一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法技术

提供了一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法，属于场效应晶体管领域。晶体管包括：衬底(1)、形成于衬底上的石墨烯沟道层(2)、分别位于石墨烯沟道层(2)的两端上的源电极(3)和漏电极(4)、位于源电极(3)和漏电极(4)之间的石墨烯沟道层(2)上的栅介质层(5)和栅电极(6)；衬底(1)具有由两个以上的凹陷部(101)和一个以上的凸起部(102)构成的支撑件，支撑件的至少一个凸起部(102)与石墨烯沟道层(2)接触。通过衬底(1)上的支撑件对石墨烯沟道层(2)形成物理支撑，避免了石墨烯沟道层(2)在无支撑悬空的情况下由于重力等作用而出现的塌陷或者变形，并且减少了衬底(1)与石墨烯沟道层(2)之间的接触面积，减少了衬底(1)对石墨烯沟道层(2)的影响，提升载流子迁移率。

A graphene FET and its preparation

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法
本公开涉及场效应晶体管领域，特别涉及一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法。
技术介绍
场效应晶体管(Field Effect Transistors，FET)指由多数载流子参与导电，通过电压控制的半导体器件，其中载流子指承载电荷的、能够自由移动以形成电流的物质粒子(例如电子和空穴)。石墨烯作为新型的半导体材料具有远远高于普通半导体材料(如硅、砷化镓)的载流子迁移率，已被应用于场效应晶体管中，制备形成石墨烯场效应晶体管(Graphene Fie1d Effect Transistor，GFET)，其中石墨烯用于形成石墨烯场效应晶体管的沟道。如图1所示，图1示出了一种常规石墨烯场效应晶体管的剖面图。其包括衬底1、形成在所述衬底1上的石墨烯沟道层2、分别形成在石墨烯沟道层2的两端的源电极3和漏电极4、形成于石墨烯沟道层2上的栅介质层5以及栅电极6。由于衬底1(尤其是氧化硅衬底)与石墨烯沟道层2接触会导致载流子的散射，造成石墨烯的载流子迁移率的降低。因此如何制备石墨烯场效应晶体管才能发挥石墨烯的优良电学特性是目前研发人员关注的重点问题。目前的现有技术提供了一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法，其结构如图2所示，其制备方法为首先在衬底1上形成石墨烯沟道层2，在石墨烯沟道层2两端形成源电极3和漏电极4；随后使用湿法腐蚀去除部分衬底1形成空腔7，从而获得悬空的石墨烯沟道层结构；最后，在石墨烯沟道层2上沉积栅介质层5和栅电极6得到石墨烯场效应晶体管。在实现本公开的过程中，专利技术人发现现有技术至少存在以下问题：由于悬空的石墨烯沟道层结构容易在空腔处出现塌陷或变形，从而引起场效应晶体管的失效或者性能降低。公开内容本公开实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种能够防止石墨烯沟道层塌陷或者变形的石墨烯场效应晶体管及其制备方法。具体技术方案如下：一方面，提供了一种石墨烯场效应晶体管，所述晶体管包括：衬底、形成于所述衬底上的石墨烯沟道层、分别位于所述石墨烯沟道层的两端上的源电极和漏电极、位于所述源电极和所述漏电极之间的所述石墨烯沟道层上的栅介质层和栅电极；所述衬底具有由两个以上的凹陷部和一个以上的凸起部构成的支撑件，所述支撑件的至少一个所述凸起部与所述石墨烯沟道层接触。通过衬底上的支撑件对石墨烯沟道层形成物理支撑，即支撑件上的至少一个凸起部支撑位于源电极和漏电极之间的石墨烯沟道层，避免了石墨烯沟道层在无支撑悬空的情况下由于重力等作用而出现的塌陷或者变形。并且，本公开提供的晶体管相对于完全将衬底覆盖于衬底上，两者大面积接触的情况而言，凹陷部减少了衬底与石墨烯沟道层之间的接触面积，减少了衬底对石墨烯沟道层的影响，提升载流子迁移率。在一个可能的设计中，两个以上的所述凹陷部为长条形。在一个可能的设计中，两个以上的所述凹陷部为长方形，两个以上的所述凹陷部的长度方向互相平行。此处，凹陷部的长度是指，长方形凹陷部的最长边的长度。那么相应地，一个以上的凸起部为长方形，凹陷部和凸起部以规则的形状形成对石墨烯沟道层的均匀支撑。在一个可能的设计中，两个以上的所述凹陷部的宽度相等，以使支撑件上的至少一个凸起部对石墨烯沟道层的支撑力分布均匀。此处“凹陷部的宽度”是指从凹陷部的一个侧壁至另一个侧壁的垂直距离，如图4中所示为W。例如，当所述衬底上只具有一个凸起部时，凸起部的支撑力应作用于石墨烯沟道层的中间，此处的中间指从该位置处到源电极和到漏电极之间的距离相等。当所述衬底上具有两个以上的凸起部时，每个凸起部之间的距离应相等。在一个可能的设计中，两个以上的所述凹陷部的宽度与所述凹陷部的深度的比值为1:1-2。此处，凹陷部的深度是指，从凹陷部的底部至凹陷部的开口处的垂直距离，如图4中所示为D。在一个可能的设计中，所述凹陷部的宽度为30-60nm，所述凹陷部的深度为30-120nm。所述凹陷部的宽度的范围还可以为40-50nm，所述凹陷部的深度的范围还可以为40-110nm,50-100nm，60-90nm，70-80nm。在一个可能的设计中，所述石墨烯沟道层的方向与所述凹陷部的长度方向垂直，以形成中段横向支撑。除另有定义之外，本文所述的石墨烯沟道层的方向指从位于石墨烯沟道层上一端的源电极到漏电极的方向。在一个可能的设计中，所述石墨烯沟道层的方向与所述凹陷部的长度方向相同，以形成从石墨烯沟道层起始端至末尾端的支撑，即形成从源电极端到漏电极端的纵向支撑。在一个可能的设计中，所述衬底为硅基衬底、蓝宝石衬底、或者石英衬底，以形成石墨烯场效应晶体管的基底，所述硅基衬底包括氧化硅层和硅层。所述氧化硅层厚度为250-350nm，以满足在足够厚度的氧化硅层上形成凹陷部和凸起部，该氧化硅层厚度还可以为其余可能的范围或取值，例如260-340nm，270-330nm，280-320nm，290-310nm，300nm。在一个可能的设计中，所述栅介质层为位于所述石墨烯沟道层上的氧化钇层与位于所述氧化钇层上的二氧化铪层的复合栅介质层，或者为位于所述石墨烯沟道层上的氧化铝层，以形成绝缘层，将栅电极与石墨烯沟道层隔离。并且在上述复合栅介质层的设计中，将氧化钇层作为复合栅介质层中与石墨烯沟道层直接接触的第一层，以在缺乏悬挂键的石墨烯上形成均匀的介质层；将二氧化铪层作为覆盖在所述第一层上的复合栅介质层的第二层，以形成良好的覆盖性。在一个可能的设计中，所述栅介质层还覆盖于所述源电极和所述漏电极的顶部和侧面，以形成将栅电极分别与石墨烯沟道层、源电极和漏电极隔离。在一个可能的设计中，所述复合栅介质层包括厚度为1-10nm的氧化钇层与厚度为5-15nm的二氧化铪层。该氧化钇层和二氧化铪层的厚度还可以为其余可能的范围或取值，例如氧化钇层的厚度还可以为2-9nm，3-8nm，4-7nm，5-6nm，二氧化铪层的厚度还可以为6-14nm，7-13nm，8-12nm，9-11nm,10nm。在一个可能的设计中，所述氧化铝层的厚度为15-30nm，可选为20nm。在一个可能的设计中，所述栅电极为包含钛层和金层的复合金属层，所述复合金属层中的钛层和金层的厚度比为1:5-20。作为栅电极的材料通常可选择熔点较高的金属，该类金属在具备良好的导电性能的基础上，能够耐受高温，金属可以选自钨、钴、镍、钼、钛、金中的至少一种。另外栅电极的材料还可以选自金属氮化物、金属氮硅化物等，例如氮化钨、氮化钛、氮化钽、氮化钼、氮硅化钨、氮硅化钼等。在一个可能的设计中，所述源电极和所述漏电极均为包含钛层、钯层、金层的复合金属层，或者均为包含钛层和金层的复合金属层。作为源电极和漏电极的材料同样可选择熔点较高的金属，可以选自钨、钴、镍、钼、钛、金中的至少一种。在一个可能的设计中，所述包含钛层、钯层、金层的复合金属层中的钛层、钯层、金层的厚度比为1:(30-70):(80-120)，可选为1:50:100。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯场效应晶体管，包括：衬底(1)、形成于所述衬底(1)上的石墨烯沟道层(2)、分别位于所述石墨烯沟道层(2)的两端上的源电极(3)和漏电极(4)、位于所述源电极(3)和所述漏电极(4)之间的所述石墨烯沟道层(2)上的栅介质层(5)和栅电极(6)；/n其特征在于，所述衬底(1)具有由两个以上的凹陷部(101)和一个以上的凸起部(102)构成的支撑件，所述支撑件的至少一个所述凸起部(102)与所述石墨烯沟道层(2)接触。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】一种石墨烯场效应晶体管，包括：衬底(1)、形成于所述衬底(1)上的石墨烯沟道层(2)、分别位于所述石墨烯沟道层(2)的两端上的源电极(3)和漏电极(4)、位于所述源电极(3)和所述漏电极(4)之间的所述石墨烯沟道层(2)上的栅介质层(5)和栅电极(6)；
其特征在于，所述衬底(1)具有由两个以上的凹陷部(101)和一个以上的凸起部(102)构成的支撑件，所述支撑件的至少一个所述凸起部(102)与所述石墨烯沟道层(2)接触。


根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，两个以上的所述凹陷部(101)为长条形。


根据权利要求2所述的晶体管，其特征在于，两个以上的所述凹陷部(101)为长方形。


根据权利要求3所述的晶体管，其特征在于，两个以上的所述凹陷部(101)的长度(L)方向互相平行。


根据权利要求3所述的晶体管，其特征在于，两个以上的所述凹陷部(101)的宽度(W)相等。


根据权利要求5所述的晶体管，其特征在于，两个以上的所述凹陷部(101)的宽度(W)与所述凹陷部(101)的深度(D)的比值为1:1-2。


根据权利要求6所述的晶体管，其特征在于，所述凹陷部(101)的宽度(W)为30-60nm，所述凹陷部(101)的深度(D)为30-120nm。


根据权利要求3所述的晶体管，其特征在于，所述石墨烯沟道层(2)的方向与所述凹陷部(101)的长度(L)方向垂直。


根据权利要求3所述的晶体管，其特征在于，所述石墨烯沟道层(2)的方向与所述凹陷部(101)的长度(L)方向相同。


根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述栅介质层(5)为位于所述石墨烯沟道层(2)上的氧化钇层与位于所述氧化钇层上的二氧化铪层的复合栅介质层，或者为位于所述石墨烯沟道层(2)上的氧化铝层。


根据权利要求10所述的晶体管，其特征在于，所述栅介质层(5)还覆盖于所述源电极(3)和所述漏电极(4)的顶部和侧面。


根据权利要求10所述的晶体管，其特征在于，所述复合栅介质层包括厚度为1-10nm的氧化钇层与厚度为5-15nm的二氧化铪层。


根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述栅电极(6)为包含钛层和金层的复合金属层，所述复合金属层中的钛层和金层的厚度比为1:5-20。


根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述源电极(3)和所述漏电极(4)均为包含钛层、钯层、金层的复合金属层，或者均为包含钛层和金层的复合金属层。


一种制备权利要求1-14中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晨，秦旭东，张臣雄，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44