一种以石墨烯为电极的场效应晶体管器件及其制备方法技术

一种场效应晶体管器件，包括源区、漏区、栅区和沟道区；其中，所述栅区和沟道区均位于所述源区和漏区之间，所述栅区位于所述沟道区之下，所述构成栅区的材料为硼掺杂的导电硅；其特征在于：所述构成源区和漏区的材料为石墨烯，所述构成沟道区的材料为稠环芳烃或苝酰胺。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种场效应晶体管器件及其制备方法，特别是一种以石墨烯为电极的 场效应晶体管器件及其制备方法。技术背景随着传统硅基晶体管的尺寸逐渐微型化到分子尺度，在纳米级的输运结方面己进 行了大量的研究工作，期望能够对单个或几个有机分子的电学性质进行表征。在纳米 电子和分子电子学领域的最终目标是获得单分子或单原子晶体管。原则上，单分子尺 度的晶体管器件能够克服半导体材料的低载流子浓度缺陷，而表现出很好的场效应晶 体管性质。为实现这一最终目标，至关重要的是制备新材料、研制新型器件结构及为 获得高载流子迁移率和高栅效率而进行的参数优化新方法。碳基材料(如单壁碳纳米 管和石墨烯)由于其独特的性质及维度，越来越被认为是最有研究前景的纳米材料。石墨烯自从被发现以来，即已成为世界各国研究小组的研究热点，它是碳的一种 新形态，由于其具有一系列独一无二的电学和物理学性质，成为构建纳米电子器件的 理想材料 一、石墨烯具有很好的本征结构每个结构单元均由六个碳原子通过化学 键周期性排列成苯环形状，不会产生任何缺陷；这种完美的晶格结构源于原子内sp2 键的紧密结合，因而，与金电极相比，能赋予材料更稳定的性能(如高电导率)；二、 石墨烯仅有一个原子厚度，带隙宽度为0;尽管带隙的缺失会降低转换器件的开关比， 但石墨烯仍呈现半导体性，其载流子迁移率高达200,000ci^V—V1，且具有高载流能力； 三、石墨烯具有二维特性，可与传统的半导体微器件兼容(而单壁碳纳米管则无法兼容)另外，石墨烯的平面结构亦与现有的多层CMOS器件甚至在将来与CMOS制造 工艺相兼容。总之，石墨烯作为一种新型电极材料，被寄望于能够克服碳纳米管存在 的缺点。但是，迄今为止，关于石墨烯作为二维电极材料并探讨半导体性分子材料的 电学性质方面，还鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。本专利技术提供的场效应晶体管器件，包括源区、漏区、栅区和沟道区；其中，栅区 和沟道区均位于源区和漏区之间，栅区位于沟道区之下；构成源区和漏区的材料均为 石墨烯；构成沟道区的材料为各种有机小分子、高聚物及高分子半导体材料，如聚噻 吩、并五苯、稠环芳烃、茈酰胺等，构成栅区的材料为高度参杂的导电硅。该器件还包括栅介质层，构成栅介质层的材料为二氧化硅，氮化硅以及各种高K的绝缘体，如 氧化铝、氧化锆或二氧化钛。本专利技术提供的制备上述场效应晶体管器件的方法，包括如下步骤1) 将石墨烯分布在绝缘电介质层基底表面；2) 图案化绝缘电介质层基底表面的石墨烯；3) 用金属掩膜覆盖石墨烯，在绝缘电介质层基底表面依次镀上金属薄膜；4) 刻蚀步骤2)得到的图案化后的石墨烯，暴露出绝缘电介质层基底；5) 在步骤4)暴露出的绝缘电介质层基底表面，覆盖有机半导体薄膜，得到本发 明提供的场效应晶体管器件。该方法的步骤l)中，将石墨烯分布在绝缘电介质层基底表面的方法为机械剥落 法；绝缘电介质层基底为二氧化硅、氮化硅和氧化锆等。 步骤2)中，图案化石墨烯的方法为电子束刻蚀。步骤3)中，在绝缘电介质层基底表面依次镀上金属薄膜的方法为热蒸镀；金属 薄膜材料选自金、铬和镍中的一种或任意几种。步骤4)中，刻蚀方法为氧等离子体刻蚀；暴露出的绝缘电介质层基底的宽度为 100-150nm。步骤5)中，覆盖有机半导体薄膜的步骤中，覆盖方法为热蒸镀或浸渍涂膜法； 构成有机半导体薄膜的材料为稠环芳烃或茈酰胺，具体为并五苯或聚噻吩，如聚3-己 基噻吩。选用浸渍涂膜法时，浸渍液为聚噻吩的有机溶液，浓度为0.5-0.25mg/mL， 优选0.25mg/mL，该溶液的溶剂可为各种常用的能溶解聚噻吩的有机溶剂，如氯仿； 浸渍时间为1-60秒，优选10秒。另外，根据需要，可在步骤5)之后，在金属层与 石墨烯层之间的间隙，用电子束刻蚀方法将聚甲基丙烯酸甲酯进行填充。本专利技术提供的场效应晶体管器件中，所用有机材料可以是各种有机小分子或高分 子半导体材料，如寡聚噻吩、聚噻吩、并五苯、稠环芳烃、茈酰胺和各种高聚物等， 从而制备n-型、p-型或两性型的纳米级场效应晶体管器件。这些器件在纳米级实现了 宏观场效应晶体管器件的所有功能，如高迁移率和高开关比，大大縮小了器件的尺寸。 由于器件中存在光活性分子，该分子晶体管器件对各种外界刺激，如光刺激，均具有 很高的响应灵敏度。本专利技术提供的纳米晶体管器件在超灵敏环境刺激响应、超灵敏太 阳能刺激响应器件等均具有很高的应用价值。另外，在分子电子学及纳米领域，该器 件对促进分子级别各种尺度下超微光电器件的发展，将起到至关重要的作用。 .附图说明图l为本专利技术实施例1提供的纳米级场效应晶体管器件的结构示意图、扫描电镜和AFM照片。图2为本专利技术实施例1中步骤4)中对石墨烯之间暴露出的基底层进行氧等离子体刻蚀步骤前后器件的电学特性曲线。图3为本专利技术实施例1提供的晶体管器件的输出特性曲线和转移特性曲线。图4为本专利技术实施例1提供的晶体管器件的漏电流与时间的特性曲线。图5为本专利技术实施例2提供的晶体管器件的结构示意图。图6为本专利技术实施例2提供的晶体管器件的光学显微镜照片和输出特性曲线。图7为本专利技术实施例2提供的晶体管器件的漏电流与时间的特性曲线。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。 实施例1、制备纳米级场效应晶体管器件该纳米级场效应晶体管器件的制备方法包括如下步骤1) 在含有一层300nm厚的二氧化硅的重掺杂硅衬底上，将未经任何加工的石墨 置于衬底上反复剥离，得到石墨烯；2) 利用电子束刻蚀方法，对石墨烯进行图案化；3) 用金属掩膜覆盖步骤2)得到的图案化后的石墨烯，在硅衬底表面利用热蒸发 法依次得到Cr层和Au层(5纳米/40纳米)，Au/Cr作为该器件的金属源区和漏区。4) 在上述晶体管表面旋涂一层PMMA (950， A2)，旋涂速率为4000PRM，旋 涂时间为45s，之后于17(TC烘干2min。利用电子束刻蚀方法，通过电脑运行DesignCAD 文件，对上述图案化后的石墨烯进行刻蚀，使基底层暴露，该暴露出的基底层的宽度 为100nm。用体积比为1: 3的水和异丙醇的混合液5"C超声洗涤lmin，再用去离子 水清洗，于氮气气氛中干燥。之后置于型号为ME-3 RIE的氧等离子体刻蚀设备中，对上述石墨烯之间暴露出 的基底层进行氧等离子体刻蚀，得到宽度为100-150nm的纳米空隙；其中，射频功率 为50 W，氧等离子体压强为300mTorr，切割时间为7s。之后将器件置于丙酮中过夜， 除去丙酮后依次用丙酮、异丙醇、去离子水洗涤，于氮气气氛中干燥。刻蚀步骤2) 得到的图案化后的石墨烯，暴露出基底层；5) 在步骤4)暴露出的基底层表面，用浸渍涂膜法覆盖一层聚3-己基噻吩薄膜， 得到纳米级场效应晶体管器件。其中，聚3-己基噻吩购自AlfaAesar公司，产品编号 44745，分子量87kD。涂膜时所用的浸渍液为聚3-己基噻吩(P3HT)的氯仿溶液，浓 度分别为0.50mg/mL、 0.30mg/mL、 0.28mg/mL和0.25mg/mL;浸渍时间为10秒，得 到本专利技术提供的场效应晶体管器件。该器件的结构示意图如图1A所示。其中，1为硅衬底层，2为氧化物介质层和栅 区，3和4分别为该器件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场效应晶体管器件，包括源区、漏区、栅区和沟道区；其中，所述栅区和沟道区均位于所述源区和漏区之间，所述栅区位于所述沟道区之下，所述构成栅区的材料为硼掺杂的导电硅；其特征在于：所述构成源区和漏区的材料为石墨烯，所述构成沟道区的材料为稠环芳烃或苝酰胺。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭雪峰，曹阳，杨凌春，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11