[发明专利]基于石墨烯的隧穿场效应管单元、阵列及其形成方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种场效应管，特别是涉及一种基于石墨烯的隧穿场效应管单元、阵列及其形成方法。

背景技术

自从2004年曼彻斯特大学的Novoselov和Geim小组发现了单层石墨以来[K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,and A.A.Firsov,Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films,Science306,666(2004)]，石墨烯的研究引起了人们的广泛关注。石墨烯具有其他碳家族成员所不具备的独特的物理特性，如反常整数量子霍尔效应，本征石墨烯的有限电导，以及普适光电导等。利用这些有趣的物理特性，石墨烯可以用于新型晶体管器件的设计。

由于平面结构的单层石墨能够很容易地进行操纵与裁剪，并且与现有的大规模集成电路工艺技术有很高的兼容性，人们有望把未来的“芯片”刻蚀到石墨片上，这也使得石墨烯成为目前理论和实验研究的热门对象。通过控制切割的方向和裁剪的尺度，石墨烯纳米带的边界可以裁剪成折线（zigzag）状或者扶椅（armchair）状等，从而改变石墨带的电子能带结构和电学性质。利用这些新奇的物理特性，人们可以研制出一些新型的纳米量子器件。可以说，石墨烯以及石墨烯纳米带的研究是当今科学技术研究的一个重要发展方向，他们将在基于石墨烯的器件研制方面得到广泛应用。

通常以石墨烯为沟道材料的场效应管中，由于石墨烯的能带结构中没有带隙，其开关比在室温下很难超过100。该比例虽然足够保证石墨烯在高频模拟器件中的应用，但无法将其应用到数字集成电路中。如果要在石墨烯材料中引入带隙，必须将其加工到宽度小于10nm的纳米带。此时才有可能在石墨烯场效应管中获得较高的开关比。目前，将石墨烯加工到10nm以下通常有来自于高精度电子光刻工艺，基于衬底结构的自组装技术，石墨烯的各项异性控制刻蚀技术，碳纳米管的轴向剖解技术等多种方法。以上工艺方法不但非常复杂而且无法保持石墨烯结构完整及其器件的一致性，更重要的是其无法实现大规模器件集成。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管单元、阵列及其形成方法，用于解决现有技术中石墨烯场效应管的开关比低级难以实现大规模集成应用的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管单元，所述基于石墨烯的隧穿场效应管单元至少包括衬底；所述衬底上自下而上依次包括底栅电极、第一电介质层、底层石墨烯、绝缘阻挡层、顶层石墨烯、第二电介质层及顶栅电极；所述底层石墨烯及所述顶层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm。

可选地，所述绝缘阻挡层为少层六角氮化硼薄膜或二硫化钼薄膜；所述少层六角氮化硼薄膜的厚度范围是1～2nm；所述二硫化钼薄膜的厚度范围是1～2nm。

可选地，所述第一电介质层及第二电介质层为厚层六角氮化硼薄膜或氧化铝薄膜；所述厚层六角氮化硼薄膜的厚度范围是20～50nm；所述氧化铝薄膜的厚度范围是10～40nm。

本发明还提供一种基于石墨烯的隧穿场效应管阵列，所述基于石墨烯的隧穿场效应管阵列包括：

衬底；

至少两个纵向平行排列的底栅电极，形成于所述衬底上；

第一电介质层，形成于所述衬底上并覆盖所述底栅电极中间部分，所述底栅电极两端接触部分露出；

至少两个纵向平行排列的底层石墨烯，所述底层石墨烯中间部分形成于所述第一电介质层上且正对所述底栅电极；所述底层石墨烯的两端接触部分形成于所述衬底上且不与所述底栅电极两端接触；所述底层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；

绝缘阻挡层，形成于所述第一电介质层上并覆盖所述底层石墨烯中间部分，所述底层石墨烯两端接触部分及所述底栅电极两端接触部分露出；

至少两个横向平行排列的顶层石墨烯，所述顶层石墨烯中间部分形成于所述绝缘阻挡层上，所述顶层石墨烯两端接触部分形成于所述衬底上；所述顶层石墨烯为带状石墨烯或石墨烯纳米带；所述带状石墨烯的宽度大于100nm；所述石墨烯纳米带的宽度范围为1～100nm；