[发明专利]一种石墨烯基异质结场效应晶体管、制备方法及其集成电路

说明书

本发明公开了一种石墨烯基异质结场效应晶体管、制备方法及其集成电路，属于半导体器件技术领域。其包括：衬底、栅电极、电介质层、石墨烯层、源电极和漏电极，还包括：氧化物半导体层，且氧化物半导体层设置在石墨烯层与源电极和漏电极之间，器件可采用顶栅或底栅结构。其制备方法包括：在栅电极上沉积形成电介质层；在电介质层上形成石墨烯层；在石墨烯层上形成氧化物半导体层；在氧化物半导体层的两端分别形成源电极和漏电极。本发明提高了传统石墨烯FET器件的开关比，并且获得足够高的迁移率以及可饱和的输出特性，因此能够满足其在逻辑和射频领域的相关应用，且制造方式简单，有利于大规模生产应用。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种石墨烯基异质结场效应晶体管、制备方法及其集成电路。

背景技术

在过去的十几年中，二维材料作为后硅时代最具发展前景的电子材料，引起业界广泛的关注。其中，石墨烯具有超高的载流子迁移率，这使其在众多二维材料中脱颖而出，用于构建场效应晶体管(FET)，以在未来集成电路中替代传统硅。此外，石墨烯可通过化学气相沉积法进行大面积制备，这是其另一大优势。但是，石墨烯本身缺乏带隙，这导致传统的石墨烯场效应晶体管的开关比极低(通常小于10)，严重限制了其实际应用潜力，尤其对于逻辑电路而言。

近年来，大量的研究工作致力于打开石墨烯带隙。例如，通过制备石墨烯纳米带，可将其带隙拓展至大约400meV。然而，石墨烯纳米带的带隙与其宽度成反比，纳米带的宽度需要非常窄，且必须具备整齐而光滑的边缘，这对于批量生产是极大的挑战。并且，该方法带来器件迁移率的大幅下降。另一方面，在垂直电场作用下，构建双层石墨烯也有助于打开带隙，然而制备的FET器件的开关比不到100，仍然远不能满足逻辑电路的应用。

研究者们还提出了一种基于石墨烯/半导体范德华异质结的垂直FET(VFET)，通过电场来调节石墨烯的功函数，从而影响异质结界面处的肖特基势垒高度，最终控制异质结垂直方向上的电荷输运，实现器件的有效开关。然而，该结构中，石墨烯最大的优势，即“面内”超高的载流子迁移率，实际上并没有得到有效利用，这导致器件的迁移率较低。此外，传统石墨烯场效应晶体管的输出特性通常为线性，难以达到饱和，这使其在射频领域中的应用也同样受限。VFET的出现也不能解决这一问题。

因此，需要对现有的石墨烯场效应晶体管进行改进，并提出相应的制造方法，才能克服其上述固有短板，以满足实际应用的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯基异质结场效应晶体管、制备方法及其集成电路，以解决传统石墨烯FET器件开关比与迁移率难以兼顾、输出特性难以饱和的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种石墨烯基异质结场效应晶体管，包括衬底、栅电极、电介质层、石墨烯层、源电极和漏电极，还包括：氧化物半导体层，且氧化物半导体层设置在石墨烯层与源电极和漏电极之间。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述氧化物半导体层的材料为ZnO、InGaZnO、Ga₂O₃、Cu₂O、SnO或NiO。

本发明采用的氧化物半导体均具有较宽的禁带宽度，由于石墨烯晶体管开关比非常低，利用氧化物半导体禁带宽度大的特性，与石墨烯组成的异质结可得到高开关比器件，并且在器件打开之后也能充分利用石墨烯迁移高的特点，使得器件同时具备高开关比和高迁移率的特点。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述氧化物半导体为n型或p型。