[发明专利]类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件和制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种适用于射频通信的类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件和制作方法。

背景技术

自从2004年Novoselov等人报道关于成功制备单程石墨烯、并发现石墨烯中的电场效应后，石墨烯就一直受到广泛的关注和研究(参考：Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films K.S.Novoselov.et al.Science 22 October 2004：306(5696)，666-669.)。石墨烯以其非常高的迁移率和单元层厚度更是得到了半导体器件工程师的青睐。尤其是在高频应用上，石墨烯展示了巨大的潜力，世界各个研究组争相报道石墨烯的高频性能，石墨烯晶体管的截止频率已经达到100G～300G。在文献：Dual Gate Graphene FETs with fT of 50GHz.Y.-M.Lin.et al，IEEE Electron Device Letters 31，68(2010)中，作者通过调节背栅电压减小沟道电阻(Access resistance)，在一定范围提高了器件的截止频率。在文献：Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics.C.R.Dean.et al.Nature Nanotechnology 5，722-726(2010)中，作者首次在单晶氮化硼(h-BN)衬底上制作石墨烯晶体管，以克服石墨烯因衬底二氧化硅的声子散色而造成的载流子迁移率下降。比传统二氧化硅衬底得到高几乎一个数量级的载流子迁移率。单晶氮化硼拥有原子级的光滑表面，几乎没有悬挂键和陷阱电荷，同时拥有高的光学声子模式和大的禁带宽度；因此被认为比较理想的石墨烯衬底材料。在文献：High-frequency，scaled graphene transistors on diamond-like carbon.Y.Wu et al.，Nature 472，74(2011)中，作者提供了在类金刚石非晶碳上制作石墨烯晶体管的方法，并且首次研究了低温下石墨烯晶体管的性能，以及石墨烯晶体管尺寸缩小的潜力。

目前石墨烯晶体管面临的主要技术难点有：1)石墨烯是一个零带隙的材料，如何通过掺杂或者施加外偏压，或者引入应力等技术得到一定的带隙。2)石墨烯和传统的二氧化硅绝缘界面有比较强的声子散射，严重的降低了石墨烯的载流子迁移率，如何生长陷阱电荷少，悬挂键少，声子散射弱的优质绝缘上下界面是提高石墨烯晶体管性能所面临的重要问题。3)石墨烯和金属之间的接触电阻，以及源漏区和栅极之间的未被栅电极覆盖的石墨烯电阻，制约着器件的高频性能和尺寸缩小。如图1A和图1B所示，在长沟道的情况下，栅电极0026和源/漏极0010/0012之间的电容为C_gs，C_gd比较小，为了达到更高的截止频率而减小栅电极长度Lg时，若栅极和源漏极之间的距离为Lgd，Lgs也等比例缩小，C_gs，C_gd却反比例增大，这样会严重制约截止频率的提高。若Lgd ，Lgs保持不变，未被栅电极覆盖的栅源栅漏串之间石墨烯的串联电阻R_{gs_s}，R_{gd_s}会和栅控的石墨烯电阻R可比拟，甚至前者大于后者。因此现有技术的石墨烯晶体管不能做到寄生电容和沟道电阻同时减小。

发明内容

针对上面提到的几个需解决的问题，本发明公开了一种类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件结构和制作方法，通过将石墨烯晶体管的源漏极掩埋在类金刚石非晶碳衬底中，使得即使栅极和源漏极之间的距离为0，甚至小于0，也能保持栅电极和源/漏电极之间的寄生电容不变，从而充分发掘出石墨烯晶体管尺寸缩小的潜力。

实现本发明目的的技术方案是：

一种类金刚石衬底上源漏掩埋型石墨烯晶体管器件，依次至少包括：衬底；位于衬底上的类金刚石非晶碳薄膜；掩埋在所述类金刚石非晶碳薄膜中的源/漏电极；至少覆盖所述源电极和漏电极上方的单层或少数层石墨烯层；淀积于所述石墨烯层上的绝缘介质层；位于所述绝缘介质层上的金属栅电极。

其中所述栅电极和所述源/漏电极分别位于所述石墨烯层的上下两侧，所述源/漏电极与所述栅电极之间的距离或大于零、或等于零、或小于零。