[发明专利]一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法

说明书

一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法，该制造方法包括以下步骤：利用顶栅金属作为掩膜保护顶栅金属下方的栅介质，对栅介质层进行刻蚀，去除栅源、栅漏之间石墨烯有源区上覆盖的栅介质；再以顶栅电极为掩膜，对石墨烯进行刻蚀，破坏石墨烯材料的晶格结构，形成缺陷；之后在上述形成的器件上形成一金属薄膜层，在金属薄膜层上制备源电极和漏电极；对完成后的器件进行退火。本发明方法不仅可以减小栅源和栅漏之间的间距，有效地避免器件加工工艺对石墨烯的污染，而且通过对接触区石墨烯材料进行部分刻蚀，可以得到较小的接触电阻率，从而提高石墨烯晶体管的性能。

技术领域

本发明属于场效应晶体管制造领域，具体涉及一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法。

背景技术

由于超高的载流子迁移率和饱和漂移速度，石墨烯近年来吸引了人们的广泛关注，有望应用于未来的高速电子和射频领域。目前，石墨烯场效应晶体管的电流截止频率f_T虽然已经达到427GHz，但仍远小于其理想值。其中一个重要因素就是寄生电阻过大。接触区电阻和通路区电阻对石墨烯器件频率特性的影响随着栅长的减小而更加明显。因此减小接触电阻和通路区电阻，是提高其射频性能的关键。同时，石墨烯作为典型的二维材料，在器件加工过程中容易受环境和残留光刻胶的影响，从而对石墨烯材料造成掺杂和污染，是影响石墨烯器件的另一个主要因素。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种石墨烯场效应晶体管及其制造方法，以便减小其寄生电阻。

为达到上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种石墨烯场效应晶体管的制造方法，包括以下步骤：

在衬底上依次形成石墨烯层、栅介质层和顶栅金属电极层；

利用所述顶栅金属电极层作为掩膜，对上述形成的器件上表面进行蚀刻，去除所述顶栅金属电极层覆盖区域之外的栅介质层；

继续以所述顶栅金属电极层为掩膜，对沟道区的石墨烯层进行刻蚀，破坏所述石墨烯层中石墨烯材料的晶格结构，形成缺陷；

在上述形成的器件上形成一金属薄膜层，在所述金属薄膜层上制备源电极和漏电极；

对完成的器件进行退火处理。

其中，在所述衬底上还形成有绝缘层，所述石墨烯层位于所述绝缘层上，作为导电通道，所述栅介质层覆盖在所述石墨烯层上，所述顶栅金属电极层通过光刻法形成在所述栅介质层上。

其中，所述栅介质层通过下述工艺来实现：

通过电子束蒸发铝或钇，随后在空气中自然氧化或者通过退火加热的方法氧化，作为种子层；以及

生长栅介质。

其中，所述生长栅介质的步骤中采用的栅介质材料为Al₂O₃、HfO₂、Y₂O₃、TiO₂、Si₃N₄或SiO₂，或者上述两种以上材料的混合物；

作为优选，所述生长栅介质的步骤是通过物理气相沉积PVD、等离子增强化学气相沉积PECVD或原子层沉积ALD来实现的。

其中，所述对沟道区的石墨烯层进行蚀刻的步骤是利用低能量的氧等离子体轰击石墨烯表面来实现的，使石墨烯接触区产生缺陷，增多石墨烯与接触金属的导电通道，降低接触电阻。

其中，所述对沟道区的石墨烯层进行蚀刻的步骤是通过Matrix、tymax、RIE刻蚀机或UV仪器来实现的。

其中，在栅源、栅漏间的石墨烯层上形成的所述金属薄膜层采用能够被化学溶液腐蚀的金属，优选为Au、Ti、Ni、Pd、Cu、Cr中的一种或者两种以上的合金；形成方法优选包括电子束蒸发、热蒸发或溅射。