[发明专利]凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体管加工制备技术，具体是一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法。

背景技术

石墨烯（Graphene），又称单层石墨，是一种由碳原子以sp₂杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是目前世界上公认的最薄也是最坚硬的纳米级材料，几乎透明，导热系数高，高于纳米碳管和金刚石，室温下，石墨烯的电子传递速度比任何已知导体都快，而电阻率比铜或银更低。由于以上突出的特性，石墨烯是未来电气电子航空航天领域的新一代突破性材料。

在现代通信领域，面临以下难题：电子设备体积庞大，重量重，能耗高，运行速度慢，发热量高，抗干扰能力差等。随着电子科学的发展以及人们需求的不断提升，硅系材料的缺点也不断涌现出来，电子传导慢，发热量大，体积大，直接制约着现代电子领域的发展。由于石墨烯奇特的电学性质，使得它具有较高的载流子迁移率等。在不久的将来石墨烯将代替硅材料，成为下一代半导体材料。2011年4月，IBM公司展示了其研究的截止频率为155GHz的石墨烯晶体管，这是IBM迄今为止生产的最小的晶体管，选通脉冲宽度降到了40纳米。日本东北大学宣布，其研究人员畠山力三教授及其助教加藤俊显开发出了沟道层使用新型碳材料——石墨烯晶体管，导通/截止比达到10⁴以上。常温下其电子迁移率超过15000 cm²/（V·s），但是由于衬底和沉积在石墨烯上的栅介质层的影响，现在制备的石墨烯晶体管其电子迁移率远低于该值，限制了石墨烯晶体管的各项性能的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，以解决石墨烯沟道与衬底和栅介质层直接接触带来的性能降低的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种凹槽结构的悬空石墨烯沟道晶体管的制备方法，包括如下步骤：

1）取衬底，在衬底上表面刻蚀有凹槽（通过光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀等工艺，这些工艺都是本领域技术人员所熟知并能够实现的），凹槽个数为单个或者多个，当凹槽个数为多个时，相邻两个凹槽的间距为5nm-5um，并且在多个凹槽的同一端还刻蚀有一个将多个凹槽连通的连通槽；其中，所述的衬底材料为SiO₂、SiO₂/Si、石英或塑料；

2）在衬底上的凹槽槽底和连通槽槽底淀积一层导电材料作为栅电极，在凹槽槽底的栅电极上再淀积一层栅介质；其中，所述的导电材料为金属、半导体或聚合物材料（如聚苯胺、聚吡咯、TTF-TCNQ、TTF-TNAF等聚合物材料），所述的栅介质为SiO₂、Si₃N₄、Ta₂O₅、Pr₂O₃、HfO₂、Al₂O₃或ZrO₂；

3）在衬底上表面转移一层完全覆盖凹槽的石墨烯薄膜（石墨烯材料可以是机械剥离、CVD或热分解等方法制备，这些方法都是本领域技术人员所熟知并能够实现的，例如：将生长在铜箔上或者其他衬底上的石墨烯薄膜表面涂覆一层PMMA即聚甲基丙烯酸甲酯，通过化学腐蚀去除衬底材料，然后将附在PMMA上的石墨烯薄膜转移到具有凹槽结构的衬底上，通过有机清洗去除PMMA），凹槽内的栅介质和石墨烯薄膜之间有空气间隔（即石墨烯沟道是悬空在栅极上面的，未与衬底或栅介质层直接接触）；

4）在石墨烯薄膜上位于凹槽两侧的位置各淀积一层导电材料，一侧作为源极、另一侧作为漏极；其中，所述的导电材料为金属、半导体或聚合物材料。

进一步地，凹槽的宽度小于2um、深度为50nm~100μm，栅电极层厚度为30nm~30μm，栅介质厚度为1nm~20μm，这些尺寸设置都是工艺上可以实现的参数范围，理论上栅介质越薄越好，但是过薄会容易击穿，所以通过不断试验得到栅介质厚度为1nm~20μm为宜。所述的石墨烯薄膜为单层或多层，单层石墨烯薄膜的电场调制效果最好，但是多层也可以实现电场调整，现在由于石墨烯薄膜制备工艺不成熟，多数石墨烯材料都是多层。。

本发明通过在衬底上制备凹槽结构使石墨烯导电沟道与衬底之间分离，避免了石墨烯薄膜与衬底直接接触导致的电学特性降低，进一步提高石墨烯晶体管的特征频率。

附图说明

图1为一个凹槽结构（单栅凹槽结构）的本发明晶体管制作步骤1）的示意图。