[發明專利]一種多層雙柵石墨烯場效應的晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 201310148699.1
• 申請日: 2013-04-25
• 公開（公告）號: CN103208524A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 馬中發;張鵬;吳勇;莊奕琪;肖鄭操;趙鈺迪;郭超;馮元博
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L21/336
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明涉及一種場效應晶體管器件及其制備工藝，具體涉及一種以石墨烯為溝道材料的場效應晶體管器件及其制備工藝。

背景技術

石墨烯是被認為是擁有巨大潛力的新型場效應晶體管溝道材料。石墨烯是碳原子以六方晶格形成二維薄膜材料，其中各碳原子之間以sp²雜化形成的σ鍵相連接。石墨烯具有非常優異的電學性能，其中載流子低溫本征遷移率高達200000cm²/Vs。目前，制造出的石墨烯場效應晶體管的遷移率在3000cm²/Vs到10000cm²/Vs左右，截止頻率達到100GHz。但由于材料本身缺陷以及各種散射機制的影響，石墨烯中載流子遷移率還遠未達到其本征值，因此石墨烯的高頻特性還有進一步提升的空間。

此外，石墨烯很薄，其自身的熱容很小，因此現有的單溝道石墨烯場效應晶體管可承受的漏源電流很小，限制了石墨烯場效應晶體管在大功率器件中的應用。

發明內容

鑒于現有技術的不足，本發明提出了一種新型的多層雙柵石墨烯場效應晶體管結構及其制備方法。該器件在不增加器件面積的情況下，通過將多個雙柵石墨烯場效應晶體管器件堆疊在一起，并將所有堆疊器件單元的源極、柵極以及漏極并聯在一起，形成一個具有多溝道的石墨烯場效應晶體管器件。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種多層雙柵石墨烯場效應的晶體管，包括六方氮化硼作襯底，源電極，漏電極，所述晶體管還包括：

底柵金屬電極，淀積在所述襯底上；

背柵介質，設置在所述背柵金屬電極上；

單層石墨烯，設置在所述背柵介質上；

頂柵介質，設置在所述單層石墨烯上；

頂柵金屬電極，設置在所述頂柵介質之上；

將所述底柵金屬電極與所述頂柵金屬電極連接，其中，多層以上所述晶體管結構時，將每一層所述晶體管并聯，將每一層所述晶體管的源、漏電極分別并聯。

作為一種優選的方案，所述背柵金屬電極為厚度10nm的Ti和在其基礎上的厚度40nm的Au薄膜。

作為一種優選的方案，所述源電極或漏電極為厚度10nm的Cr和在其基礎上的厚度50nm的Au薄膜。

一種制備上述多層晶體管的方法，包括以下步驟：

（1）利用電子束光刻以及電子束蒸發回流工藝在所述襯底上淀積所述底柵金屬電極；

（2）用CVD法生長h-BN薄膜轉移到所述背柵金屬電極上，作為背柵介質；

（3）將通過外延法在SiC襯底上生長的所述單層石墨烯轉移所述背柵介質上；

（4）利用電子束光刻以及金屬蒸發回流工藝淀積所述源電極和漏電極；

（5）再利用機械剝離法將h-BN轉移到所述單層石墨烯薄膜上，作為頂柵介質；

（6）利用電子束光刻以及電子束蒸發回流工藝淀積頂柵金屬電極，到此，第一層石墨烯場效應晶體管制備完成；

（7）在第一層頂柵電極的上方，再轉移一層h-BN，作為第二層所述晶體管的底柵介質；

（8）再將通過外延法在SiC襯底上生長的單層石墨烯薄膜轉移到h-BN介質上，作為第二層石墨烯FET的溝道材料；

（9）重復步驟（4）～（8），制作第二層和第三層的石墨烯場效應晶體管；

（10）多層晶體管制造完成后，將多層晶體管放置在石英管爐中進行退火，并通入氬氣，所述氬氣速率為0.7Sccm/s，在300℃下退火2小時；

（11）所述多層晶體管制作完成后，用鋁互連線將每一層石墨烯場效應晶體管的頂柵和底柵電極相連，之后將所有的柵并聯，再將每一層石墨烯場效應晶體管的源和漏分別并聯。

需要說明的是，所述多層晶體管層數為2～10000層。

本發明有益效果在于，該器件利用h-BN作為頂柵和底柵介質，由于h-BN是一種二維平面材料，且表面懸掛鍵和陷阱電荷非常少，因此能夠提高石墨烯溝道載流子的遷移率。這種多層雙柵的石墨烯場效應晶體管具有更大的漏源電流承受能力和更高的截止頻率，在高頻大功率器件領域有廣泛應用。

附圖說明

圖1為本發明的多層雙柵石墨烯場效應晶體管結構示意圖；

圖2為本發明晶體管器件的直流I-V特性曲線；

圖3為本發明晶體管器件的高頻特性曲線。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明作進一步的描述。

如圖1所示，為本發明一種多層雙柵石墨烯場效應的晶體管，包括六方氮化硼作襯底，源電極，漏電極，所述晶體管還包括：