[发明专利]一种碳纳米管-石墨烯共价异质结隧穿场效应晶体管

说明书

本发明公开了一种碳纳米管‑石墨烯共价异质结隧穿场效应晶体管，属于隧穿场效应晶体管技术领域，包括：栅区，源区，漏区，沟道区；所述沟道区包括沿源区至漏区方向依次排布的沟道一段、沟道二段和沟道三段；所述沟道一段和沟道三段均为弯曲的zigzag型石墨烯纳米带，所述沟道二段为碳纳米管；所述源区与漏区均为armchair型石墨烯纳米带；所述源区、漏区以及沟道区组成石墨烯‑碳纳米管共价异质结。如此，在隧穿晶体管处于开态时，armchair型石墨烯(源区)中电子能够通过无带隙的zigzag型石墨烯直接输运到碳纳米管(沟道)；此时，碳纳米管沟道与armchair型石墨烯之间不存在隧穿势垒，电子从源区输运到沟道的几率大大增加，隧穿晶体管器件的开态饱和电流增加一个量级。

技术领域

本发明属于隧穿场效应晶体管技术领域，更具体地，涉及一种碳纳米管-石墨烯共价异质结隧穿场效应晶体管。

背景技术

碳纳米管(CNT)是一种有着独特结构的一维纳米材料，由于其超小尺寸、高迁移率、高饱和速度和长平均自由程等显著优点而被认为是后摩尔时代最有潜力替代硅作为晶体管沟道的纳米材料之一。目前，碳纳米管作为沟道材料而广泛用于场效应晶体管领域。2019年，北京大学彭练矛课题组成功制备了5nm工艺节点下的碳纳米管金属氧化物半导体场效应晶体管(CNT MOSFET)。

随着CNT MOSFET的尺寸逐渐减小，CNT MOSFET的短沟道效应和量子效应问题变得日趋严重。在室温下，CNT MOSFET的亚阈值摆幅所能达到的最小极限是60mV/dec。为了解决CNT MOSFET所面临的问题，近些年逐渐发展出了一种碳纳米管隧穿场效应晶体管(CNTTFET)，它是基于带间隧穿的量子效应而非电子和空穴的热注入效应工作的，因此其亚阈值摆幅可以突破60mV/dec的限制。CNT TFET从而成为一种具有超陡亚阈值斜率和更低亚阈值摆幅的低功耗器件。

然而，CNT TFET是基于能带间载流子的量子隧穿实现载流子输运，其开态饱和电流偏小，驱动能力较弱，这将会给由CNT TFET器件构成的电路带来极大的延迟，不利于大规模集成，导致其应用受到很大的局限。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种碳纳米管-石墨烯共价异质结隧穿场效应晶体管，其目的在于解决现有碳纳米管隧穿场效应晶体管开态饱和电流偏小，驱动能力较弱的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碳纳米管-石墨烯共价异质结隧穿场效应晶体管，包括栅区、源区、漏区和沟道区；

所述沟道区包括沿源区至漏区方向依次排布的沟道一段、沟道二段和沟道三段；所述沟道一段和沟道三段均为弯曲的zigzag型石墨烯纳米带；所述沟道二段为碳纳米管；

所述源区与漏区均为armchair型石墨烯纳米带；

所述源区、漏区以及沟道区组成石墨烯-碳纳米管共价异质结。

进一步地，所述栅区包括：顶栅电极、底栅电极、顶栅氧化层和底栅氧化层；

所述源区、漏区和沟道区位于所述顶栅氧化层及底栅氧化层之间；

所述底栅电极位于所述底栅氧化层下方，所述顶栅电极位于所述顶栅氧化层上方，且所述顶栅电极和底栅电极在长度方向上均与所述沟道区对齐。

进一步地，所述顶栅电极和底栅电极采用多晶硅材料或过渡金属材料。

进一步地，所述顶栅氧化层和底栅氧化层采用SiO₂、Si₃N₄、Y₂O₃或HfO₂等氧化物介电材料中的一种或多种，厚度为0.5～4.0nm。

进一步地，所述armchair型石墨烯纳米带为有带隙的单层石墨烯纳米带。