[发明专利]一种顶栅石墨烯场效应晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种顶栅石墨烯场效应晶体管及其制备方法，尤其涉及一种采用一氧化硅作为牺牲层和栅介质层制备顶栅结构石墨烯场效应晶体管及其制备方法，属于半导体器件制造领域。

背景技术

石墨烯作为一种新型的二维材料，自2004年第一次被发现后便引起了各领域科研工作者的广泛关注。这种只由一层碳原子构成的二维平面晶体具有很多优良的性质，比如：极高的载流子迁移率和饱和漂移速度、亚微米级的弹道输运、优良的机械性能和热导率，以及良好的光学性能等。随着硅基集成电路的尺寸逐步逼近摩尔定律的极限，石墨烯有望取代硅成为下一代集成电路材料。而且由于极高的载流子迁移率，石墨烯很适合应用于射频器件。石墨烯场效应晶体管(GFET)是实现基于石墨烯的射频器件、传感器和集成电路的基本器件结构。

栅介质层是顶栅石墨烯场效应晶体管(GFET)的重要组成部分，如何低损伤地在石墨烯上覆盖一层均匀的介质层一直是努力追求的目标。常用的沉积薄膜的技术如溅射、电子束蒸发、原子层沉积等，用于沉积石墨烯场效应晶体管(GFET)的介质层各有各的缺点。溅射是用氩等离子体轰击靶材，使靶材材料沉积到样品表面。由于靶材材料带有一定动量沉积到样品上，因此能够制备比较致密的薄膜。但这种方法对于脆弱的二维材料石墨烯来说是有一定破坏性的，会引入很多缺陷[Jin Z,Su Y,Chen J,et al.Study of AlN dielectric film on graphene by Raman microscopy.Applied Physics Letters,2009,95(23):233110]。最早的顶栅石墨烯场效应晶体管(GFET)是用电子束蒸发的SiO₂作为介质层的，然而沉积介质层后GFET的迁移率下降了很多[Lemme M C,Echtermeyer T J,Baus M,et al.Mobility in graphene double gate field effect transistors.Solid-State Electronics,2008,52(4):514-518]，说明电子束蒸发也不适合用于制备顶栅GFET的介质层。原子层沉积适用于制备超薄氧化物介质层，而且损伤较低，制备的薄膜质量较高。但石墨烯表面比较惰性，原子层沉积的薄膜在石墨烯上倾向于岛状成长，不连续成膜。常用的解决办法是在原子层沉积之前对石墨烯表面进行化学处理[Lin Y-M,Jenkins K A,Valdes-Garcia A,et al.Operation of Graphene Transistors at Gigahertz Frequencies.Nano Letters,2009,9(1):422-426]或引入缓冲层[Farmer D B,Chiu H-Y,Lin Y-M,et al.Utilization of a Buffered Dielectric to Achieve High Field-Effect Carrier Mobility in Graphene Transistors.Nano Letters,2009,9(12):4474-4478]。然而这些方法既增加了工艺复杂度，也引入了额外的散射中心。

综上，石墨烯场效应晶体管(GFET)的现有制备技术中通常存在两个问题：(1)光刻胶直接接触石墨烯，包括光刻胶残胶在内的化学元素引起石墨烯器件性能退化；(2)栅介质层的制备方法会引起石墨烯损伤(溅射法)或引入杂质成分(原子层沉积法)等。

在石墨烯场效应晶体管(GFET)的制备过程中，石墨烯表面很容易残留光刻胶。Allen Hsu等通过引入铝作为牺牲层[Hsu A,Wang H,Kim K K,et al.Impact of Graphene Interface Quality on Contact Resistance and RF Device Performance.IEEE Electron Device Letters,2011,32(8):1008-1010]，避免了石墨烯与光刻胶的接触，提高了GFET的性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种顶栅石墨烯场效应晶体管；

本发明还提供了一种采用一氧化硅作为牺牲层和栅介质层制备顶栅结构石墨烯场效应晶体管的方法；