專利名稱：一種增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子學(xué)與固體電子學(xué)領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體器件，具體來說，涉及一種新型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
目前，石墨烯已成為國內(nèi)外科學(xué)家的研究熱題，特別是2010年曼切斯特大學(xué)的兩位物理科學(xué)家由于在石墨烯方面的創(chuàng)新研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后，更是引起人們的廣泛關(guān)注。現(xiàn)在石墨烯應(yīng)用到晶體管中主要是作為場效應(yīng)晶體管的溝道材料，但由于石墨烯是零帶隙半金屬材料，具有室溫下彈道效應(yīng)，因此用做器件溝道材料時(shí)，它一直處于“開”的狀態(tài)，也就沒有開關(guān)特性，同時(shí)也沒有器件飽和特性。針對上述問題，本發(fā)明提出了一種新型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，即利用溝道半導(dǎo)體摻雜層作為溝道區(qū)的一部分，其它的溝道區(qū)仍為石墨烯層，使該場效應(yīng)管在柵電壓為零時(shí)，處于關(guān)態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服應(yīng)用石墨烯做溝道的場效應(yīng)晶體管，因其不具有開關(guān)特性和飽和特性的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括柵極區(qū)、源極區(qū)、漏極區(qū)、溝道區(qū)和源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)，其特征是柵極區(qū)和溝道區(qū)位于所述源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)之間，所述源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)位于源極區(qū)和漏極區(qū)下面，所述溝道區(qū)由兩部分構(gòu)成，一部分是石墨烯層，另一部分是溝道半導(dǎo)體摻雜層，所述柵區(qū)位于所述溝道區(qū)之上，所述柵極區(qū)和溝道區(qū)之間存在一層?xùn)沤橘|(zhì)。通過采用本發(fā)明所述的器件結(jié)構(gòu)，把石墨烯溝道部分?jǐn)嚅_，如在源極、漏極和源漏極處斷開，讓溝道半導(dǎo)體摻雜層代替，使其實(shí)現(xiàn)開關(guān)特性和器件飽和特性，從而使石墨烯材料在CMOS器件中得到更好的應(yīng)用。


圖I為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的石墨烯溝道在漏處斷開，并以溝道半導(dǎo)體摻雜層代替的石墨烯器件結(jié)構(gòu)的示意圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的石墨烯溝道在源處斷開，并以溝道半導(dǎo)體摻雜層代替的石墨烯器件結(jié)構(gòu)的示意圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的石墨烯溝道同時(shí)在源、漏處斷開，并以溝道半導(dǎo)體摻雜層代替的的石墨烯器件結(jié)構(gòu)的示意圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管在截止?fàn)顟B(tài)工作模式下的能帶圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管在出現(xiàn)薄層電子溝道狀態(tài)工作模式下的能帶圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管在出現(xiàn)厚層電子溝道狀態(tài)工作模式下的能帶圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管在線性導(dǎo)通狀態(tài)工作模式下的能帶圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管在飽和狀態(tài)工作模式下的能帶圖。
具體實(shí)施例方式為了克服應(yīng)用石墨烯做溝道的場效應(yīng)晶體管，因其不具有開關(guān)特性和飽和特性的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，通過采用本發(fā)明所述的器件結(jié)構(gòu)，把石墨烯溝道部分?jǐn)嚅_，如在源極、漏極或源漏極處同時(shí)斷開，讓溝道半導(dǎo)體摻雜層代替石墨烯層，讓其實(shí)現(xiàn)開關(guān)特性和器件飽和特性。圖I、圖2和圖3為本發(fā)明實(shí)施的增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的示意圖，以N 型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管為例，所述器件結(jié)構(gòu)包括柵極區(qū)201，柵極區(qū)材料包括TiN、 Ru02、Ru或者其他金屬；與柵極區(qū)接觸的柵介質(zhì)層202，所述202材料包括Si02、SiON或高k介質(zhì)材料(和SiO2相比，具有高的介電常數(shù))，高k介質(zhì)材料的例子包括Hf02、HfSiO, HfSiON, HfTaO, HfTiO, HfZrO, A1203、La203、ZrO2, LaAlO，其組合和或者其他適當(dāng)?shù)牟牧希?與柵介質(zhì)層兩端接觸的源極區(qū)和漏極區(qū)203，材料為Al、Cu等金屬材料；位于源極區(qū)和漏極區(qū)下面的源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)204，所述源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)具有η型摻雜，所述半導(dǎo)體摻雜為重?fù)诫s，所述源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)204與所述柵介質(zhì)層202相互隔離，所述源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)204為器件的源區(qū)和漏區(qū)；在溝道區(qū)形成與石墨烯層接觸的溝道半導(dǎo)體摻雜層205為 P型摻雜，圖I所示的溝道半導(dǎo)體摻雜層位于漏端，圖2所示的溝道半導(dǎo)體摻雜層位于源端，圖3所示的溝道半導(dǎo)體摻雜層同時(shí)位于源端和漏端，其中所述P型摻雜為輕摻雜；石墨烯層206，材料可以包括單層或多層的石墨烯原子；形成于石墨烯層下方、與源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)和溝道半導(dǎo)體摻雜層相接觸的襯底207，材料包括6H-SiC、3C-SiC、SiO2或絕緣體上硅 (SOI)等與石墨烯相匹配的襯底材料；與襯底207相接觸的基底208，其材料為半導(dǎo)體材料或者其他能夠支撐襯底的基底材料。為了更好理解本發(fā)明，以下將詳細(xì)介紹N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管的能帶圖，參考圖4所示，所述N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管指源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)為η型重?fù)诫s，溝道區(qū)中的溝道半導(dǎo)體摻雜層為P型輕摻雜，其中Vgs為柵-源電壓，Vds為漏-源電壓，Vthn為η型器件的閾值電壓。圖4為N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管在各個(gè)工作模式下的能帶圖，當(dāng)柵極偏壓為零時(shí)(Vgs=O),無論Vds>0、Vds〈0還是Vds=O,由于溝道半導(dǎo)體摻雜層中還沒有出現(xiàn)反型層，不會(huì)導(dǎo)電，器件處于截止?fàn)顟B(tài)，圖4中所示截止?fàn)顟B(tài)的能帶圖，此時(shí)電子很容易從源極半導(dǎo)體摻雜區(qū)進(jìn)入到石墨烯層，但電子到達(dá)溝道半導(dǎo)體層時(shí)，要跨過較高的勢壘才能穿過溝道半導(dǎo)體摻雜層到達(dá)漏極半導(dǎo)體摻雜區(qū)，石墨烯層中的載流子無法穿越溝道半導(dǎo)體摻雜層的勢壘，因此器件關(guān)斷。參考圖5，當(dāng)柵極偏置大于零，但低于閾值電壓時(shí)(0〈Vgs〈Vthn)，此時(shí)電子仍然較容易從源極半導(dǎo)體摻雜區(qū)進(jìn)入石墨烯層，但由于柵極偏置電壓的增加，使得電子跨過溝道半導(dǎo)體摻雜層的勢壘有所降低，因此，溝道半導(dǎo)體摻雜層出現(xiàn)了薄層電子層溝道，器件未開
啟O
參考圖6，當(dāng)柵極偏置高于閾值電壓時(shí)(Vgs>Vthn)，此時(shí)電子順利的從源極半導(dǎo)體摻雜區(qū)進(jìn)入到石墨烯層，由于這時(shí)有較高的柵極偏置電壓，使得電子跨過溝道半導(dǎo)體摻雜層的勢壘大大降低，幾乎沒有勢壘高度，這時(shí)溝道半導(dǎo)體摻雜層內(nèi)出現(xiàn)較厚電子層，即溝道反型層，但由于源-漏電壓等于零(Vds=O )，沒有橫向電場，器件等待開啟。參考圖7，當(dāng)柵極偏置高于閾值電壓時(shí)(Vgs>Vthn )、源-漏電壓大于零(Vds>0 )，這時(shí)電子很容易從源極半導(dǎo)體摻雜區(qū)進(jìn)入到石墨烯層，電子也很容易跨過溝道半導(dǎo)體摻雜層的勢壘，由于加入了源-漏橫向電場，兩端的η型源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)對電子基本不會(huì)形成勢壘，使得電子順利進(jìn)入到漏極半導(dǎo)體摻雜區(qū)，出現(xiàn)大量電子，因而器件導(dǎo)通，處于線性導(dǎo)電狀態(tài)。參考圖8，當(dāng)源-漏電壓高于柵極偏壓時(shí)(Vds>Vgs)，這時(shí)的溝道半導(dǎo)體摻雜層中形成的電子溝道被由溝道半導(dǎo)體摻雜層和漏極半導(dǎo)體摻雜區(qū)形成的Pn結(jié)的耗盡層夾斷， 增加的電壓降落在耗盡區(qū)，使得石墨烯中的電子能夠被電場拉過耗盡區(qū)，注入到漏端，器件達(dá)到飽和狀態(tài)。以上是對本發(fā)明所述的N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管及能帶圖進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，通過采用本發(fā)明的N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，通過重?fù)诫sη型源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)來實(shí)現(xiàn)石墨烯的單向?qū)?，通過輕摻雜溝道中的P型溝道半導(dǎo)體摻雜層部分實(shí)現(xiàn)對石墨烯器件的可關(guān)斷和飽和功能，還利用了溝道中的石墨烯層，加快了石墨烯器件的導(dǎo)通速率， 使器件性能得到進(jìn)一步提升。而P型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，指源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)為 P型重?fù)诫s，溝道區(qū)中的溝道半導(dǎo)體摻雜層為η型輕摻雜，原理與N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管的工作模式相同，就不在累述。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)包括柵極區(qū)、源極區(qū)、漏極區(qū)、溝道區(qū)和源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)。
2.其特征是柵極區(qū)和溝道區(qū)位于所述源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)之間，所述源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)分別位于源極區(qū)和漏極區(qū)下面，所述溝道區(qū)由兩部分構(gòu)成，一部分是石墨烯層，另一部分是溝道半導(dǎo)體摻雜層，所述柵極區(qū)位于所述溝道區(qū)之上，所述柵極區(qū)和溝道區(qū)之間存在一層?xùn)沤橘|(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，構(gòu)成所述柵介質(zhì)的材料包括Si02、Si0N或高k介質(zhì)材料(和SiO2相比，具有高的介電常數(shù))，其中高k介質(zhì)材料具體包括 Hf02、HfSiO、HfSiON、HfTaO, HfTiO, HfZrO、A1203、La203、Zr02、LaAlO 中的一種， 還包括上述材料的組合或者其它適當(dāng)?shù)牟牧稀?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，構(gòu)成所述柵極區(qū)的材料為TiN、Ru02、Ru或者其他金屬，構(gòu)成所述源極區(qū)、漏極區(qū)的材料為同一材料，為Al、 Cu等金屬材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，構(gòu)成所述N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)具有N型摻雜，構(gòu)成所述P型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)具有P型摻雜。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)具有重?fù)诫s。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，構(gòu)成所述N型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管溝道區(qū)中半導(dǎo)體摻雜層具有P型摻雜，構(gòu)成所述P型增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管溝道區(qū)中半導(dǎo)體摻雜層具有N型摻雜。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述溝道半導(dǎo)體摻雜區(qū)具有輕摻雜。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，石墨烯層和溝道層半導(dǎo)體摻雜區(qū)下面的襯底為娃、碳化娃、二氧化娃或其它高k介質(zhì)層,基底為半導(dǎo)體材料或者能夠支撐襯底的其他材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，其特征在于，高k介質(zhì)層的例子包括Hf02、HfSiO, HfSiON, HfTaO, HfTiO, HfZrO, A1203、La203、ZrO2, LaAlO 中的一種，還包括上述材料的組合或者其它適當(dāng)?shù)牟牧稀?br> 全文摘要
目前，石墨烯已成為國內(nèi)外科學(xué)家的研究熱題。現(xiàn)在石墨烯主要應(yīng)用到場效應(yīng)晶體管中作為溝道材料，但由于石墨烯是零帶隙材料，具有室溫下彈道效應(yīng)，它一直處于“開”的狀態(tài)，限制了它在電子領(lǐng)域的應(yīng)用。為了克服上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種增強(qiáng)型石墨烯場效應(yīng)晶體管，屬于微電子學(xué)和固體電子學(xué)領(lǐng)域，其發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)包括柵極區(qū)、源極區(qū)、漏極區(qū)、溝道區(qū)和源漏半導(dǎo)體摻雜區(qū)，其中溝道區(qū)由石墨烯層和溝道半導(dǎo)體摻雜層兩部分組成，N型器件溝道半導(dǎo)體摻雜層為P型雜質(zhì)，P型器件溝道半導(dǎo)體摻雜層為N型雜質(zhì)。采用本發(fā)明所述的器件結(jié)構(gòu)，使器件實(shí)現(xiàn)開關(guān)特性和飽和特性，從而使石墨烯器件在集成電路中得到更好的應(yīng)用。
文檔編號H01L29/10GK102593159SQ20121007242
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者劉杰, 杜驚雷, 石瑞英 申請人:四川大學(xué)