專利名稱：一種石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于場效應(yīng)晶體管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著摩爾(Moore)定律的不斷延展與縱深，使得硅基集成電路的器件尺寸離物理極限越來越近，國際半導(dǎo)體工藝界紛紛提出超越硅(Beyond Silicon)技術(shù)，其中，石墨烯被認(rèn)為是最有希望替代硅的材料。石墨烯(Graphene)是一種單層蜂窩晶體點陣上的碳原子組成的二維晶體，單層石墨的厚度約為0.35納米。圖1所示為石墨烯的基本結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)前，十層以下的石墨均被看作為石墨烯。由于石墨烯具有超導(dǎo)性能、高強度的機械性能等(例如，其強度可達(dá)到 130GPa，載流子遷移率可以達(dá)到250000cm2/VS)，其自2004年被發(fā)現(xiàn)以來被廣泛關(guān)注。石墨烯場效應(yīng)晶體管(Graphene Field-Effect-Transistor，GFET)是利用石墨烯的半導(dǎo)體特性來制成的晶體管。其中，石墨烯用于形成GFET的溝道，通過控制柵端電壓，其可以調(diào)制溝道的電流大小，也即調(diào)制源端和漏端之間的電流大小。同時注意到，在光電子領(lǐng)域，紅外探測器主要是利用半導(dǎo)體化合物材料的光導(dǎo)電效應(yīng)來感測紅外線。現(xiàn)有技術(shù)中，各波段紅外探測器中，無論是InGaAs基、InSb基、或者量子阱型探測QWIP以及碲鎘汞(MCT)基，都需要在低溫下工作并需要額外的制冷系統(tǒng)，這限制了其應(yīng)用并提高了應(yīng)用成本。并且，它們生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)過程帶有劇毒，也不易與大規(guī)模集成電路的制備工藝兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種具有紅外探測功能的GFET的制備方法。本發(fā)明提出的具有紅外探測功能的GFET的制備方法，包括以下步驟
(1)提供紅外線可穿透的襯底；
(2)化學(xué)氣相淀積石墨烯形成石墨烯溝道層；(3)在所述石墨烯溝道層上構(gòu)圖形成柵介質(zhì)層；以及
(4)在所述柵介質(zhì)層上構(gòu)圖形成柵端。其中，所述石墨烯溝道層可操作地在紅外線輻射下產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)、以使所述石墨烯場效應(yīng)晶體管的電學(xué)特性發(fā)生變化。較佳地，所述石墨烯溝道層的石墨層數(shù)為2至10層。在一優(yōu)選實例中，所述步驟(2)包括以下過程
(2a)將所述襯底置于化學(xué)氣相淀積裝置的腔體中，通入Ar/H2混合氣體，其中，流量范圍為2OOsccm至8OOsccm,壓力為8托至9托；
(2b)在確保所述腔體內(nèi)壓力為300 mTorr —500mTorr (毫托)的環(huán)境下，通入甲烷與惰性氣體，甲烷與惰性氣體的氣體流量比值范圍約是1:2 1:5，甲烷與惰性氣體的總流量的范圍為280sccm至480sccm ；以及(2c)加熱到化學(xué)氣相淀積的溫度后，在Ar/H2混合氣體環(huán)境下按每分鐘45-55°C的速率降至室溫。較佳地，所述化學(xué)氣相淀積的溫度范圍為300°C -400°C。按照本發(fā)明提供的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法的一實施例中，步驟(3)所述柵介質(zhì)層為厚度范圍為10埃至100埃的高K介質(zhì)層。在一優(yōu)選實例中，所述柵介質(zhì)層為原子層淀積生長形成的六方氮化硼，所述步驟 (3)包括以下過程
(3a)利用BBrJt為硼的前驅(qū)體、氨氣(NH3)作為氮的前驅(qū)體、惰性氣體作為載氣，原子層淀積的反應(yīng)腔的溫度為400°C到750°C，原子層淀積的反應(yīng)腔內(nèi)壓力范圍為1-10托；
(3b)先以流速 800—1000sccm 通入 Ar/BBr3 2—3 秒鐘后，再通入 260—300sccm Ar 氣3—4秒鐘，再以16—20sccm流速通入NH3 2—3秒鐘，最后通入260—300sccm Ar氣3—4 秒鐘，從而完成一個循環(huán)；以及
(3c )重復(fù)以上步驟(3b )，直至六方氮化硼生長達(dá)到的預(yù)定厚度。在又一優(yōu)選實例中，所述柵介質(zhì)層為原子層淀積生長形成的Al2O3，所述步驟(3) 還包括以下步驟(a3)在步驟(3a)之前用NO2對所述石墨烯溝道層進(jìn)行表面處理。在還一優(yōu)選實例中，所述柵介質(zhì)層為原子層淀積生長形成的Al2O3，所述步驟(3) 還包括以下步驟(a3)在步驟(3a)之前，在所述石墨烯溝道層上生長3，4，9，10 -茈四羧酸的聚合物緩沖層。所述生長3，4，9，10 -茈四羧酸的聚合物緩沖層的過程為將所述石墨烯溝道層置入PTCA (3，4，9，10 -茈四羧酸溶液)溶液中浸泡30—35分鐘。較佳地，在原子層淀積生長Al2O3時，在為50°C _200°C的條件下利用TAM (三甲基鋁)和水作為前驅(qū)體來生長αι203。本發(fā)明的技術(shù)效果是，該制備方法工藝過程簡單并易于與集成電路制造工藝兼容，其所制備形成的GEFT有靈敏度高、功耗低、超輕超穩(wěn)定的紅外探測功能，并且紅外吸收帶寬且可根據(jù)實際應(yīng)用需求可調(diào)。


圖1是石墨烯的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是按照本發(fā)明一實施例提供的GEFT的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是制備圖2所示的GEFT的方法流程示意圖。圖4至圖8是對應(yīng)圖3中的步驟Sll至S15的結(jié)構(gòu)變化示意圖。圖9是按照本發(fā)明又一實施例提供的GEFT的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和參考實施例中進(jìn)一步描述本發(fā)明，本發(fā)明提供優(yōu)選實施例，但不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于在此闡述的實施例。在圖中，為了清楚放大了層和區(qū)域的厚度，但作為示意圖不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。在此參考圖是本發(fā)明的理想化實施例的示意圖，本發(fā)明所示的實施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示的區(qū)域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如制備引起的偏差。例如
5干法刻蝕得到的曲線通常具有彎曲或圓潤的特點，但在本發(fā)明實施例圖示中，均以矩形表示，圖中的表示是示意性的，但這不應(yīng)該被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。圖2所示為按照本發(fā)明一實施例提供的GEFT的基本結(jié)構(gòu)示意圖。如常規(guī)的 M0SEFET —樣，該GFET 10包括溝道層110、源端(S) 130、漏端(D) 140、柵介質(zhì)層120以及柵端(G)150。如圖2所示，溝道層110形成于襯底100上，在該實施例中，襯底100為在Si 上生長SiO2薄膜的復(fù)合層結(jié)構(gòu)(Si02/Si )，并且，該襯底100為紅外透明材料，也即紅外線可以穿透該襯底，優(yōu)選地，5微米以上的中紅外線以及遠(yuǎn)紅外線能穿透該襯底。但是襯底100 的具體類型不受本發(fā)明實施例限制。溝道層110在該發(fā)明中具體地為石墨烯，并且其是包括兩層或兩層以上石墨的石墨烯，優(yōu)選地，石墨烯溝道層110為2至10層石墨的石墨烯。 Frank Schwierz 等人在《Nature Nanotechnology》雜志的 2010 年、第 5 期第 487-496 頁的名稱為“Graphene transistor”的文章中報道了石墨烯在雙層化后出現(xiàn)最大約250meV (毫電子伏)的禁帶寬度，由此可知，該石墨烯110具有半導(dǎo)體特性，其在柵端150的電壓Vg的調(diào)制下，可以形成載流子溝道。源端130和漏端140分別形成與石墨烯溝道層110的兩端，其均與溝道110形成電性連接。源端130和漏端140的具體材料不是限制性的，例如，其可以為Pd、TiN, Pt或Cu 等。另外，石墨烯溝道層110上構(gòu)圖形成柵介質(zhì)層120，柵介質(zhì)層120上構(gòu)圖形成柵端150。 因此，在源端130和漏端140之間偏置電壓信號Vsd后，通過柵端150上偏置電壓信號Vg 的變化，可以調(diào)制石墨烯溝道層110中載流子濃度的變化，實現(xiàn)對溝道電流Ids的調(diào)制，從而GEFT 10具有場效應(yīng)晶體管特性。同時，在本發(fā)明中，考慮到了石墨烯材料的光電導(dǎo)效應(yīng)，將該GEFT應(yīng)用于紅外線探測。在該實施例中，石墨烯溝道層110在紅外線輻射下可以產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，其導(dǎo)致溝道的載流子濃度發(fā)生變化，從而會導(dǎo)致IdS變化，也即GEFT的電學(xué)特性發(fā)生變化，因此，可以通過檢測Ids的變化(Vg和Vsd固定的情況下)來探測紅外線。另外，由于石墨烯110的載流子遷移率非常高(可以達(dá)到20000-50000Cm2/VS)，石墨烯溝道層110在紅外線下的光電導(dǎo)效應(yīng)能迅速得到反映，因此，該GEFT對紅外探測具有極高靈敏度，并且，無需常規(guī)紅外探測器件所必須的制冷系統(tǒng)，應(yīng)用成本低。同時。我們發(fā)現(xiàn)，多層化的石墨烯具有禁帶寬度可調(diào)的特性，例如，雙層化的石墨烯具有在1-250 meV范圍內(nèi)可調(diào)的禁帶寬度(Eg)。因此，在該實施例中，石墨烯溝道層110 在柵端電壓Vg的控制下，其禁帶寬度也可以發(fā)生變化。根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)的原理，當(dāng)照射的光子能量Ar等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時，光子能夠?qū)r帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶， 從而產(chǎn)生導(dǎo)電的電子、空穴對(也即載流子);本征光電導(dǎo)效應(yīng)的響應(yīng)波限λ。根據(jù)以下公式 (1)可以計算得出
λ C=hc/Eg=l. 24/Eg (μπι)(1)
其中，h為普朗克常數(shù)。因此，在Eg約等于0.25meV時，本征光電導(dǎo)效應(yīng)的響應(yīng)波限為5微米。具體地，可以根據(jù)所需探測的紅外線波長的范圍，調(diào)節(jié)柵端電壓以調(diào)節(jié)禁帶寬度Eg，以使該GEFT 10 可以對特定波長范圍的紅外線進(jìn)行探測。根據(jù)以上計算可知，該GEFT 10至少可以對約5 微米波長以上的中紅外以及遠(yuǎn)紅外(通常地，遠(yuǎn)紅外的波長范圍為25 μ m-1000 μ m)進(jìn)行探測，相對于現(xiàn)有的紅外探測器件，吸收帶更寬。
同時，已知地，石墨烯溝道層110上生長柵介質(zhì)層120時，會對石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)造成損傷從而大大降低載流子遷移率。因此，柵介質(zhì)層120優(yōu)選地采用超薄高κ (介電常數(shù))介質(zhì)層。柵介質(zhì)層120的厚度范圍大約為10埃至100埃。在一實例中，柵介質(zhì)層120采用h-BN (六方氮化硼)，這是由于h_BN與石墨烯具有基本相同的晶體結(jié)構(gòu)，h-BN在一個原子層平面內(nèi)化學(xué)鍵作用很強，使h-BN表面具有很強的化學(xué)惰性，幾乎沒有懸空鍵存在，也沒有表面陷阱電荷存在，從而對石墨烯中電子遷移率影響較小。h-BN具體地可以采用ALD (原子層淀積)的方法形成。在又一實例中，柵氧介質(zhì)層120采用ALD生長的A1203。這是由于ALD是一種厚度及均勻性控制精確、填充能力強、低缺陷超薄生長的高κ介質(zhì)層生長手段。常規(guī)地，ALD生長過程中，利用水作為前驅(qū)體；而在ALD應(yīng)用于石墨烯上的高κ介質(zhì)層生長時；采用該常規(guī)方法是不容易實現(xiàn)高κ介質(zhì)層生長。在一優(yōu)選方案中，在石墨烯溝道層110的上表面進(jìn)行表面處理，例如NO2處理，利用NO2-TMA (三甲基鋁)對石墨烯110表層功能化，這樣，可以 ALD生長獲得IOnm以下的沒有針孔的Al2O3介質(zhì)薄膜。在又一優(yōu)選方案中，在石墨烯溝道層 110 的上表面生長 PTCA (3，4，9，10-perylene tetracarboxylic acid, 3, 4, 9, 10 -茈四羧酸)的聚合物緩沖層，再ALD生長Al2O3介質(zhì)薄膜；具體地，將石墨烯110在PTCA溶液中浸泡30分鐘，然后清洗并吹干放入ALD的生長腔，在約100攝氏度的條件下利用TAM和水作為前驅(qū)體來生長Al2O315這是由于PTCA預(yù)處理石墨烯后，引入高密度的羥化物終止二萘嵌苯(carboxylate terminated perylene)分子，同時得到密集的包裹功能團(tuán)，從而允許連續(xù)均一地在石墨烯上生長超薄AL2O3薄膜。進(jìn)一步，優(yōu)選地，柵介質(zhì)層為單晶納米帶(nanoribbon)結(jié)構(gòu)的A1203。同時，構(gòu)圖定義石墨烯溝道層Iio時，也以單晶納米帶的Al2O3柵介質(zhì)層(120)為刻蝕掩膜，這樣，石墨烯溝道層110遷移率可以達(dá)到22400cm2/VS。繼續(xù)如圖2所示，石墨烯溝道層110的生長方法有機械剝離法、石墨烯氧化物化學(xué)還原法、熱處理法、SiC上外延生長法以及化學(xué)氣相淀積法(CVD)。為使該GEFT 10的制備易于與集成電路制備工藝集成并且成本低，優(yōu)選地，采用CVD法生長石墨烯溝道層110，這樣易于實現(xiàn)GEFT的大規(guī)?；苽?。更優(yōu)選地，CVD生長石墨烯的溫度條件為300-400°C。圖3所示為制備圖2所示的GEFT的方法流程示意圖。圖4至圖8為對應(yīng)圖3中的步驟Sll至S15的結(jié)構(gòu)變化示意圖。以下結(jié)合圖3至圖8說明圖2所示GEFT 10的詳細(xì)制備方法。首先，步驟S11，提供紅外線可穿透的襯底。如圖4所示，在晶圓硅襯底上生長氧化硅層，從而提供Si02/Si襯底100。襯底100 可被中紅外線和遠(yuǎn)紅外線說穿透，為石墨烯溝道層的紅外檢測提供條件。襯底100的具體類型不是受本發(fā)明實施例限制，例如，其還可以為金屬層。進(jìn)一步，步驟S12，化學(xué)氣相淀積石墨烯。如圖5所示，在Si02/Si襯底100上覆蓋生長石墨烯110，其用作GEFT的溝道層。 在本發(fā)明中，為使該GEFT的制備易于集成電路的制備工藝兼容，采用CVD的方法生長。具體地，CVD可以為LPCVD (低壓化學(xué)汽相淀積)、PECVD (等離子體增強化學(xué)氣相淀積)等方法。 具體地包括以下過程
首先將襯底100至于石英管的腔體中，通入流量范圍為200sCCm至SOOsccm (標(biāo)況毫升每分鐘)(例如400SCCm)的Ar/H2混合氣體，壓力為8_9Torr (托)；將襯底100在此穩(wěn)定環(huán)境下加熱至950攝氏度；然后停止通入Ar/壓混合氣體；在保持石英管腔體內(nèi)壓力范圍為 300-500毫托(例如500mTorr)的環(huán)境下，通入甲烷以及氬氣(也可以為其它惰性氣體)(其中甲烷/氬氣的氣體流量比值范圍約是1:2 1:5，甲烷以及氬氣的總氣體流量大小取決于所需形成的石墨烯薄膜的尺寸，其流量范圍一般約為28(T480sCCm)，加熱到一定溫度后(例如1000攝氏度)然后再在Ar/H2混合氣體環(huán)境下按50攝氏度每分鐘的速率降至室溫。從而可以在襯底上生長石墨烯110。石墨烯110所包括的石墨層數(shù)可以為2-10層，例如，為 6-10 層。需要說明的是，石墨烯110還可以采用其它CVD方法生長形成。例如，CVD生長溫度為300攝氏度至400攝氏度的薄膜生長方法。進(jìn)一步，步驟S13，在所述石墨烯上構(gòu)圖形成源端和漏端。如圖6所示，在該步驟中，金屬源端130和漏端140被同時構(gòu)圖形成，源端130和漏端140均可以與石墨烯110形成歐姆接觸。進(jìn)一步，步驟S14，在所述石墨烯上構(gòu)圖形成柵介質(zhì)層。如圖7所示，在源端130和漏端140之間、石墨烯110之上，構(gòu)圖形成柵介質(zhì)層120。 由于柵介質(zhì)層120與石墨烯110接觸的界面易于形成大量缺陷，從而大大降低載流子遷移率。柵介質(zhì)層120中的雜質(zhì)電荷、界面處的殘留電荷等可以對石墨烯中的載流子造成庫侖散射，這是造成遷移率下降的主要原因。因此，在該步驟中，通過改進(jìn)柵介質(zhì)層120的制備工藝來保證石墨烯中載流子的遷移率。其中，柵介質(zhì)層120采用超薄高κ介質(zhì)層材料(例如，八1203、11-81!1 )2、1^203等)，其厚度范圍大約為10埃至100埃。在一實例中，通過ALD的方法生長h-BN形成柵介質(zhì)層120，具體過程如下
(1)利用BBr3 (Boron tribromide，其純度大于99. 999%)作為B的前驅(qū)體，氨氣NH3 (雜質(zhì)低于Ippb (納克))作為N的前驅(qū)體，高純氬氣(純度大于99. 995%)作為載氣；反應(yīng)腔的溫度400度到750度，反應(yīng)腔內(nèi)壓力范圍約為1-10托(例如約為lOTorr)。(2)先以流速IOOOsccm通入Ar/BBr3約2秒鐘后，再通入300sccm Ar氣約3秒鐘，再以20sccm流速通入NH3約2秒鐘，最后通入300sccm Ar氣3秒鐘，從而完成一個循環(huán)；在400度時h-BN的生長速率約為0. 3A/循環(huán)。需要說明的是，ALD生長h-BN的具體工藝條件不是限制性的。在又一實例中，通過ALD的方法生長的Al2O3作為柵介質(zhì)層120。這是由于ALD是一種厚度及均勻性控制精確、填充能力強、低缺陷超薄生長的高κ介質(zhì)層生長手段。常規(guī)地，ALD生長過程中，利用水作為前驅(qū)體；而在ALD應(yīng)用于石墨烯上的高κ介質(zhì)層生長時； 采用該常規(guī)方法是不容易實現(xiàn)高κ介質(zhì)層生長。在一優(yōu)選方案中，在石墨烯溝道層110的上表面進(jìn)行表面處理，例如NO2處理，利用NO2-TMA(三甲基鋁)對石墨烯110表層功能化，這樣，可以ALD生長獲得IOnm以下的沒有針孔的Al2O3介質(zhì)薄膜。在又一優(yōu)選方案中，在石墨烯溝道層 110 的上表面生長 PTCA (3,4,9，10-perylene tetracarboxylic acid, 3, 4, 9, 10 -茈四羧酸)的聚合物緩沖層，再ALD生長Al2O3介質(zhì)薄膜；具體地，將石墨烯110在PTCA溶液中浸泡30分鐘，然后清洗并吹干放入ALD的生長腔，在約50-200攝氏(例如100攝氏度) 的條件下利用TAM和水作為前驅(qū)體來生長Al2O315這是由于PTCA預(yù)處理石墨烯后，引入高密度的羥化物終止二萘嵌苯(carboxylate terminated perylene)分子，同時得到密集的包裹功能團(tuán)，從而允許連續(xù)均一地在石墨烯上生長超薄AL2O3薄膜。進(jìn)一步，步驟S15，在所述柵介質(zhì)層上構(gòu)圖形成柵端。如圖8所示，在柵介質(zhì)層120上構(gòu)圖形成柵端150。柵端的具體形狀不受圖示實施例限制。至此，圖2所示的GEFT基本制備形成。圖9所示為按照本發(fā)明又一實施例提供的GEFT的基本結(jié)構(gòu)示意圖。相比于圖2 所示實施例，該實施例的GEFT 30主要差異在于采用了背柵結(jié)構(gòu)。同樣地，該GFET 30包括溝道層310、源端(S) 330、漏端(D) 340、柵介質(zhì)層320以及柵端(G) 350，其分別與圖2所示的溝道層110、源端(S) 130、漏端(D) 140、柵介質(zhì)層120以及柵端(G) 150相對應(yīng)。如圖9所示，柵端350形成于Si02/Si襯底100上，柵端350上先形成柵介質(zhì)層 320，柵介質(zhì)層320的具體材料選擇以及制備方法等，可以參考圖2所示實施例的柵介質(zhì)層 120 ；溝道層310形成于柵介質(zhì)層320之上，同樣地，溝道層310的具體材料選擇以及制備方法等，也可以參考圖2所示實施例的溝道層110 ；源端330和漏端340分別與溝道層310的兩端電性連接。優(yōu)選地，在柵介質(zhì)層320采用h-BN材料，h-BN可以從超純單晶h_BN上剝離并轉(zhuǎn)移至金屬柵端350上，然后在h-BN上生長石墨烯作為溝道層310。這樣，石墨烯溝道層310 的遷移率仍然能夠保持在較高遷移率水平。需要說明的是，在以上實施例中，石墨烯溝道層110或310的具體制備方法不限于以上實施例，并且其隨著石墨烯的制備方法的不斷發(fā)展，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇相對適用于紅外探測應(yīng)用的新工藝方法。同時，柵介質(zhì)層120或320的具體材料種類以及制備方法也不限于以上實施例，其也能隨著石墨烯材料研究的不斷進(jìn)步以及介質(zhì)層制備方法的不斷發(fā)展，而選擇相適用于紅外探測應(yīng)用的新材料或新工藝方法。本發(fā)明的GEFT的紅外探測波長范圍也可能隨著對石墨烯材料的研究的進(jìn)步(例如，禁帶寬度的可調(diào)范圍的變化)，而作相應(yīng)的變化。因此，該發(fā)明的GEFT可以應(yīng)用于紅外探測器，紅外探測器的紅外感應(yīng)基本元件采用該發(fā)明的GEFT。因此，該紅外探測器的靈敏度高、功耗低、超輕超穩(wěn)定，并且，不要制冷系統(tǒng)，運行成本低，紅外吸收帶寬且可根據(jù)實際應(yīng)用需求可調(diào)；還避免了現(xiàn)有的紅外探測器生產(chǎn)工藝復(fù)雜且?guī)в袆《镜膯栴}。尤其適合于巡天紅外探測應(yīng)用。以上例子主要說明了本發(fā)明的GEFT及其紅外探測器。盡管只對其中一些本發(fā)明的實施方式進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，本發(fā)明可以在不偏離其主旨與范圍內(nèi)以許多其它的形式實施。因此，所展示的例子與實施方式被視為示意性的而非限制性的，在不脫離如所附各權(quán)利要求所定義的本發(fā)明精神及范圍的情況下，本發(fā)明可能涵蓋各種的修改與替換。
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權(quán)利要求
1.一種石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)提供紅外線可穿透的襯底；(2)化學(xué)氣相淀積石墨烯形成石墨烯溝道層；(3)在所述石墨烯溝道層上構(gòu)圖形成柵介質(zhì)層；以及(4)在所述柵介質(zhì)層上構(gòu)圖形成柵端；其中，所述石墨烯溝道層可操作地在紅外線輻射下產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)、以使所述石墨烯場效應(yīng)晶體管的電學(xué)特性發(fā)生變化。
2.如權(quán)利要求1所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述石墨烯溝道層的石墨層數(shù)為2至10層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述步驟 (2)包括以下過程(2a)將所述襯底置于化學(xué)氣相淀積裝置的腔體中，通入Ar/H2混合氣體，其中，流量范圍為2OOsccm至8OOsccm,壓力為8托至9托；(2b)在確保所述腔體內(nèi)壓力為300-500毫托的環(huán)境下，通入甲烷與惰性氣體，甲烷與惰性氣體的氣體流量比值范圍約是1:2 1:5，甲烷與惰性氣體的總流量的范圍為280sCCm 至480sccm ；以及(2c)加熱到化學(xué)氣相淀積的溫度后，在Ar/H2混合氣體環(huán)境下按每分鐘45-55°C的速率降至室溫。
4.如權(quán)利要求1或2所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)氣相淀積的溫度范圍為300°C -400°C。
5.如權(quán)利要求1或2所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述柵介質(zhì)層為厚度范圍為10埃至100埃的高K介質(zhì)層。
6.如權(quán)利要求5所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述柵介質(zhì)層為原子層淀積生長形成的六方氮化硼，所述步驟(3)包括以下過程(3a)利用BBr3作為硼的前驅(qū)體、NH3作為氮的前驅(qū)體、惰性氣體作為載氣，原子層淀積的反應(yīng)腔的溫度為400°C到750°C，原子層淀積的反應(yīng)腔內(nèi)壓力范圍為1-10托；(3b)先以流速 800—1000sccm 通入 Ar/BBr3 2-3 秒鐘后，再通入 260—300sccm Ar 氣 3—4秒鐘，再以16—20sccm流速通入NH3 2—3秒鐘，最后通入260—300sccm Ar氣3—4 秒鐘，從而完成一個循環(huán)；以及(3c )重復(fù)以上步驟(3b )，直至六方氮化硼生長達(dá)到的預(yù)定厚度。
7.如權(quán)利要求5所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述柵介質(zhì)層為原子層淀積生長形成的Al2O3，所述步驟(3)還包括以下步驟在步驟(3a)之前用NO2對所述石墨烯溝道層進(jìn)行表面處理。
8.如權(quán)利要求5所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述柵介質(zhì)層為原子層淀積生長形成的Al2O3，所述步驟(3)還包括以下步驟在步驟(3a)之前在所述石墨烯溝道層上生長3，4，9，10 -茈四羧酸的聚合物緩沖層。
9.如權(quán)利要求8所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，所述生長 3,4,9, 10 _茈四羧酸的聚合物緩沖層的過程為將所述石墨烯溝道層置入3，4，9，10 -茈四羧酸溶液中浸泡30—35分鐘。
10.如權(quán)利要求8所述的石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法，其特征在于，在原子層淀積生長Al2O3時，在50-200°C條件下利用三甲基鋁和水作為前驅(qū)體來生長Al2O3。
全文摘要
本發(fā)明屬于場效應(yīng)晶體管技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備方法。該方法的步驟包括提供紅外線可穿透的襯底；化學(xué)氣相淀積石墨烯形成石墨烯溝道層；在石墨烯溝道層上構(gòu)圖形成柵介質(zhì)層；以及在柵介質(zhì)層上構(gòu)圖形成柵端。其中，石墨烯溝道層可操作地在紅外線輻射下產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)，以使石墨烯場效應(yīng)晶體管的電學(xué)特性發(fā)生變化。該制備方法工藝過程簡單并易于與集成電路制造工藝兼容，所制備的場效應(yīng)晶體管具有靈敏度高、功耗低、超輕超穩(wěn)定的紅外探測功能，并且紅外吸收帶寬且可根據(jù)實際應(yīng)用需求可調(diào)。
文檔編號C23C16/34GK102184858SQ20111008608
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者吳東平, 周鵬, 孫清清, 張衛(wèi) 申請人:復(fù)旦大學(xué)