[發明專利]一種雙材料柵線性摻雜的石墨烯場效應管

有效

• 申請號: 201310141991.0
• 申請日: 2013-04-22
• 公開（公告）號: CN103247688A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 王偉;王燕;閆帥軍
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/49;H01L29/36
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發明涉及石墨烯場效應管領域，尤其是涉及到石墨烯場效應管的異質柵結構。

背景技術

近年來，石墨烯(Graphene)的出現在科學界激起了巨大的波瀾，由于自身的優越性質而被認為是未來最有發展潛力的碳納米材料之一。石墨烯具有很高的電子遷移率和高導電性，利用石墨烯制作的晶體管不僅體積小、功耗低、對工作環境的要求低，并且易于設計成各種結構。然而，由于石墨烯是零帶隙材料，其費米能是呈線性分布的，因此它并不適合直接應用到晶體管中。不過可以將石墨烯按照一定方向切割成條帶的方法來產生帶隙[HAN?M?Y,OZYILMAZ?B,KIM?P,et?al.Energy?band-gap?engineering?of?graphene?nanoribbons[J].Phys?Rev?Lett,2007,98(20):206-805.]，并可以通過條帶的寬度來控制帶隙的大小(帶隙的大小與條帶寬度成反比)。

從溝道工程的角度上看，將GNR(石墨烯條帶)作為溝道材料制成的場效應管具有較硅基MOS管更優越的器件性能和尺寸縮小前景，因而石墨烯條帶場效應管(GNRFET)被認為是構建未來納電子系統中最具潛力的基本元件。盡管如此，由于A-GNRs(ArmchairGNR)的帶隙依條帶寬度的不同而不同，因此以不同尺寸GNR作為溝道的GNRFETs，其應用領域也有很大差異。研究表明，條帶寬度為10～15nm的GNRFET開關電流比僅為10左右，完全達不到數字電路的要求，但其具有很高的截止頻率(截止頻率可達THZ)，因此十分適用于高頻/RF模塊的低增益基本元件中，如低噪聲放大器[LIN?Y?M,ALBERTO?V?G,HAN?S?J,et?al.Wafer-Scale?graphene?integrated?circuit[J].Science,2011,332(6035):1294-1297.]，目前，IBM已研制出運行速度最快的石墨烯晶體管，其截止頻率可達100GHZ，并且已研制出首款由石墨烯原片制成的集成電路[YOON?Y,FIORI?G,HONG?S,et?al.Performance?comparison?of?graphene?nanoribbon?FETs?with?Schottky?contacts?and?doped?reservoirs[J].IEEE?Trans?Electron?Devices,2008,55(9):2314–2323.]。另一方面，為了獲得足夠的開關電流比以適合數字應用，需要減小GNR寬度以增加帶隙，已有實驗數據表明，窄帶GNRFETs(條帶寬度約為2±0.5nm)在V_DS=0.5V時，開態電流密度約為2000μA/μm，電流開關比達106[WANGX.,OUYANGY,LI?X,et?al.Room-temperature?all-semiconducting?sub-10-nm?graphene?nanoribbon?field-effect?transistors[J].Phys.Rev.Lett,2008,100(20):206803-206807.]。

根據石墨烯與器件源漏端電極的接觸類型的不同，石墨烯晶體管可以分為類MOS石墨烯納米條帶場效應管(C-GNRFETs)和肖特基勢壘石墨烯納米條帶場效應管(SB-GNRFETs)，其中C-GNRFETs一般是通過在器件源漏區進行重摻雜，使得GNR與源漏電極間形成歐姆接觸從而實現類似MOSFET的結構，而SB-GNRFETs是通過直接將本征石墨烯納米條帶與金屬電極接觸形成肖特基勢壘，與C-GNRFETs不同的是，在SB-GNRFETs中，電流的形成是載流子隧穿通過源漏端的肖特基勢壘而產生的，而柵壓的改變能夠引起該勢壘的變化，進而引起相應隧穿電流的大小，由于導體中同時存在電子和空穴的作用，SB-GNRFETs會表現出明顯的雙極性特性，從而大大降低器件性能。在對兩類器件電流特性的對比分析中表明，源漏區摻雜的C-GNRFET擁有比SB-GNRFET更好的器件性能、更高的開關電流比和截止頻率[YOON?Y,FIORI?G,HONG?S,et?al.Performance?comparison?of?graphene?nanoribbon?FETs?with?Schottky?contacts?and?doped?reservoirs[J].IEEE?Trans?Electron?Devices,2008,55(9):2314–2323.]。

發明內容