[发明专利]一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法和应用方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法和应用方法，涉及半导体器件技术领域。本发明通过石墨烯导电沟道层的n型掺杂和p型掺杂，可以有效打开石墨烯的带隙，使得石墨烯具有半导体的性质，从而可以形成场效应晶体管，工艺流程简单，相对于现有技术，本发明的石墨烯场效应晶体管可以通过栅电极电压控制沟道的形成与消失，可以实现较高的开关比，提高栅控能力，从而可以制备成具有开关功能的三端器件，实现逻辑电路的通断并降低逻辑电路的静态功耗，在集成电路领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种石墨烯场效应晶体管及该石墨烯场效应晶体管的制备方法和应用方法。

背景技术

目前，集成电路的设计多是基于硅半导体的器件，而随着科技的发展，集成电路领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限，并且对集成电路的性能如速度等提出了更高的要求，需要开发新的具有更高载流子迁移率的材料体系和新的技术手段来进一步延展摩尔定律以及超越硅材料体系，推进集成电路技术的发展。

石墨烯(Graphene)是碳原子以sp²轨道杂化组成六角形蜂巢状晶格的二维平面结构，石墨烯的独特电学特性来源于其特殊的电子能带结构，本征石墨烯具有非常高的载流子迁移率，其值高达2000cm²v^-1s^-1，是目前硅材料载流子迁移率的10倍左右。自从2004年石墨烯被成功研制以来，石墨烯器件的研究取得了巨大进展。由于其较高的载流子迁移率、热导率、饱和速度，以及禁带宽度可调控等优点，同时其薄膜形态与当前的硅平面工艺兼容且能够大规模集成，可能成为超越和取代硅基互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)的新一代半导体材料之一。

石墨烯最有价值的一个应用领域是场效应晶体管。利用石墨烯制作的晶体管不仅体积小、功耗低、对工作环境的要求低，并且易于设计成各种结构。然而，由于石墨烯是零带隙材料，其费米能是呈线性分布的，其能带示意图参阅图1，因此它并不适合直接应用到晶体管中。要想把石墨烯用于场效应晶体管，先要打开其带隙。常用的方法是制备石墨烯纳米带，但是石墨烯纳米带的电学性能易受边缘手性及吸附物质的影响，导致性能不稳定；此外制备石墨烯纳米带的工艺要求较高，这极大地限制了石墨烯纳米带的应用。

现有技术中的石墨烯场效应管(Graphene Field Effect Transistor，GFET)，主要结构为底栅石墨烯场效应管、顶栅石墨烯场效应管、双栅石墨烯场效应管以及悬浮石墨烯场效应管等等。已有的研究中，单层或少层石墨烯自身作为有源层，栅电极上施加电压时，只是改变了载流子在石墨烯中的位置分布，因此产生一定大小的带隙，仅仅导致载流子浓度和迁移率一定程度的改变，因此开关比很小，即使栅极电压高达数十伏特，开关比不会超过3，而且输出特性是线性的，无法有效通过栅电极电压进行逻辑电路的开启或关闭控制，大大影响了器件的性能。

有鉴于此，有必要提供一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法和应用方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯场效应晶体管及其制备方法和应用方法，用以克服现有技术中的石墨烯场效应管无法有效通过栅电极电压进行逻辑电路的开启或关闭控制的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种石墨烯场效应晶体管，包括衬底，所述衬底上设有第一导电区、第二导电区和第三导电区，所述第二导电区位于所述第一导电区与所述第三导电区之间；所述第一导电区和所述第三导电区均由第一导电类型掺杂的石墨烯形成，所述第二导电区由第二导电类型掺杂的石墨烯形成。

进一步地，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型；或者，所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。

进一步地，所述石墨烯的p型掺杂或n型掺杂采用晶格掺杂或吸附掺杂的方法。