[发明专利]一种三材料异质栅结构的石墨烯纳米条带场效应管

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯纳米条带场效应管领域，尤其是在石墨烯纳米条带器件的结构对器件性能的优化方面。

背景技术

石墨烯是一种平面结构的材料，它由碳原子通过sp²化学键相连形成蜂窝状排列而构成，是目前发现的唯一一种在室温下保持稳定二维结构的平面材料。目前，硅材料纳米器件几乎达到极限，很难再进一步提升性能。而石墨烯得益于自身所具有的高载流子迁移率，以及优秀的机械特性和热学稳定性，能很好的克服硅材料器件在性能进一步提升时所出现的种种限制，被认为是在未来能取代硅基器件的材料。

对石墨烯在某一特定的方向上以很窄的宽度进行刻蚀，或者进行复制排列，就可以形成石墨烯纳米条带。相比于二维的石墨烯，石墨烯条带打开了较小的带隙，因此电学特性比零带隙的二维石墨烯有了显著的提升。石墨烯条带的电学特性对条带的宽度和边缘的形状十分敏感，可以分为锯齿型石墨烯条带和扶手型石墨烯条带。锯齿型的石墨烯条带，无论条带的宽度是多少，都表现出金属的特性。而扶手型石墨烯条带随着空隙宽度和条带宽度的变化会表现出金属或者半导体的特性。

半导体型的石墨烯纳米条带可以用作场效应管的沟道材料，许多研究表明，石墨烯纳米条带场效应管（GNRFET）将成为CMOS器件的有力竞争者。相比于硅基材料，GNRFET在器件内部电子的输运机制近似于弹道输运，GNRFET能获得更高的驱动电流，更快的响应速度，以及功耗的显著下降。

随着器件尺寸的减小，沟道的长度越来越短，短沟道效应（SCE）的出现减弱了器件的栅控能力。双栅的结构能一定程度上提升栅极的控制能力，但并不能抑制短沟道效应。为了提高器件对SCE的抵抗能力，一种异质栅结构被提出。在异质栅场效应管中，两种或是三种具有不同功函数的金属被混合使用构成栅极。与单材料栅相比，异质栅结构能够抑制SCE，提高跨导，提高开关电流比，增强栅控能力。

异质栅的结构对器件在高频和小尺寸下的性能有很大提升。因此，本发明提出了一种三材料异质栅石墨烯纳米条带场效应管结构，以期望这种结构能够显著的抑制短沟道效应和提高器件性能。通过自洽求解非平衡格林函数和三维泊松方程的量子仿真结果表明，本发明不但提高了开关电流比，还同时器件还具有良好的栅控能力。并且通过与其它结构的比较，证明了本发明所提出结构的优势。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对传统的石墨烯纳米条带场效应管会出现双极性效应，且随着器件尺寸不断缩小，会出现短沟道效应而引起器件性能下降问题，考虑了异质栅器件的优点，对栅极采用三种不同功函数的金属，以构成MOS的异质栅，提出一种三材料异质栅结构的石墨烯纳米条带场效应管。

技术方案：目前基于石墨烯纳米条带构建的场效应管仍然处于实验室研究阶段，为揭示纳米尺度下该种结构器件的量子输运特性，本发明基于GNRFET中的电势和电荷密度的自洽计算，利用非平衡格林函数来计算电荷密度，将求出的载流子密度代入到器件三维的泊松（Poisson）方程中自洽求解，构建了适用于改善石墨烯纳米条带场效应管的性能的新型三材料异质栅GNRFET的输运模型，利用该模型比较分析传统的和三材料异质栅石墨烯纳米条带场效应管的亚阈斜率、驱动电流、开关电流比等电学特性。研究结果表明，三材料异质栅器件结构与传统结构相比，具有更低的泄漏电流，更高的电流开关比，更能抑制漏致势垒降低(DIBL)效应，提高器件的亚阈特性。

本发明的三材料异质栅结构的石墨烯纳米条带场效应管包括：导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、源极、漏极、栅极；所述的导电沟道、源区和漏区采用一本征半导体石墨烯纳米条带，其最中间部分作为三材料异质栅结构的石墨烯纳米条带场效应管的导电沟道，对本征半导体石墨烯纳米条带的两端采用分子或金属离子进行N型重掺杂后，分别作为三材料异质栅结构的石墨烯纳米条带场效应管的源区、漏区；在所述的导电沟道、源区和漏区外，采用原子沉积等方法生成一层栅极氧化层，在栅极氧化层外再沉淀一层金属电极，作为三材料异质栅结构的石墨烯纳米条带场效应管的栅极，所述的栅极采用三种不同功函数的导电金属制作，形成三材料异质栅结构的石墨烯纳米条带场效应管的异质栅；在位于源区和漏区之上的栅极氧化层上分别刻蚀一源极引线孔和漏极引线孔，在该源极引线孔内制备所述的源极，在漏极引线孔内制备所述的漏极。

所述的三种不同功函数的导电金属，其功函数分配规则为三种材料的功函数从源区向漏区逐步减小，或是中间功函数最大，靠漏区一侧功函数最小，并且三者等长，均为栅极长度的1/3；所述的源极和漏极均由导电金属制作。