[发明专利]一种在石墨烯表面形成栅介质层及制备晶体管的方法

说明书

提供了一种在石墨烯表面形成栅介质层及制备FET的方法，涉及电子元器件技术领域，可在石墨烯表面形成大面积均匀高质量的栅介质层。该方法包括：使石墨烯的表面吸附亲水易挥发气体；将形成有石墨烯的衬底置于ALD反应腔中，通入水蒸气，以使吸附在石墨烯表面的亲水易挥发气体吸附所述水蒸气；将ALD反应腔的温度升到预定温度，通入栅介质源气体，使所述水蒸汽和栅介质源气体发生反应，生成栅介质层的一个单层，并使所述亲水易挥发气体挥发；重复在所述ALD反应腔中通入水蒸气以及栅介质源气体，以形成所述栅介质层的其他单层，形成所述栅介质层。用于制备FET。

技术领域

本发明涉及电子元器件技术领域，尤其涉及一种在石墨烯表面形成栅介质层及制备场效应晶体管(Field Effect Transistors，简称FET)的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子排列成正六边形蜂窝状点阵所形成的二维薄膜材料，其独特的电子结构赋予了石墨烯众多优越和奇特的电学特性。当片状石墨烯载流子浓度为n＝10¹²cm^-3时，迁移率理论上可达到200000cm² V^-1s^-1，是硅材料的140倍，电导率可达10⁶S/m，被誉为可以取代硅的下一代电子材料。

由于石墨烯具有优异的电学特性，因而被广泛应用于众多电子器件中。其中，最具有代表性的电子器件是场效应晶体管。

其中，栅介质层是FET结构中的重要组成部分，其质量会对FET的亚阈值摆幅、频率响应、跨导等多种性能参数产生重要的影响。传统背栅结构的石墨烯FET中，使用石墨烯下面的氧化硅层作为底栅介质层。这种结构的石墨烯FET制备工艺简单，然而由于氧化硅层的相对介电常数κ不高(κ＝3.9)，厚度也较大(通常为300nm左右)，因此会影响FET的栅压调制性能。

为了解决上述问题，目前提出的解决方案是采用顶栅或双栅结构的石墨烯FET。具体是在石墨烯表面沉积一定厚度的高κ值的薄膜层作为顶栅介质层。而目前形成该顶栅介质层的方法主要是采用原子层沉积(Atomic Layer Deposition，简称ALD)法，其过程为先将适量的水蒸气通入反应器中，再将适当的栅介质源气体通入反应器，石墨烯表面的水蒸气和栅介质源气体在一定的时间内反应后可在石墨烯表面沉积一层薄膜，随后再通入惰性气体进行清洗，之后重复上述过程，从而一个单层、一个单层地重复生长出均匀、厚度可控的薄膜层。

然而，使用普通的水基ALD方法在石墨烯表面生长顶栅介质层存在以下问题：由于石墨烯表面疏水，水分子很难在石墨烯表面吸附，从而导致生长的栅介质难以成膜或成膜致密性不好而导致无法绝缘。

现有技术中，在石墨烯表面获得大面积均匀的顶栅介质层的方法主要有两种：

第一种方法是:对石墨烯进行功能化处理后再利用ALD形成栅介质层。具体是利用臭氧(O₃)、二氟化氙(XeF2)等强反应性气体或等离子体对石墨烯表面进行处理，使石墨烯晶格出现缺陷，从而增强石墨烯的亲水性，之后再利用ALD在石墨烯表面形成栅介质层。该方法虽然可以在石墨烯表面获得大面积均匀的栅介质层，然而却破坏了石墨烯的晶格结构，从而影响了制备的石墨烯FET的性能。

第二种方法是：先在石墨烯表面形成种子层，再利用ALD形成栅介质层。具体是对剥离的石墨烯进行退火去除表面杂质后将其浸入到苝四羧酸(Perylene tetracarboxylicacid，简称PTCA)溶液，以在石墨烯表面加上一层PTCA种子层，或者在石墨烯表面形成一层无定型碳薄膜种子层。由于形成的种子层具有亲水性，因此形成种子层后便可以利用ALD形成顶栅介质层。然而，该方法引入种子层，一方面会使顶栅介质层整体厚度增加，难以达到超薄栅介质层的要求；另一方面种子层的存在降低了栅介质层的纯度，增加了界面效应，使得石墨烯FET的性能受到影响。

发明内容