[發明專利]一種碳納米管-石墨烯共價異質結隧穿場效應晶體管

有效

• 申請號: 202110068578.0
• 申請日: 2021-01-19
• 公開（公告）號: CN112909092B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 周文利;朱宇;程麗;龔清峰;莊嚴
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/06;H01L29/16;H01L29/165;H01L21/336
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種碳納米管?石墨烯共價異質結隧穿場效應晶體管，屬于隧穿場效應晶體管技術領域，包括：柵區，源區，漏區，溝道區；所述溝道區包括沿源區至漏區方向依次排布的溝道一段、溝道二段和溝道三段；所述溝道一段和溝道三段均為彎曲的zigzag型石墨烯納米帶，所述溝道二段為碳納米管；所述源區與漏區均為armchair型石墨烯納米帶；所述源區、漏區以及溝道區組成石墨烯?碳納米管共價異質結。如此，在隧穿晶體管處于開態時，armchair型石墨烯(源區)中電子能夠通過無帶隙的zigzag型石墨烯直接輸運到碳納米管(溝道)；此時，碳納米管溝道與armchair型石墨烯之間不存在隧穿勢壘，電子從源區輸運到溝道的幾率大大增加，隧穿晶體管器件的開態飽和電流增加一個量級。

技術領域

本發明屬于隧穿場效應晶體管技術領域，更具體地，涉及一種碳納米管-石墨烯共價異質結隧穿場效應晶體管。

背景技術

碳納米管(CNT)是一種有著獨特結構的一維納米材料，由于其超小尺寸、高遷移率、高飽和速度和長平均自由程等顯著優點而被認為是后摩爾時代最有潛力替代硅作為晶體管溝道的納米材料之一。目前，碳納米管作為溝道材料而廣泛用于場效應晶體管領域。2019年，北京大學彭練矛課題組成功制備了5nm工藝節點下的碳納米管金屬氧化物半導體場效應晶體管(CNT MOSFET)。

隨著CNT MOSFET的尺寸逐漸減小，CNT MOSFET的短溝道效應和量子效應問題變得日趨嚴重。在室溫下，CNT MOSFET的亞閾值擺幅所能達到的最小極限是60mV/dec。為了解決CNT MOSFET所面臨的問題，近些年逐漸發展出了一種碳納米管隧穿場效應晶體管(CNTTFET)，它是基于帶間隧穿的量子效應而非電子和空穴的熱注入效應工作的，因此其亞閾值擺幅可以突破60mV/dec的限制。CNT TFET從而成為一種具有超陡亞閾值斜率和更低亞閾值擺幅的低功耗器件。

然而，CNT TFET是基于能帶間載流子的量子隧穿實現載流子輸運，其開態飽和電流偏小，驅動能力較弱，這將會給由CNT TFET器件構成的電路帶來極大的延遲，不利于大規模集成，導致其應用受到很大的局限。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種碳納米管-石墨烯共價異質結隧穿場效應晶體管，其目的在于解決現有碳納米管隧穿場效應晶體管開態飽和電流偏小，驅動能力較弱的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種碳納米管-石墨烯共價異質結隧穿場效應晶體管，包括柵區、源區、漏區和溝道區；

所述溝道區包括沿源區至漏區方向依次排布的溝道一段、溝道二段和溝道三段；所述溝道一段和溝道三段均為彎曲的zigzag型石墨烯納米帶；所述溝道二段為碳納米管；

所述源區與漏區均為armchair型石墨烯納米帶；

所述源區、漏區以及溝道區組成石墨烯-碳納米管共價異質結。

進一步地，所述柵區包括：頂柵電極、底柵電極、頂柵氧化層和底柵氧化層；

所述源區、漏區和溝道區位于所述頂柵氧化層及底柵氧化層之間；

所述底柵電極位于所述底柵氧化層下方，所述頂柵電極位于所述頂柵氧化層上方，且所述頂柵電極和底柵電極在長度方向上均與所述溝道區對齊。

進一步地，所述頂柵電極和底柵電極采用多晶硅材料或過渡金屬材料。

進一步地，所述頂柵氧化層和底柵氧化層采用SiO₂、Si₃N₄、Y₂O₃或HfO₂等氧化物介電材料中的一種或多種，厚度為0.5～4.0nm。

進一步地，所述armchair型石墨烯納米帶為有帶隙的單層石墨烯納米帶。