一种石墨烯场效应晶体管的制备方法技术

本发明专利技术属于场效应晶体管技术领域，具体为一种石墨烯场效应晶体管的制备方法。该方法的步骤包括：提供红外线可穿透的衬底；化学气相淀积石墨烯形成石墨烯沟道层；在石墨烯沟道层上构图形成栅介质层；以及在栅介质层上构图形成栅端。其中，石墨烯沟道层可操作地在红外线辐射下产生光电导效应，以使石墨烯场效应晶体管的电学特性发生变化。该制备方法工艺过程简单并易于与集成电路制造工艺兼容，所制备的场效应晶体管具有灵敏度高、功耗低、超轻超稳定的红外探测功能，并且红外吸收带宽且可根据实际应用需求可调。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于场效应晶体管
，具体涉及石墨烯场效应晶体管的制备方法。
技术介绍
随着摩尔(Moore)定律的不断延展与纵深，使得硅基集成电路的器件尺寸离物理极限越来越近，国际半导体工艺界纷纷提出超越硅(Beyond Silicon)技术，其中，石墨烯被认为是最有希望替代硅的材料。石墨烯(Graphene)是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，单层石墨的厚度约为0.35纳米。图1所示为石墨烯的基本结构示意图。当前，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。由于石墨烯具有超导性能、高强度的机械性能等(例如，其强度可达到 130GPa，载流子迁移率可以达到250000cm2/VS)，其自2004年被发现以来被广泛关注。石墨烯场效应晶体管(Graphene Field-Effect-Transistor，GFET)是利用石墨烯的半导体特性来制成的晶体管。其中，石墨烯用于形成GFET的沟道，通过控制栅端电压，其可以调制沟道的电流大小，也即调制源端和漏端之间的电流大小。同时注意到，在光电子领域，红外探测器主要是利用半导体化合物材料的光导电效应来感测红外线。现有技术中，各波段红外探测器中，无论是InGaAs基、InSb基、或者量子阱型探测QWIP以及碲镉汞(MCT)基，都需要在低温下工作并需要额外的制冷系统，这限制了其应用并提高了应用成本。并且，它们生产工艺复杂、生产过程带有剧毒，也不易与大规模集成电路的制备工艺兼容。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种具有红外探测功能的GFET的制备方法。本专利技术提出的具有红外探测功能的GFET的制备方法，包括以下步骤(1)提供红外线可穿透的衬底；(2)化学气相淀积石墨烯形成石墨烯沟道层；(3)在所述石墨烯沟道层上构图形成栅介质层；以及(4)在所述栅介质层上构图形成栅端。其中，所述石墨烯沟道层可操作地在红外线辐射下产生光电导效应、以使所述石墨烯场效应晶体管的电学特性发生变化。较佳地，所述石墨烯沟道层的石墨层数为2至10层。在一优选实例中，所述步骤(2)包括以下过程(2a)将所述衬底置于化学气相淀积装置的腔体中，通入Ar/H2混合气体，其中，流量范围为2OOsccm至8OOsccm,压力为8托至9托；(2b)在确保所述腔体内压力为300 mTorr —500mTorr (毫托)的环境下，通入甲烷与惰性气体，甲烷与惰性气体的气体流量比值范围约是1:2 1:5，甲烷与惰性气体的总流量的范围为280sccm至480sccm ；以及(2c)加热到化学气相淀积的温度后，在Ar/H2混合气体环境下按每分钟45-55°C的速率降至室温。较佳地，所述化学气相淀积的温度范围为300°C -400°C。按照本专利技术提供的石墨烯场效应晶体管的制备方法的一实施例中，步骤(3)所述栅介质层为厚度范围为10埃至100埃的高K介质层。在一优选实例中，所述栅介质层为原子层淀积生长形成的六方氮化硼，所述步骤 (3)包括以下过程(3a)利用BBrJt为硼的前驱体、氨气(NH3)作为氮的前驱体、惰性气体作为载气，原子层淀积的反应腔的温度为400°C到750°C，原子层淀积的反应腔内压力范围为1-10托；(3b)先以流速 800—1000sccm 通入 Ar/BBr3 2—3 秒钟后，再通入 260—300sccm Ar 气3—4秒钟，再以16—20sccm流速通入NH3 2—3秒钟，最后通入260—300sccm Ar气3—4 秒钟，从而完成一个循环；以及(3c )重复以上步骤(3b )，直至六方氮化硼生长达到的预定厚度。在又一优选实例中，所述栅介质层为原子层淀积生长形成的Al2O3，所述步骤(3) 还包括以下步骤(a3)在步骤(3a)之前用NO2对所述石墨烯沟道层进行表面处理。在还一优选实例中，所述栅介质层为原子层淀积生长形成的Al2O3，所述步骤(3) 还包括以下步骤(a3)在步骤(3a)之前，在所述石墨烯沟道层上生长3，4，9，10 -茈四羧酸的聚合物缓冲层。所述生长3，4，9，10 -茈四羧酸的聚合物缓冲层的过程为将所述石墨烯沟道层置入PTCA (3，4，9，10 -茈四羧酸溶液)溶液中浸泡30—35分钟。较佳地，在原子层淀积生长Al2O3时，在为50°C _200°C的条件下利用TAM (三甲基铝)和水作为前驱体来生长αι203。本专利技术的技术效果是，该制备方法工艺过程简单并易于与集成电路制造工艺兼容，其所制备形成的GEFT有灵敏度高、功耗低、超轻超稳定的红外探测功能，并且红外吸收带宽且可根据实际应用需求可调。附图说明图1是石墨烯的基本结构示意图。图2是按照本专利技术一实施例提供的GEFT的基本结构示意图。图3是制备图2所示的GEFT的方法流程示意图。图4至图8是对应图3中的步骤Sll至S15的结构变化示意图。图9是按照本专利技术又一实施例提供的GEFT的基本结构示意图。具体实施例方式下面结合附图和参考实施例中进一步描述本专利技术，本专利技术提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。在此参考图是本专利技术的理想化实施例的示意图，本专利技术所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制备引起的偏差。例如5干法刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本专利技术实施例图示中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本专利技术的范围。图2所示为按照本专利技术一实施例提供的GEFT的基本结构示意图。如常规的 M0SEFET —样，该GFET 10包括沟道层110、源端(S) 130、漏端(D) 140、栅介质层120以及栅端(G)150。如图2所示，沟道层110形成于衬底100上，在该实施例中，衬底100为在Si 上生长SiO2薄膜的复合层结构(Si02/Si )，并且，该衬底100为红外透明材料，也即红外线可以穿透该衬底，优选地，5微米以上的中红外线以及远红外线能穿透该衬底。但是衬底100 的具体类型不受本专利技术实施例限制。沟道层110在该专利技术中具体地为石墨烯，并且其是包括两层或两层以上石墨的石墨烯，优选地，石墨烯沟道层110为2至10层石墨的石墨烯。 Frank Schwierz 等人在《Nature Nanotechnology》杂志的 2010 年、第 5 期第 487-496 页的名称为“Graphene transistor”的文章中报道了石墨烯在双层化后出现最大约250meV (毫电子伏)的禁带宽度，由此可知，该石墨烯110具有半导体特性，其在栅端150的电压Vg的调制下，可以形成载流子沟道。源端130和漏端140分别形成与石墨烯沟道层110的两端，其均与沟道110形成电性连接。源端130和漏端140的具体材料不是限制性的，例如，其可以为Pd、TiN, Pt或Cu 等。另外，石墨烯沟道层110上构图形成栅介质层120，栅介质层120上构图形成栅端150。 因此，在源端130和漏端140之间偏置电压信号Vsd后，通过栅端150上偏置电压信号Vg 的变化，可以调制石墨烯沟道层110中载流子浓度的变化，实现对沟道电流Ids的调制，从而GEFT 10具有场效应晶体管特性。同时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（１）提供红外线可穿透的衬底；（２）化学气相淀积石墨烯形成石墨烯沟道层；（３）在所述石墨烯沟道层上构图形成栅介质层；以及（４）在所述栅介质层上构图形成栅端；其中，所述石墨烯沟道层可操作地在红外线辐射下产生光电导效应、以使所述石墨烯场效应晶体管的电学特性发生变化。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)提供红外线可穿透的衬底；(2)化学气相淀积石墨烯形成石墨烯沟道层；(3)在所述石墨烯沟道层上构图形成栅介质层；以及(4)在所述栅介质层上构图形成栅端；其中，所述石墨烯沟道层可操作地在红外线辐射下产生光电导效应、以使所述石墨烯场效应晶体管的电学特性发生变化。2.如权利要求1所述的石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述石墨烯沟道层的石墨层数为2至10层。3.如权利要求1或2所述的石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤 (2)包括以下过程(2a)将所述衬底置于化学气相淀积装置的腔体中，通入Ar/H2混合气体，其中，流量范围为2OOsccm至8OOsccm,压力为8托至9托；(2b)在确保所述腔体内压力为300-500毫托的环境下，通入甲烷与惰性气体，甲烷与惰性气体的气体流量比值范围约是1:2 1:5，甲烷与惰性气体的总流量的范围为280sCCm 至480sccm ；以及(2c)加热到化学气相淀积的温度后，在Ar/H2混合气体环境下按每分钟45-55°C的速率降至室温。4.如权利要求1或2所述的石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述化学气相淀积的温度范围为300°C -400°C。5.如权利要求1或2所述的石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述栅介质层为厚度范围为10埃至100埃的高K介质层。6.如权利要求5所述的石墨烯场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述栅介质层为原子层淀积生长形成的六...

【专利技术属性】
技术研发人员：周鹏，孙清清，吴东平，张卫，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31