[发明专利]一种基于ALD的石墨烯基热电子晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，涉及一种热电子晶体管及其制备方法，特别是涉及一种基于ALD的石墨烯基热电子晶体管及其制备方法。

背景技术

根据摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。利用尺寸不断减小的硅基半导体材料(硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽)来延长摩尔定律的发展道路已逐渐接近终点。随着微电子领域器件尺寸的不断减小，硅材料逐渐接近其加工的极限。为延长摩尔定律的寿命，国际半导体工业界纷纷提出超越硅技术(Beyond Silicon)，其中最有希望的石墨烯应运而生。石墨烯(Graphene)作为一种新型的二维六方蜂巢结构碳原子晶体，自从2004年被发现以来，在全世界引起了广泛的关注。

石墨烯(Graphene)是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，在二维平面上每个碳原子以sp²杂化轨道相衔接，也就是每个碳原子与最近邻的三个碳原子间形成三个σ键，剩余的一个p电子轨邀垂直于石墨烯平面，与周围原子形成π键，碳原子间相互围成正六边形的平面蜂窝形结构，这样在同一原子面上只有两种空间位置相异的原子。实验证明石墨烯不仅具有非常出色的力学性能和热稳定性，还具有独特的电学性质。石墨烯是零带隙材料，其电子的有效质量为零，其理论电子迁移率高达200000cm²/V·s，实验测得迁移率也超过15000cm²/V·s，是商业硅片中电子迁移率的10倍，并具有常温整数量子霍尔效应等新奇的物理性质，是作为场效应管的沟道的理想材料，正是其优异的电学性能使发展石墨烯基的晶体管和集成电路成为可能，并有可能完全取代硅成为新一代的主流半导体材料。但是，石墨烯没有带隙，因此在常规石墨烯场效应管中关态电流很大。虽然目前有多种方法可以打开石墨烯的带隙，如表面功能化等，但这些方法无一不很大程度上降低了石墨烯的迁移率，因此无带隙成为了石墨烯广泛应用的一大障碍。

热电子器件的结构类似于双极晶体管，也具有发射区(E)、基区(B)和集电区(C)，两者的根本差别在于，在热电子晶体管的基区两侧各有一个势垒与发射区和集电区相连,势垒的作用是把冷电子束缚在它们各自的区域内，从发射区注入到基区的热电子具有足够大的能量穿过集电区的势垒，几乎与集电极电压无关，因此这种器件具有很高的输出阻抗。典型热电子器件是两个金属—氧化物—金属(MOM)结构组成的MOMOM结构。中间的金属层作为晶体管的基区，这个区域要求足够薄，允许电子准弹道输运，因为金属的电导率很高，避免了基区的高阻现象。但是由于金属中热电子平均自由程短，金属和氧化层内的电子波函数差异比较大，这种器件的电流增益很低。这种器件没有制成更主要的原因是工艺上的问题，因为要制造适当厚度的无针孔的金属层和氧化物层是非常困难的。

原子层沉积技术(Atomic layer deposition/ALD)由于其沉积参数的高度可控型(厚度，成份和结构)，优异的沉积均匀性和一致性使得其在微纳电子和纳米材料等领域具有广泛的应用潜力，是制备高k氧化物材料最理想的方式。但由于石墨烯表面化学惰性的特性，使得无法直接用原子层沉积技术在石墨烯表面生长高k介质。因此，如何利用原子层沉积技术高效、可控地在石墨烯表面直接生长高k氧化物材料是当前该领域的一个充满挑战的重要研究课题。

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ALD的石墨烯基热电子晶体管及其制备方法，用于解决现有技术中无法制备无针孔的薄层金属基区以及金属氧化物的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于ALD的石墨烯基热电子晶体管的制备方法，所述制备方法至少包括步骤：所述制备方法至少包括步骤：

1)提供一重掺杂N型Si，在所述重掺杂N型Si表面两侧生长发射区电极；

2)在所述重掺杂N型Si表面的发射区电极之间热氧化形成第一势垒；

3)在所述第一势垒表面形成单层石墨层作为基区，并在所述单层石墨烯表面两侧形成基区电极；

4)利用ALD工艺在所述单层石墨烯表面的基区电极之间形成第二势垒，并在第二势垒表面形成金属集电区，完成石墨烯基热电子晶体管的制备。

优选地，所述步骤1)中采用lift-off工艺生长所述金属发射区的具体过程为：

1-2)在所述重掺杂N型Si上旋涂光刻胶，并利用光刻定义发射区电极的位置和形状；

1-3)利用显影技术将需要长发射区电极的位置的光刻胶去除；