[发明专利]一种双材料栅线性掺杂的石墨烯场效应管

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯场效应管领域，尤其是涉及到石墨烯场效应管的异质栅结构。

背景技术

近年来，石墨烯(Graphene)的出现在科学界激起了巨大的波澜，由于自身的优越性质而被认为是未来最有发展潜力的碳纳米材料之一。石墨烯具有很高的电子迁移率和高导电性，利用石墨烯制作的晶体管不仅体积小、功耗低、对工作环境的要求低，并且易于设计成各种结构。然而，由于石墨烯是零带隙材料，其费米能是呈线性分布的，因此它并不适合直接应用到晶体管中。不过可以将石墨烯按照一定方向切割成条带的方法来产生带隙[HAN M Y,OZYILMAZ B,KIM P,et al.Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons[J].Phys Rev Lett,2007,98(20):206-805.]，并可以通过条带的宽度来控制带隙的大小(带隙的大小与条带宽度成反比)。

从沟道工程的角度上看，将GNR(石墨烯条带)作为沟道材料制成的场效应管具有较硅基MOS管更优越的器件性能和尺寸缩小前景，因而石墨烯条带场效应管(GNRFET)被认为是构建未来纳电子系统中最具潜力的基本元件。尽管如此，由于A-GNRs(ArmchairGNR)的带隙依条带宽度的不同而不同，因此以不同尺寸GNR作为沟道的GNRFETs，其应用领域也有很大差异。研究表明，条带宽度为10～15nm的GNRFET开关电流比仅为10左右，完全达不到数字电路的要求，但其具有很高的截止频率(截止频率可达THZ)，因此十分适用于高频/RF模块的低增益基本元件中，如低噪声放大器[LIN Y M,ALBERTO V G,HAN S J,et al.Wafer-Scale graphene integrated circuit[J].Science,2011,332(6035):1294-1297.]，目前，IBM已研制出运行速度最快的石墨烯晶体管，其截止频率可达100GHZ，并且已研制出首款由石墨烯原片制成的集成电路[YOON Y,FIORI G,HONG S,et al.Performance comparison of graphene nanoribbon FETs with Schottky contacts and doped reservoirs[J].IEEE Trans Electron Devices,2008,55(9):2314–2323.]。另一方面，为了获得足够的开关电流比以适合数字应用，需要减小GNR宽度以增加带隙，已有实验数据表明，窄带GNRFETs(条带宽度约为2±0.5nm)在V_DS=0.5V时，开态电流密度约为2000μA/μm，电流开关比达106[WANGX.,OUYANGY,LI X,et al.Room-temperature all-semiconducting sub-10-nm graphene nanoribbon field-effect transistors[J].Phys.Rev.Lett,2008,100(20):206803-206807.]。

根据石墨烯与器件源漏端电极的接触类型的不同，石墨烯晶体管可以分为类MOS石墨烯纳米条带场效应管(C-GNRFETs)和肖特基势垒石墨烯纳米条带场效应管(SB-GNRFETs)，其中C-GNRFETs一般是通过在器件源漏区进行重掺杂，使得GNR与源漏电极间形成欧姆接触从而实现类似MOSFET的结构，而SB-GNRFETs是通过直接将本征石墨烯纳米条带与金属电极接触形成肖特基势垒，与C-GNRFETs不同的是，在SB-GNRFETs中，电流的形成是载流子隧穿通过源漏端的肖特基势垒而产生的，而栅压的改变能够引起该势垒的变化，进而引起相应隧穿电流的大小，由于导体中同时存在电子和空穴的作用，SB-GNRFETs会表现出明显的双极性特性，从而大大降低器件性能。在对两类器件电流特性的对比分析中表明，源漏区掺杂的C-GNRFET拥有比SB-GNRFET更好的器件性能、更高的开关电流比和截止频率[YOON Y,FIORI G,HONG S,et al.Performance comparison of graphene nanoribbon FETs with Schottky contacts and doped reservoirs[J].IEEE Trans Electron Devices,2008,55(9):2314–2323.]。

发明内容