[發(fā)明專利]基于石墨烯的隧穿場效應(yīng)管單元、陣列及其形成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310352264.9
• 申請日: 2013-08-13
• 公開（公告）號: CN103400859A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王浩敏;謝紅;吳天如;孫秋娟;王慧山;宋陽曦;劉曉宇;唐述杰;謝曉明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/49;H01L21/336;H01L21/28
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種場效應(yīng)管，特別是涉及一種基于石墨烯的隧穿場效應(yīng)管單元、陣列及其形成方法。

背景技術(shù)

自從2004年曼徹斯特大學(xué)的Novoselov和Geim小組發(fā)現(xiàn)了單層石墨以來[K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,and?A.A.Firsov,Electric?Field?Effect?in?Atomically?Thin?Carbon?Films,Science306,666(2004)]，石墨烯的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。石墨烯具有其他碳家族成員所不具備的獨(dú)特的物理特性，如反常整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，本征石墨烯的有限電導(dǎo)，以及普適光電導(dǎo)等。利用這些有趣的物理特性，石墨烯可以用于新型晶體管器件的設(shè)計(jì)。

由于平面結(jié)構(gòu)的單層石墨能夠很容易地進(jìn)行操縱與裁剪，并且與現(xiàn)有的大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)有很高的兼容性，人們有望把未來的“芯片”刻蝕到石墨片上，這也使得石墨烯成為目前理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱門對象。通過控制切割的方向和裁剪的尺度，石墨烯納米帶的邊界可以裁剪成折線（zigzag）狀或者扶椅（armchair）狀等，從而改變石墨帶的電子能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。利用這些新奇的物理特性，人們可以研制出一些新型的納米量子器件。可以說，石墨烯以及石墨烯納米帶的研究是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究的一個(gè)重要發(fā)展方向，他們將在基于石墨烯的器件研制方面得到廣泛應(yīng)用。

通常以石墨烯為溝道材料的場效應(yīng)管中，由于石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)中沒有帶隙，其開關(guān)比在室溫下很難超過100。該比例雖然足夠保證石墨烯在高頻模擬器件中的應(yīng)用，但無法將其應(yīng)用到數(shù)字集成電路中。如果要在石墨烯材料中引入帶隙，必須將其加工到寬度小于10nm的納米帶。此時(shí)才有可能在石墨烯場效應(yīng)管中獲得較高的開關(guān)比。目前，將石墨烯加工到10nm以下通常有來自于高精度電子光刻工藝，基于襯底結(jié)構(gòu)的自組裝技術(shù)，石墨烯的各項(xiàng)異性控制刻蝕技術(shù)，碳納米管的軸向剖解技術(shù)等多種方法。以上工藝方法不但非常復(fù)雜而且無法保持石墨烯結(jié)構(gòu)完整及其器件的一致性，更重要的是其無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模器件集成。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯的隧穿場效應(yīng)管單元、陣列及其形成方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中石墨烯場效應(yīng)管的開關(guān)比低級難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成應(yīng)用的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于石墨烯的隧穿場效應(yīng)管單元，所述基于石墨烯的隧穿場效應(yīng)管單元至少包括襯底；所述襯底上自下而上依次包括底柵電極、第一電介質(zhì)層、底層石墨烯、絕緣阻擋層、頂層石墨烯、第二電介質(zhì)層及頂柵電極；所述底層石墨烯及所述頂層石墨烯為帶狀石墨烯或石墨烯納米帶；所述帶狀石墨烯的寬度大于100nm；所述石墨烯納米帶的寬度范圍為1～100nm。

可選地，所述絕緣阻擋層為少層六角氮化硼薄膜或二硫化鉬薄膜；所述少層六角氮化硼薄膜的厚度范圍是1～2nm；所述二硫化鉬薄膜的厚度范圍是1～2nm。

可選地，所述第一電介質(zhì)層及第二電介質(zhì)層為厚層六角氮化硼薄膜或氧化鋁薄膜；所述厚層六角氮化硼薄膜的厚度范圍是20～50nm；所述氧化鋁薄膜的厚度范圍是10～40nm。

本發(fā)明還提供一種基于石墨烯的隧穿場效應(yīng)管陣列，所述基于石墨烯的隧穿場效應(yīng)管陣列包括：

襯底；

至少兩個(gè)縱向平行排列的底柵電極，形成于所述襯底上；

第一電介質(zhì)層，形成于所述襯底上并覆蓋所述底柵電極中間部分，所述底柵電極兩端接觸部分露出；

至少兩個(gè)縱向平行排列的底層石墨烯，所述底層石墨烯中間部分形成于所述第一電介質(zhì)層上且正對所述底柵電極；所述底層石墨烯的兩端接觸部分形成于所述襯底上且不與所述底柵電極兩端接觸；所述底層石墨烯為帶狀石墨烯或石墨烯納米帶；所述帶狀石墨烯的寬度大于100nm；所述石墨烯納米帶的寬度范圍為1～100nm；

絕緣阻擋層，形成于所述第一電介質(zhì)層上并覆蓋所述底層石墨烯中間部分，所述底層石墨烯兩端接觸部分及所述底柵電極兩端接觸部分露出；

至少兩個(gè)橫向平行排列的頂層石墨烯，所述頂層石墨烯中間部分形成于所述絕緣阻擋層上，所述頂層石墨烯兩端接觸部分形成于所述襯底上；所述頂層石墨烯為帶狀石墨烯或石墨烯納米帶；所述帶狀石墨烯的寬度大于100nm；所述石墨烯納米帶的寬度范圍為1～100nm；