[发明专利]一种石墨烯纳米带场效应晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及场效应晶体管技术领域，特别涉及一种石墨烯纳米带场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

石墨烯作为一种二维材料在其本征状态下具有极高的迁移率，但在实际应用中，二维材料石墨烯的使用却存在着致命的缺陷：(1)在做成实际的场效应器件之后由于电离杂质散射和表面声子散射，石墨烯场效应器件的沟道载流子迁移率急剧下降以至于其高迁移率的优势不复存在；(2)更严重的是，本征的石墨烯没有禁带，需要形成禁带所需施加的电场或者应力也进一步使沟道的迁移率下降。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种石墨烯纳米带场效应晶体管及其制备方法，以解决现有技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种石墨烯纳米带场效应晶体管，其特征在于，包括衬底、沟道层、HfO₂材质的底栅介质层、HfO₂材质的顶栅介质层、源电极、漏电极和顶栅电极，所述沟道层为采用石墨烯纳米带制成的沟道层，所述顶栅介质层和底栅介质层分别位于沟道层的上方和下方，衬底位于底栅介质层的下方，源电极和漏电极分别位于沟道层的两端，顶栅电极位于顶栅介质层上。

在本发明的一个优选实施例中，所述沟道层的宽度小于10nm。

在本发明的一个优选实施例中，构成沟道层的材料为单层或双层石墨烯纳米带。

在本发明的一个优选实施例中，所述底栅介质层和顶栅介质层的厚度为30nm。

一种石墨烯纳米带场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在衬底上采用原子层淀积方法制作一层HfO₂层作为底栅介质层；

(2)制备石墨烯纳米带：

A、将350μm级别的石墨烯采用化学插层法产生可扩展的石墨；

B、快速的将可扩展的石墨加热到800℃-1200℃，把石墨烯剥离成一堆层数很少的石墨烯片；

C、利用PmPV液相超声和功能化所述石墨烯片可以产生在DCE中稳定悬浮的石墨烯纳米带；

(3)将带有底栅介质层的衬底浸入到有石墨烯纳米带的PmPV/DCE溶液中15-25分钟，然后用异丙醇冲洗，再用氩气吹干；

(4)然后再将其在空气中加热，然后再真空中退火，进一步清洁其表面；

(5)检测衬底上的石墨烯纳米带，并记录其位置，得到石墨烯纳米带材质的沟道层；

(6)再用电子束光刻技术在源、漏区制作第一组Au或Au/Ti接触，得到源、漏电极；

(7)在沟道层上采用原子层淀积方法制作一层HfO₂层做为顶栅介质；

(8)在顶栅介质层上采用电子束光刻，淀积形成顶栅电极。

在本发明中，所述化学插层法所用的插层剂为硫酸和硝酸。

在本发明中，在进行步骤(3)之前，先在步骤(1)中所得到的衬底的底栅介质层上做上金属标记。

本发明采用石墨烯纳米带做为导电沟道材料以形成一定的禁带宽度；本发明利用二氧化铪(HfO₂)做为顶栅和底栅介质材料，利用Au或Au/Ti做为金属接触。应用此方法所制作器件的开关电流比高达10⁷，沟道电子的迁移率达到300cm²/Vs。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的石墨烯纳米带场效应晶体管的示意图。

图2为石墨烯纳米带场效应晶体管样品器件的顶栅转移特性示意图。

图3为石墨烯纳米带场效应晶体管样品器件的输出特性示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本发明。

如图1所示，一种石墨烯纳米带场效应晶体管，包括衬底110、沟道层130、底栅介质层120、顶栅介质层140、源电极150、漏电极160和顶栅电极170，顶栅介质层140和底栅介质层120分别位于沟道层130的上方和下方，衬底110位于底栅介质层120的下方，源电极150和漏电极160分别位于沟道层的两端，顶栅电极170位于顶栅介质层140上。

其中，沟道层为采用石墨烯纳米带制成的沟道层，沟道层的宽度小于10nm。构成顶栅电极的材料为Cr/Au或Ti/Au。底栅介质层和顶栅介质层的厚度为30nm。构成源电极、漏电极的材料为Au或Au/Ti。