[发明专利]具有局部化底栅和栅极电介质的石墨烯或碳纳米管器件

说明书

政府权利声明

本发明是根据(DARPA)国防高等研究计划署分配的合同号FA8650-08-C-7838在政府的支持下做出的。政府对本发明具有一定权利。

技术领域

本发明涉及晶体管器件，尤其涉及具有基于纳米级材料的沟道（例如，碳纳米管或石墨烯沟道）的晶体管器件以及用于制造该器件的技术。

背景技术

在下一代电子器件中集成碳纳米结构作为沟道材料可以提供优于持续按比例减小硅（Si）的诸多好处。碳纳米管和石墨烯是呈现超出对于Si的理论限制几个数量级的极高电流携带能力和迁移率的碳的两种纳米级形式。此外，碳纳米管（一维）和石墨烯（二维）是低维（极薄主体）材料，允许它们在场效应管内聚集地按比例缩小，而不会引起妨害现代按比例缩小器件的有害的短沟道效应。例如参见J.Appenzeller,Carbon Nanotubes for High-Performance Electronics-Progress and Prospect,Proceedings of the IEEE,vol.96,no.2,pp.201-211(Feb.2008)，其内容通过引用结合在此。

按比例缩小这两种纳米材料中任一种的一个显著挑战是难以在其表面上建立薄、均匀且高质量的电介质。这两种材料的表面都由标称无表面态的强sp²碳键组成。开放表面键的缺乏使其几乎不可能成核或沉积绝缘体，尤其是还要满足按比例缩小的栅极电介质所需的单层精确性的情况下。克服这一障碍的方法迄今为止涉及如下：1)具有非共价单层的碳表面的气相功能化（参见例如D.Farmer et al.,Atomic Layer Deposition on Suspended Single-Walled Carbon Nanotubes via Gas-Phase Noncovalent Functionalization,Nano Letts.,6(4):699-703(2006),其内容通过引用结合在此）；2)用分子包裹碳纳米管（参见例如Y.Lu et al.,DNA Functionalization of Carbon Nanotubes for Ultrathin Atomic Layer Deposition of High k Dielectrics for Nanotube Transistors with60mV/Decade Switching,JACS,vol.128,pp.3518-3519(2006),其内容通过引用结合在此）；3)过生长电介质层以包围碳纳米管（例如参见A.Javey et al.High-k Dielectrics for Advanced Carbon-Nanotube Transistors and Logic Gates,Nature Mater.,vol.1,241-246(2002),其内容通过引用结合在此）；以及4)沉积薄（小于2纳米(nm)）金属并在随后氧化（参见例如S.Kim et al.,Realization of a High Mobility Dual-Gated Graphene Field-Effect Transistor with A1₂O₃Dielectric,Applied Physics Letters,vol.94,pp.062107(2009),其内容通过引用结合在此）。所有这些方法都是通过高k电介质的原子层沉积(ALD)完成的。

前两种方法提供良好的均匀性，并且已经报告了低至约2nm的电介质。然而，业已示出分子层与碳键交互，由此创建引起迁移率大幅受损的散射中心。实际上，由于所有载流子都位于这些纳米结构的表面上，因此载流子强耦合至围绕其沉积的任何材料，从而引起输运性质的劣化。此外，当使用诸如脱氧核糖核酸(DNA)的分子创建围绕碳纳米管的成核层时，均匀性会因为相比于碳纳米管（约1.5nm）较大的分子直径（DNA为4nm）而受到损害。后两种方法并没有提供按比例缩小电介质厚度的方案，即需要从8nm至约15nm的电介质来确保对碳表面的完全覆盖。

因此，会期望避免与在纳米材料的表面上形成薄、均匀且高质量的电介质相关联的上述问题的器件制造技术。

发明内容