[发明专利]半导电石墨烯结构、形成此类结构的方法及包含此类结构的半导体装置

说明书

本申请揭示一种半导电石墨烯结构、形成此类结构的方法及包含此类结构的半导体装置。此类结构可包含石墨烯材料及所述石墨烯材料的至少一部分上方的石墨烯晶格匹配材料，其中所述石墨烯晶格匹配材料具有在所述石墨烯材料的晶格常数或键长的倍数的约5％内的晶格常数。所述半导电石墨烯结构可具有至少约0.5eV的能量带隙。本申请还揭示一种对石墨烯材料的能量带隙进行改质的方法，其可包含在石墨烯材料的至少一部分上方形成石墨烯晶格匹配材料，所述石墨烯晶格匹配材料具有在所述石墨烯材料的晶格常数或键长的倍数的约5％内的晶格常数。

分案申请的相关信息

本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2014年07月15日、申请号为201480042945.8、发明名称为“半导电石墨烯结构、形成此类结构的方法及包含此类结构的半导体装置”的发明专利申请案。

优先权主张

本申请案主张于2013年7月30日提出申请的标题为“半导电石墨烯结构、形成此类结构的方法及包含此类结构的半导体装置(SEMICONDUCTING GRAPHENE STRUCTURES,METHODS OF FORMING SUCH STRUCTURES AND SEMICONDUCTOR DEVICES INCLUDING SUCHSTRUCTURES)”的第13/954,017号美国专利申请案的申请日期的权益。

技术领域

在各个实施例中，本发明一般来说涉及半导电石墨烯结构、形成此类结构的方法及包含此类结构的半导体装置。更具体来说，本发明的实施例涉及具有石墨烯材料及与所述石墨烯材料直接接触的石墨烯晶格匹配材料的半导电石墨烯结构，以及形成此类结构的方法。

背景技术

硅已用于制作各种半导体装置，包含场效应晶体管(FET)装置。硅的处理极限通常被认为约10nm线宽。随着持续要求在增加速度及整合密度的同时减小半导体装置的大小，硅半导体材料正逐渐接近其处理极限。

石墨烯为单个原子层(即，单层)的石墨。石墨烯具有二维结构且在平面方向上导电。石墨烯晶格包含以具有120度的碳-碳键角、的碳-碳键长(r_o,g)及约的晶格常数的六方阵列布置的碳原子。石墨烯具有近似15,000cm²/Vs的高电荷迁移率、超过1×10⁸A/cm²的高载流能力及卓越的导热性。因此，正在研究将石墨烯作为用于在各种半导体装置(包含FET装置)中替换硅的下一代材料。

石墨烯为零能量带隙材料(即，在石墨烯的导带与价带之间不存在能隙)。相反，半导体材料在导带与价带之间具有能量带隙。由于石墨烯的零能量带隙，因此石墨烯具有非常大的关断电流且因此具有非常小的操作电流的接通/关断比率(下文中为“接通/关断比率”)。此低接通/关断比率限制FET装置的大整合及高速操作。此外，由于石墨烯的非常大的关断电流，因此使用未改质石墨烯(即，大面积石墨烯)的FET装置无法被关断且不适合于逻辑应用。

已做出各种尝试来改质(即，打开)石墨烯的能量带隙结构。一种方法为通过将未改质石墨烯切割成小于数十纳米的窄带(被称为石墨烯纳米带)而在一个维度上限制所述未改质石墨烯。石墨烯纳米带的能量带隙与纳米带的宽度成反比。因此，为获得具有对常规FET装置有用的能量带隙的石墨烯，需要具有界限分明边缘的非常窄的石墨烯纳米带。迄今，制造具有均匀宽度的数纳米大小、减小的边缘粗糙度及卓越质量的石墨烯已成为挑战。因此，尽管石墨烯纳米带具有卓越特性，但将石墨烯纳米带整合到半导体装置(例如，FET装置)中仍受限制。

已研究将石墨烯-硅氢化物结构用于制作三极管装置，其中可通过调整栅极电压以控制石墨烯-硅肖特基(schottky)势垒来实现约10⁵的接通/关断比率。尽管石墨烯具有零能量带隙，但在石墨烯与硅的界面处不存在费米(Fermi)能级钉扎允许势垒的高度变成0.2eVs。