制造石墨烯晶体管和装置的方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了化学掺杂的石墨烯晶体管，其包括复数个石墨烯层并且具有通过第三掺杂区而相对第二掺杂区分开的第一掺杂区，其中第一掺杂区和第二掺杂区相对于第三掺杂区具有相反的掺杂类型，以及其中第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区中的每一者各自包括独立的电触点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造石墨烯晶体管和装置的方法本专利技术涉及石墨烯晶体管和制造石墨烯晶体管的方法。特别地，本专利技术提供了基于仔细生长的石墨烯层结构的改进的晶体管。石墨烯是一种公知的材料，其具有许多由材料的理论上特殊的特性驱使而提出的应用。这样的特性和应用的良好实例详述在A.K.Geim和K.S.Novoselev的‘TheRiseofGraphene’,NatureMaterials,第6卷,2007年3月,183-191中。WO2017/029470(其内容通过引用并入本文)公开了用于生产二维材料的方法。具体地，WO2017/029470公开了生产二维材料(例如石墨烯)的方法，该方法包括：将保持在反应室内的基底加热至在前体的分解范围内并且允许由分解的前体所释放的物质形成石墨烯的温度；建立远离基底表面朝向前体的入口延伸的大的温度梯度(优选>1000℃/米)；以及经由相对冷的入口并跨该温度梯度朝向基底表面引入前体。WO2017/029470的方法可以使用气相外延(VapourPhaseEpitaxy，VPE)系统和金属-有机化学气相沉积(Metal-OrganicChemicalVapourDeposition，MOCVD)反应器来进行。WO2017/029470的方法提供了具有许多有利特性的二维材料，所述有利特性包括：非常好的晶体品质、大的材料晶粒尺寸、最少的材料缺陷、大的片材尺寸、以及是自支撑的。然而，仍然需要用于由二维材料制造装置的快速且低成本的加工方法。晶体管在本领域中是众所周知的，并且基本的晶体管结构在图1中示出。装置(1)通过施加栅极偏压使得在本征区(5)中发生电子累积来运行。在足够的栅极偏压下，当本征区(5)的导带与p型区(10)的价带对准时，发生隧穿。来自p型区(10)的价带的电子隧穿到本征区(5)的导带中，并且电流可以跨装置(1)流至n型区(15)。随着栅极偏压减小，带变得不对准，并且电流不能再流动。在该图中，本征区设置在半导体晶片(20)上，并且装置(1)设置有三个电极：源电极(25)、位于介电区(31)上的栅电极(30)、和漏电极(35)。NPN晶体管的层必须具有正确的跨其连接的电压。栅极(G)的电压必须比漏极(D)的电压更正。源极(S)的电压必须比基底的电压更正。漏极供应电子。栅极将这些电子从漏极拉出，因为其具有比漏极更正的电压。电子的这种运动产生电流通过晶体管的流动。包含石墨烯的晶体管的实例在本领域是已知的。例如，石墨烯可以以类似的方式用作隧穿晶体管(G.Alymov等，ScientificReports6，文章编号：24654(2016))。在这种情况下，使用本征石墨烯，并且本征石墨烯在控制栅极充当i区的情况下分别向两个掺杂栅极施加正电压和负电压以形成p-i-n结构。施加背栅电压VB以打开小的带隙。在这种情况下，由于装置的隧穿操作，具有小的带隙实际上是有益的。然而，尽管如此，在该实例中带隙是必需的，同样p-i-n结构也是必需的。替代方法是使用没有带隙的石墨烯，并且用半导体或介电材料将石墨烯的两个区域彼此物理分离。这例如通过以下公开：D.A.Svintsov等,“TunnelFieldEffectTransistorswithGrapheneChannels”,IXINTERNATIONALCONFERENCE“SILICON2012”,ST.PETERSBURG,2012年7月9日至13日。在这种情况下，石墨烯层在物理上分成两个，并且施加背栅电压(back-gatevoltage)。当该背栅电压增加时，石墨烯片中的状态密度将增加，这将引起通过间隙的隧穿电流。替代地，如果电介质/半导体间隙足够小，则施加顶部栅极偏压也将能够隧穿。该构造未必需要带隙，并且其也不需要pn结或p-i-n结。EP3015426公开了石墨烯层、形成该石墨烯层的方法、包括该石墨烯层的装置和制造该装置的方法。具体地，该文献教导了使用金属催化剂生产石墨烯的CVD工艺。US2012/0241069公开了通过沉积直接合成图案化石墨烯。具体地，该文献教导了使用金属催化剂表面生产石墨烯。US2017/0175258公开了二维层状材料的模板生长的简易路径。具体地，该文献涉及基于二元金属的二维材料而不是石墨烯的生长。WO2013/028826公开了通过自底向上直接以期望的图案生长微米结构和纳米结构石墨烯来生长微米结构和纳米结构石墨烯的方法。具体地，该文献教导了使用铜催化剂表面来生产石墨烯。Kim等,“Chemicalvapourdeposition-assembledgraphenefieldeffecttransistoronhexagonalboronnitride”,AppliedPhysicsLetters,2011,98,262103涉及通过化学气相沉积(CVD)组装的单层石墨烯在与支承基底材料碰撞时的电特性。具体地，该文献涉及使用CVD在铜表面上生长石墨烯，然后经由蚀刻从铜上去除石墨烯，然后将石墨烯手动放置在氮化硼上。Perez-mas等,“Graphenepatterningbynanosecondlaserablation:theeffectofthesubstrateinteractionwithgraphene”JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2016,49,305301涉及通过绿色纳秒脉冲激光辐照形成图案化石墨烯/基底。具体地，该文献涉及在金属箔上CVD生长的石墨烯，所述石墨烯从箔上移除然后被手动放置在二氧化硅基底上。Woong等,“Atomiclayeretchingforfullgraphenedevicefabrication”,Carbon,2012,50,429涉及全石墨烯装置的制造。具体地，该文献涉及通过CVD在铜箔上生长石墨烯。然而，所生产的材料似乎不是石墨烯。本专利技术的目的是提供改进的石墨烯晶体管和用于生产石墨烯晶体管的方法，所述方法克服或基本上减少了与现有技术有关的问题，或者至少为其提供了商业上有用的替代方案。根据第一方面，提供了化学掺杂的石墨烯晶体管，所述化学掺杂的石墨烯晶体管包括复数个石墨烯层并且具有通过第三掺杂区而相对第二掺杂区分开的第一掺杂区，其中第一掺杂区和第二掺杂区具有跟第三掺杂区相反的掺杂类型，以及其中第一掺杂区、第二掺杂区和第三掺杂区中的每一者各自包括独立的电触点。现在将进一步描述本公开。在以下段落中，更详细地限定本公开的不同方面/实施方案。除非明确相反地指出，否则如此限定的各方面/实施方案可以与任一其他方面/实施方案或更多个其他方面/实施方案组合。特别地，指出为优选或有利的任何特征可以与指出为优选或有利的任一其他特征或更多个其他特征组合。本专利技术涉及石墨烯晶体管。即，基于石墨烯层结构起作用的晶体管。如上所述，这样的装置的实例是已知的。然而，它们不具有本文所述的结构。实际上，专利技术人发现，可以以如下所述的直接生长工艺制造具有石墨烯的所有电优点的晶体管。石墨烯晶体管包括：包含复数个石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化学掺杂的石墨烯晶体管，包括复数个石墨烯层并且具有通过第三掺杂区而相对第二掺杂区分开的第一掺杂区，其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区具有跟所述第三掺杂区相反的掺杂类型，以及其中所述第一掺杂区、所述第二掺杂区和所述第三掺杂区中的每一者各自包括独立的电触点。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180111 GB 1800452.31.一种化学掺杂的石墨烯晶体管，包括复数个石墨烯层并且具有通过第三掺杂区而相对第二掺杂区分开的第一掺杂区，其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区具有跟所述第三掺杂区相反的掺杂类型，以及其中所述第一掺杂区、所述第二掺杂区和所述第三掺杂区中的每一者各自包括独立的电触点。


2.根据权利要求1所述的化学掺杂的石墨烯晶体管，其中所述第三掺杂区直接接触所述第一掺杂区和所述第二掺杂区。


3.一种用于生产化学掺杂的石墨烯晶体管的方法，所述方法包括：
提供位于反应室中的经加热的衬托器上的基底，所述室具有复数个经冷却的入口，所述复数个经冷却的入口布置成使得在使用时所述入口跨所述基底分布并且相对所述基底具有恒定的间隔，
供应包含前体化合物的流通过所述入口并进入所述反应室，从而使所述前体化合物分解并在所述基底上形成复数个石墨烯层，
其中所述入口被冷却至低于100℃，优选50℃至60℃，以及所述衬托器被加热至超过所述前体的分解温度至少50℃的温度，
其中包含所述前体化合物的所述流包含N型掺杂剂的源或P型掺杂剂的源；以及
用跟包含所述前体化合物的所述流中存在的掺杂剂相反类型的掺杂剂对所述基底上的所述石墨烯的一部分进行选择性地反掺杂。


4.根据权利要求3所述的方法，其中所述反掺杂通过扩散、离子注入、合金掺杂、气相外延磁性掺杂、中子嬗变掺杂、或调制掺杂来进行，优选地，其中所述反掺杂通过离子注入来进行。


5.一种用于生产化学掺杂的石墨烯晶体管的方法，所述方法包括：
提供在反应室中的经加热的衬托器上的基底，所述室具有复数个经冷却的入口，所述复数个经冷却的入口布置成使得在使用时所述入口跨所述基底分布并且相对所述基底具有恒定的距离，
供应包含前体化合物的第一流通过所述入口并进入所述反应室，从而使所述前体化合物分解并在所述基底上形成复数个石墨烯层，
其中所述入口被冷却至低于100℃，优选50℃至60℃，并且所述衬托器被加热至超过所述前体的分解温度至少50℃的温度，以及其中包含所述前体化合物的所述流包含N型掺杂剂的源或P型掺杂剂的源；以及
选择性地去除所述石墨烯的一个或更多个部分，并使用包含前体化合物且包含跟所述第一流中存在的掺杂剂相反类型的掺杂剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：西蒙·托马斯，伊沃尔·吉尼，
申请(专利权)人：帕拉格拉夫有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB