[发明专利]以三氧化二铝为栅介质的双栅石墨烯晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件制备方法，具体地说是以Al₂O₃为栅介质的双栅石墨烯晶体管制备方法，可用于大规模集成电路制作。

技术背景

随着人们对高性能，高可靠性，低能耗设备需求的提高，对集成电路上器件特性变得愈发关注。石墨烯，这种由二维六角形碳晶格组成的材料，由于其突出的电学结构特性自2004年被英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现得到后，即被当做制造高性能器件的备选材料。

2005年Geim研究组与Kim研究组发现，室温下石墨烯具有约10cm²／V·s的高载流子迁移率，大约是商用硅片的10倍，并且受温度和掺杂效应的影响很小，这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势。较高的载流子迁移率和较小的接触电阻有助于进一步减小器件开关时间，超高的频率响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外，与目前电子器件中使用的硅及金属材料不同，即使石墨烯减小到纳米尺度时，同样能保持很好的稳定性和电学性能，使探索单电子器件成为可能。最近，Geim研究组利用电子束光刻与干法刻蚀将同一片石墨烯加工成量子点、引线和栅极，获得了室温下可以使用的石墨烯单电子场效应管，解决了目前单电子场效应管由于纳米尺度材料的不稳定性所带来的使用温度受限的问题。荷兰科学家则报道了第一个石墨烯超导场效应管，发现在电荷密度为零的情况下石墨烯还是可以传输一定的电流，为低能耗、开关时间快的纳米尺度超导电子器件带来突破。

最近关于石墨烯的器件的文献大量涌现，关于石墨烯在电容、太阳能电池、透明电极方面都有很多报道。在场效应晶体管FET应用方面也有很多报道，如背栅石墨烯场效应晶体管BG-GFET、顶栅石墨烯场效应晶体管TG-GFET等。这些石墨烯场效应晶体管GFET的制备工艺中，需要将石墨烯沉积或者转移到特定的Si或SiC衬底上。而在现有的顶栅工艺中，由于顶栅介质会引入更多的散射源，同时在制作过程中，石墨烯薄膜也很容易受到破坏，引起正面和背面散射，使得顶栅TG-GFET的迁移率显著下降。

国际商业机器公司IBM研究中心宣称研究出世界上速度最快的石墨烯场效应晶体管,工作频率达到26GHz,这是目前为止测量到的石墨烯晶体管的最快工作频率。IBM表示栅极在顶部的石墨烯晶体管由绝缘硅晶圆所制成,在不同的栅极电压和长度下均有很高的工作频率。研究结果表明，随着频率的增高,石墨烯晶体管电流增益的下降同样遵循传统晶体管的响应曲线。而最高截止频率和栅极长度的平方成反比,在栅长为150nm的时候达到26GHz。为了实现工作在THz频率范围的晶体管，就需要进一步减小栅长。

随着晶体管栅长的减小，为了确保器件电场内部特性，根据恒定电场按比例法则，介质层厚度必须按照相同比例缩小。当前，广泛使用SiO₂作为场效应管的栅介质。当其厚度减小到纳米量级时，通过SiO₂的漏电流随厚度减小成指数增长，这样巨大的漏电流严重影响到器件性能，使SiO₂不能起到绝缘作用，最终导致SiO₂不再适合作为场效应晶体管FET的栅介质。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种以氧化铝为栅介质的双栅石墨烯晶体管及其制备方法，以避免超薄栅介质SiO₂隧穿导致的漏电流问题；免除在制造晶体管过程中对石墨烯的刻蚀过程，有效的抑制散射效应；同时提高石墨烯晶体管栅极对沟道载流子浓度的调制作用。

为实现上述目的，本发明的双栅石墨烯晶体管，包括：石墨烯沟道、电极、栅介质层和半绝缘衬底，其特征在于，石墨烯沟道的两侧各设有一个栅电极，每个栅电极与石墨烯沟道之间各设有一层栅介质层，形成双栅电极结构。

作为优选，所述的栅介质采用Al₂O₃材料，以加厚栅介质层的物理厚度，防止栅击穿。

作为优选，所述的每个栅电极与石墨烯沟道之间的间隔为60-400nm。

作为优选，所述的半绝缘衬底采用半绝缘4H-SiC或者6H-SiC衬底。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

1）清洗：对SiC样片进行清洗，以去除表面污染物；

2）淀积Al₂O₃：在清洗后的SiC样片表面利用原子层淀积ALD方法生长Al₂O₃薄膜，作为掩膜和栅介质层；