[发明专利]低功耗薄背栅石墨烯场效应晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳电子元器件技术领域，涉及一种低功耗薄背栅石墨烯场效应晶体管的制备方法。 

背景技术

场效应晶体管（FET）是微处理器和半导体存储器等超大规模集成电路中最重要的器件。FET通过栅源电压（V_gs）来控制沟道的电导率，从而达到控制输出电流（I_ds）大小的目的。FET作为高速响应的器件，必须对变化的栅源电压响应速度要快，因此需要具备较小的栅极和导电沟道具有高载流子迁移率。 

2004年凝聚态物理学家发现一种在室温下只有几个原子层厚的石墨烯，这种材料是由碳原子以sp² 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，其厚度只有0.34nm，结构非常稳定。石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有优异的电学性能，其载流子迁移率可以高达2×10⁵cm²/Vs，是目前硅材料载流子迁移率的10 倍左右，并具有常温量子霍尔效应等物理性质，这种新型材料在电子器件领域得到关注，目前，已成功制造出石墨烯场效应晶体管。 

数字逻辑电路的发展关键在于制造出尺寸更小、功耗更低、响应更快的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）。根据摩尔定律，每18~24个月集成电路的晶体管密度提高一倍、工作频率提高一倍，然而功耗也提高不止一倍， 这成为摩尔定律最大的瓶颈，因此设计制造出超低功耗的纳电子元器件是当今亟待解决的问题。而目前常见的背栅石墨烯场效应晶体管都是以300nm厚的SiO₂作为栅介质层，其输入电压较大，功耗也较大。 

在微细加工技术中，反应离子刻蚀（RIE） 是利用高频电场下气体辉光放电产生的离子轰击的物理效应和活性粒子的化学效应相结合来实现加工目的的一种技术。它具有较高的刻蚀速率，良好的方向性的选择性，能刻蚀精细结构的图形，是加工微电子器件的理想方法。 

发明内容

本发明的目的是为了克服目前常见的背栅石墨烯场效应晶体管输入电压较大、功耗较大的缺陷，利用反应离子刻蚀技术制备出薄背栅石墨烯场效应晶体管，在不降低其性能的情况下降低输入电压，降低功耗。 

本发明的技术方案是采用以下步骤：（1）在n型Si衬底的表面热生长SiO₂介质层；（2）对SiO₂介质层进行光刻，显影后用反应离子刻蚀SiO₂介质层，形成沟槽；（3）转移石墨烯到刻蚀后的SiO₂介质层上，形成石墨烯沟道；（4）在石墨烯沟道表面依次溅射5 nm 厚的TiW合金和100 nm厚 的Au，再进行光刻，显影后，腐蚀TiW/Au形成线型Au连线和Au 电极片，构成源极电极和漏极电极，制备出栅氧为10 nm厚的薄背栅石墨烯场效应晶体管。 

本发明采用传统的SiO₂作为背栅介质，通过反应离子刻蚀技术将传统的300nm厚的SiO₂刻蚀到10nm，制备出薄栅石墨烯场效应晶体管，其栅控电压范围由-150~150 V降低到 -4V~4V，而其载流子浓度、电导率、开关比等参数并未降低，大大地降低了器件的功耗，而且其性能表现优异，有效地实现了低功耗、高性能的目的。本发明可促进低功耗微纳电子器件的发展。 

附图说明

图1是在n-Si 基表面热生长300 nm厚 的SiO₂示意图； 

图2 是反应离子刻蚀技术刻蚀SiO₂形成沟槽示意图；

图3是转移石墨烯后的结构示意图；

图4是溅射电极后的结构示意图；

图5是 300nm厚FET的转移特性曲线；

图6 是本发明所制备的10nm薄栅FET的转移特性曲线；

图中：1—n型Si衬底；2—SiO₂介质层；3—沟槽；4—石墨烯沟道；5—源极电极；6—漏极电极；b—沟槽的宽度。

具体实施方式

当场效应晶体管的栅氧为300 nm时，其转移特性所需的栅压范围在-150~150 V 左右， 跨度非常大，不适合一般的微纳电子器件的功率消耗。对于基于石墨烯场效应晶体管的传感器，希望输入电压控制在5 V 范围内，这样有利于便携式石墨烯器件的应用。为了保证石墨烯场效应晶体管的性能，在减少栅压时能够提供足够的电流驱动，有必要减小栅氧的厚度，因此采用反应离子刻蚀技术来获得薄的栅氧。