2)之前对样品进行清洗。根据本专利技术优选的，将样品放置在超声清洗仪(KQ-100DE型数控超声波清洗器)中进行清洗，步骤包括：调整超声清洗仪的功率为30-60W，依次在丙酮、乙醇中超声清洗3-10min，用氮气吹干。根据本专利技术优选的，所述步骤(3)，在石墨烯沟道层的两端上形成源极和漏极，包括步骤如下：A、在步骤(2)形成的SiO薄膜涂光刻胶；B、定义源极区域与漏极区域，采用光刻工艺，将源极区域与漏极区域上的光刻胶去掉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种顶栅石墨烯场效应晶体管，包括衬底、氧化硅层、石墨烯沟道层、源极、漏极、栅极，所述衬底上依次外延生长有所述氧化硅层、石墨烯沟道层，所述石墨烯沟道层的两端上设有源极、漏极，其特征在于，所述源极、漏极之间的所述石墨烯沟道层上设有一层SiO薄膜，所述SiO薄膜上设有栅极。

【技术特征摘要】
1.一种顶栅石墨烯场效应晶体管，包括衬底、氧化硅层、石墨烯沟道层、源极、漏极、栅极，所述衬底上依次外延生长有所述氧化硅层、石墨烯沟道层，所述石墨烯沟道层的两端上设有源极、漏极，其特征在于，所述源极、漏极之间的所述石墨烯沟道层上设有一层SiO薄膜，所述SiO薄膜上设有栅极。2.根据权利要求1所述的一种顶栅石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述SiO薄膜的介电常数不小于5，击穿场强不小于5MV/cm。3.根据权利要求1所述的一种顶栅石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述SiO薄膜的厚度为20-50nm。4.根据权利要求1所述的一种顶栅石墨烯场效应晶体管，其特征在于，所述SiO薄膜的厚度为25-35nm；进一步优选的，所述SiO薄膜的厚度为30nm。5.权利要求1-4任一所述的顶栅石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)提供衬底，在所述衬底上依次外延生长氧化硅层、石墨烯沟道层，形成样品；(2)在步骤(1)形成的样品上通过热蒸发方法沉积一层SiO薄膜，作为牺牲层和介质层；(3)在石墨烯沟道层的两端上形成源极和漏极；(4)在源极和漏极之间的所述石墨烯沟道层上形成栅极。6.根据权利要求5所述的顶栅石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)，在石墨烯沟道层的两端上形成源极和漏极，包括步骤如下：A、在步骤(2)形成的SiO薄膜涂光刻胶；B、定义源极区域与漏极区域，采用光刻工艺，将源极区域与漏极区域上的光刻胶去掉，露出SiO薄膜；C、湿法腐蚀掉源极区域与漏极区域处的SiO薄膜：将步骤B形成的样品浸入氢氟酸缓冲液中10-20s，刻蚀掉源极区域与漏极区域处的SiO薄膜，并用去离子水清洗1-3min，清洗完毕后用氮气吹干；D、制作源极、漏极：在步骤C形成的源极区域与漏极区域处的石墨烯沟道层上，通过电...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱民，杨乐陶，王汉斌，张锡健，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37