[发明专利]一种旁栅石墨烯场效应晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于集成电路制造领域，涉及半导体器件的设计与加工，特别是一种基于化学气相沉积石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构的制备方法，可用于提高石墨烯器件的生产效率和电学性能。

背景技术

石墨烯是一种新兴的二维材料，其导电类型为双极输运，这为制造石墨烯新型器件提供了可能性。利用石墨烯制作高频场效应晶体管的潜力引起了广泛的研究兴趣。除此以外，由于石墨烯具备高迁移率、高载流子饱和速度、高热导率，所以也被认为是新一代高频电子器件的理想材料。

当前石墨烯制作的场效应晶体管的栅极普遍采用了顶栅、背栅或是两者的结合，这样制作的石墨烯场效应晶体管可以应用于射频、探测以及光通信。然而，背栅对石墨烯的调制是全局的调制，不能做到针对沟道载流子的调制，而且单单应用背栅的场效应晶体管所需栅电压太高、跨导较低。至于顶栅场效应晶体管，制作石墨烯场效应晶体管的顶栅需要预先在石墨烯表明淀积栅介质层，但是石墨烯表面淀积的介质层会导致石墨烯的性质恶化，降低石墨烯的载流子迁移率，不仅如此，顶栅结构还需要考虑栅介质层击穿和石墨烯磁滞效应，因此制作顶栅所需的介质层需要额外的工艺优化。

另一方面，旁栅结构已经在众多量子器件中得到应用，例如单电子器件和量子点器件。旁栅结构既可以调制沟道中的载流子密度，也可以引入可变的电势垒来改变载流子的隧穿几率，从而起到调节电流的作用。具体到石墨烯器件，通过旁栅来调制石墨烯沟道载流子输运，省去了在石墨烯表面沉积栅介质，避免了介质层对石墨烯电学性质的不利影响，因此，旁栅场效应晶体管有希望成为代替背栅-顶栅石墨烯场效应晶体管的一个可行方案。

目前，利用热解SiC制作的旁栅石墨烯场效应晶体管已经证明旁栅结构确实具备控制石墨烯导电沟道输运性质的能力，但目前旁栅单位面积电容只有0.12 μF/cm2-0.16 μF/cm²，低于石墨烯制作的顶栅场效应晶体管（0.74 μF/cm²），这样小的旁栅单位面积电容不利于进一步提高场效应晶体管跨导。更重要的是，目前要达到旁栅结构的最大跨导，需要在源漏电极上施加5 V-8 V的外加驱动电压，过高的电压电流容易破坏作为导电沟道的石墨烯。而且，虽然目前旁栅结构已经被应用于机械剥落制备的石墨烯和SiC热解法制备的石墨烯，但机械剥落法难以获得大面积的石墨烯材料，而SiC热解法制备的石墨烯需要很高的热解温度和昂贵的SiC圆片。与这两者相比，CVD法制备的石墨烯能够更为经济的达到晶圆级，石墨烯单晶筹面积已经达到厘米级别，因此也更适合大规模器件制造。所以，探索兼容CVD法制备石墨烯的旁栅场效应晶体管制作工艺尤为必要。

本发明针对现有石墨烯背栅、顶栅场效应晶体管的不足，结合CVD制备石墨烯的优势，提出一种基于CVD石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构，属于新型半导体器件制造的关键技术，涉及物理、化学、半导体制造和半导体器件研究等诸多领域。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有结构的不足，提供一种基于CVD石墨烯的旁栅石墨烯场效应晶体管结构，以提高石墨烯场效应晶体管的生产效率和电学性能。

实现本发明目的技术关键是：使用铜箔上CVD生长的均匀大面积石墨烯，淀积有高k介质的衬底作为转移石墨烯的目标衬底。设计特殊的掩膜版，旁栅与石墨烯晶体管的源漏接触可以在同一步骤中即可完成。

其实现步骤包括如下：

将铜箔放入反应室中，反应室抽真空至气压低于0.01 Pa。向反应室通入流量为1~20sccm 的H2，升高反应室内温度至900~1300℃，对铜箔进行热退火，退火时间为20~60min；

向反应室通入流量为20~200sccm的H2和流量为2~20sccm 的CH4，通过化学气象淀积CVD生长石墨烯10~20min；

在反应室自然降温到室温后，取出生长样品，在石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，形成铜箔—石墨烯—PMMA的叠层结构样品；

对所述铜箔—石墨烯—PMMA的叠层结构样品进行风干，然后使PMMA面朝上漂浮在浓度为50g/L-100g/L的(NH₄)₃(S₂O₄)₂水溶液液面上，通过腐蚀去除掉样品中的最下层铜箔，形成石墨烯—PMMA的叠层样品；