[发明专利]石墨烯场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及新型电子器件，特别涉及以石墨烯场效应晶体管，属于电子器件和石墨烯技术领域。 

背景技术

石墨烯作为电极材料已经用于电子器件领域，例如触摸屏和光电池的透明导电电极等。在人们寄予最大希望的有源电子器件方面，特别是场效应薄膜晶体管领域，虽然开展了广泛深入的研究，但实质性进展不大。到目前为止，改善措施主要是对绝缘层和石墨烯层进行处理。在绝缘层方面，主要是采用具有非极化表面的绝缘层，具体方法为采用六方结构的氮化硼薄膜为绝缘层，或用有机材料对二氧化硅表面进行非极化修饰处理等。对石墨烯层进行处理的方法主要包括采用氢化、氧化或氟化等钝化方法减少石墨烯的载流子浓度，降低沟道的导电率，以提高器件的源漏电压。此外，在石墨烯层上下两侧分别设置绝缘层和栅极，也可以增大石墨烯场效应器件的开关比（接近10）。所述的这些措施，虽有一定的效果，但并不能根本解决问题，而且有些方法还带来相当严重的负面影响。

理想状态下的石墨烯实际带隙为零，具备非常高的迁移率和载流子浓度，单层石墨烯的面电阻只有百欧姆量级，强行用于场效应晶体管中，源漏电压只能施加0.1伏特左右，而栅极电压却高达数十伏特，加之输出特性完全是线性的，这些特性与数字电路的要求完全背离。即使用于模拟器件，高导电性和非线性也导致器件效率太低，需要一定程度的钝化降低其导电性。钝化又能导致迁移率明显下降，与常规半导体器件相比，优势并不大，而工艺难度却很大。

石墨烯存在的上述矛盾实际是无法完全克服的，用石墨烯作有源层的半导体场效应器件很难超过已有半导体器件的性能，取代硅用于大规模集成电路，其难度更是可想而之了。

本发明完全基于全新的原理，利用石墨烯的超薄结构，实现一种高性能薄膜晶体管。

发明内容

本发明提出一种新型石墨烯场效应晶体管结构，技术方案如下所述。

石墨烯场效应晶体管，基本结构包括栅极、源极、漏极、绝缘层和有源层，其特征在于，所述的有源层由经过钝化处理后具有绝缘体或半导体特性的石墨烯和其它半导体材料复合而成，石墨烯的主要功能是在绝缘层表面与石墨烯之间形成高迁移率沟道，而其它半导体材料的功能与在普通半导体场效应管中相似。施加栅压时，载流子穿过石墨烯层，在石墨烯与绝缘层之间形成导电沟道。绝缘层和石墨烯层的设置保证两层之间周期性势场很弱，即绝缘层表面基本没有悬挂键，石墨烯表面基本没有共价键，导致载流子在该导电沟道中具有高迁移率。

所述的石墨烯场效应晶体管，包括底栅和顶栅两种结构，底栅结构如图1、图2和图3所示。衬底11上首先设置栅极12，栅极之上设置绝缘层13，绝缘层上设置钝化石墨烯层16，再设置其它半导体层17。源极14和漏极15可以设置在石墨烯层之下（图1），也可以设置在石墨烯层之上（图2），还可以设置在半导体层之上（图3），半导体层之上可以设置保护层18。

顶栅结构如图4、图5、图6所示，在衬底21上首先沉积半导体材料层27，然后设置钝化石墨烯层26。源极24和漏极25可以设置在石墨烯之上(图4)，亦可以设置在石墨烯之下（图5），还可以设置在半导体层之下（图6）；石墨烯层上设置绝缘层23和栅极22。

如图7所示，顶栅结构中，也可以用衬底31本身作为半导体材料，在其上设置钝化石墨烯层36。源极34和漏极35可设置在石墨烯层之上（图7），也可以设置在其下（图8）；在石墨烯层之上制备绝缘层33和栅极32。

所述的其它半导体材料范围极宽，包括已知的各类半导体材料。半导体材料的带隙宽度有较大的选择范围，结晶和不结晶的半导体材料也都在可选范围内，这就可以构成各种不同要求的器件，如高压、高频、高速器件，以及各种敏感器件等。

所述的绝缘层由单层或多层薄膜构成，为了保证绝缘层表面基本没有悬挂键，单层结构的绝缘层或多层结构的绝缘层中与石墨烯相邻的一层采用基本没有悬挂键的材料。这里所述的基本没有悬挂键的材料包括111晶面取向的立方晶体结构的铪和锆的二元或三元氧化物，即氧化铪、氧化锆、氧化锆铪，还包括111晶面取向的立方晶体结构的镁、钙、锶、钡、锌、镉的二元或三元氟化物。所述镁、钙、锶、钡、锌、镉的三元氟化物中，特别包括氟化锶钡，其中锶和钡的原子数目比为1：1。

所述的镁、钙、锶、钡、锌、镉的三元氟化物中，金属原子的化学配置保证氟原子间距等于0.423纳米，相对误差应在1%以内，这样的结构能够与石墨烯实现晶格匹配。