石墨烯異質結構場效應晶體管的制作方法
【專利說明】石墨烯異質結構場效應晶體管
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年2月22日提交的美國臨時專利申請N0.61/767，922的優先權，該申請全部內容以引用方式并入本文中。另外，本申請還要求于2014年I月20日提交的美國正式專利申請N0.14/159,059的優先權，該申請全部內容以引用方式并入本文中。
技術領域
[0003]本公開涉及石墨烯晶體管。
【背景技術】
[0004]已經有人描述了采用寬禁帶材料的石墨烯晶體管的一些替代性形式。
[0005]L.Britnell 等人的“Field-effect Tunneling transistor based onvertical graphene heterostructures”(基于縱向石墨稀異質結構的隧道場效應晶體管)，Science, vol.335，p.947，2012描述了采用六方氮化硼(h-ΒΝ)或MoS2作為用于縱向幾何場效應管(FET)和縱向石墨烯異質結構隧道場效應管(FET)這兩種FET的寬禁帶隧道勢皇。縱向幾何場效應管示出了約50的導通/關斷率(h-BN)。縱向石墨烯異質結構隧道場效應管示出了約14的導通/關斷率(MoS 2)。
[0006]H.Yang, J.Heo, S.Park, H.J.Song, D.H.Seo, Κ.Ε.Byun, P.Kim, 1.Yoo, H.J.Chung和 K.Kim 的“Graphene Barristor,a tr1de device with a gate-controlledSchottky barrier”(石墨稀勢皇晶體管，具有受柵極控制的肖特基勢皇的三極管器件)，Science, vol.336，p.6085，2012描述了帶有對石墨烯/硅肖特基勢皇高度的柵極控制的石墨稀/娃縱向勢皇晶體管。
[0007]ff.Mehr, J.Dabrowski, J.C.Scheytt, G.Lippert, Y.- H.Xie, M.C.Lemme, M.0stling 和 G.Lupina 的 “Vertical Graphene Base Transistor”(縱向石墨稀基底晶體管)，IEEE Electron Dev.Lett., vol.33, pp.691, 2012 描述了縱向石墨稀基底晶體管。
[0008]需要對這些石墨烯晶體管進行改進。本公開的實施例是對這些以及其他需求的嘗試。
【發明內容】
[0009]在本文公開的第一實施例中，一種場效應晶體管包括襯底、位于所述襯底上方的第一石墨烯(Gr)層、位于所述襯底上方的第二石墨烯(Gr)層、位于所述襯底上且在第一石墨烯層與第二石墨烯層之間的氟化石墨烯(GrF)層、位于第一石墨烯層上的第一歐姆接觸件、位于第二石墨烯層上的第二歐姆接觸件、在所述氟化石墨烯層上對齊的柵極、以及位于所述柵極與所述氟化石墨烯層之間和柵極與第一歐姆接觸件及第二歐姆接觸件之間的柵電介質。
[0010]在本文公開的另一實施例中，一種集成電路包括襯底、第一異質結構場效應晶體管和第二異質結構場效應晶體管，所述第一異質結構場效應晶體管包括位于所述襯底上方的第一石墨烯(Gr)層、位于所述襯底上方的第二石墨烯(Gr)層、位于所述襯底上且在第一石墨烯層與第二石墨烯層之間的第一氟化石墨烯(GrF)層、位于第一石墨烯層上的第一歐姆接觸件、位于第二石墨烯層上的第二歐姆接觸件、在第一氟化石墨烯層上對齊的第一柵極、以及位于第一柵極與第一氟化石墨烯層之間和第一柵極與第一歐姆接觸件及第二歐姆接觸件之間的第一柵電介質，其中第一石墨烯(Gr)層和第二石墨烯(Gr)層為η型，并且第一歐姆接觸件和第二歐姆接觸件為η型；所述第二異質結構場效應晶體管包括位于所述襯底上方的第三石墨烯(Gr)層、位于所述襯底上方的第四石墨烯(Gr)層、位于所述襯底上方且位于第三石墨烯層與第四石墨烯層之間的第二氟化石墨烯(GrF)層、位于第三石墨烯層上方的第三歐姆接觸件、位于第四石墨烯層上方的第四歐姆接觸件、在第二氟化石墨烯(GrF)層上對齊的第二柵極、以及位于第二柵極與第二氟化石墨烯層之間和第二柵極與第三歐姆接觸件及第四歐姆接觸件之間的第二柵電介質，其中第一石墨烯(Gr)層和第二石墨烯(Gr)層為η型，并且第一歐姆接觸件和第二歐姆接觸件為η型。
[0011]在本文公開的又一實施例中，一種制造異質結構FET的方法包括以下步驟:在襯底上形成石墨烯；通過干法刻蝕形成石墨烯臺面；在所述石墨烯臺面的一端上形成用于源極的第一歐姆接觸件；在所述石墨烯臺面的相對的另一端上形成用于漏極的第二歐姆接觸件；通過掩模和刻蝕形成開口，以暴露所述第一歐姆接觸件與所述第二歐姆接觸件之間的一部分石墨烯；對石墨烯的暴露部分進行氟摻雜；進行退火以減少缺陷；在所述開口上沉積柵電介質；以及在所述柵電介質上形成柵極。
[0012]通過詳細描述及隨后的附圖，以上和其他特征和優點將變得更加清楚。在附圖和描述中，各個附圖標記表示各種特征，相同的附圖標記在附圖和描述中始終用于表示相同的特征。
【附圖說明】
[0013]圖1A示出了根據本公開的η型石墨稀(Gr)、氟化石墨稀(GrF)、及石墨稀(Gr)異質結構FET(HFET)的示圖；
[0014]圖1B示出了根據本公開的Gr/GrF/Gr FET在零源極-漏極偏置下的帶排列示圖；
[0015]圖1C示出了根據本公開分別具有150nm和250nm的源極-漏極間距的兩種不同的器件的測量到的Gr/GrF/Gr 二極管電流與二極管電壓的曲線圖；
[0016]圖1D示出了根據本公開測量到的石墨烯HFET溝道電阻作為柵極電壓的函數的曲線圖；
[0017]圖2A示出了根據本公開的Gr/GrF/Gr FET在有限源極-漏極偏置下的帶排列示圖；
[0018]圖2B示出了根據本公開測量到的直流(DC)源極-漏極電流-電壓特性的曲線圖；
[0019]圖2C示出了根據本公開的室溫下作為柵極電壓的函數的電流傳輸曲線圖；
[0020]圖3A示出了根據本公開的石墨烯HFET的串聯電阻網絡形式的等效電路；
[0021]圖3B示出了根據本公開的室溫下溝道長度分別為Lds = 0.25yn^PLds = 0.5ym時的溝道電流與Vds的曲線圖；
[0022]圖3C示出了根據本公開的導通狀態電流的計算結果關于GrF勢皇厚度的曲線圖；
[0023]圖4A示出了根據本公開的P型Gr/GrF/Gr HFET的示圖；
[0024]圖4B示出了根據本公開在共用襯底上集成η型石墨稀HFET和ρ型石墨稀HFET ；以及
[0025]圖5示出了根據本公開的制造橫向石墨烯異質結構FET的方法。
【具體實施方式】
[0026]為了清楚地描述本文中公開的多種不同的特定實施例，在以下描述中闡述了許多具體細節。然而，本領域的技術人員將理解的是，可以在不具有下述全部具體細節的情況下實現根據權利要求的本發明。在其他示例中，沒有對眾所周知的特征進行描述，以免混淆本發明。
[0027]現在參照圖1A示出了具有橫向石墨烯異質結構溝道的橫向石墨烯HFET 10，其具有橫向布置在襯底12上的石墨稀(Gr)層14、氟化石墨稀(GrF)層16和石墨稀(Gr)層18，襯底12可以是硅、二氧化硅、碳化硅、玻璃或耐熱玻璃，以及其他適合的襯底材料。氟化石墨稀(GrF)層16位于石墨稀(Gr)層14與