石墨烯器件及其制造和操作方法以及電子裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 示例實(shí)施方式涉及石墨烯器件及其制造和操作方法和/或包括該石墨烯器件的 電子裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 二維（2D)材料通常是這樣的單層或半層固體材料，其中原子形成期望的晶體結(jié) 構(gòu)或替代地形成預(yù)定或給定的晶體結(jié)構(gòu)。2D材料的眾所周知的示例是石墨烯。石墨烯是其 中碳原子形成六邊形結(jié)構(gòu)的單層（單個(gè)原子層）結(jié)構(gòu)。石墨烯可以具有通常為硅（Si)的 電荷迀移率的至少100倍或更高的電荷迀移率（例如，2X105cm2/VS)、通常為銅（Cu)的電 流密度的至少100倍或更高的電流密度（例如，約l〇sA/cm2)、以及非常高的費(fèi)米速度（VF)。 因此，石墨烯已經(jīng)作為可以克服現(xiàn)有技術(shù)中的材料的限制的下一代材料而引起關(guān)注。
[0003] 至少由于上述原因，已經(jīng)開(kāi)展了應(yīng)用石墨烯的器件的研究。然而，對(duì)應(yīng)用石墨烯的 器件的研究被局限于具有單一功能的器件。為了實(shí)現(xiàn)具有各種功能的電子器件，需要具有 不同功能的多個(gè)器件，這些器件可以連接到（聯(lián)接到）彼此。這導(dǎo)致工藝和設(shè)計(jì)方面的各 種困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 示例實(shí)施方式涉及多功能的石墨烯器件。
[0005] 示例實(shí)施方式涉及通過(guò)將具有期望的功能或替代地具有預(yù)定功能的功能材料層 與石墨烯結(jié)合而能夠在單個(gè)器件中執(zhí)行各種功能的石墨烯器件。
[0006] 示例實(shí)施方式涉及在開(kāi)關(guān)器件/電子器件（例如，晶體管）的結(jié)構(gòu)中具有存儲(chǔ)器 器件、壓電器件和光電子器件中的至少一個(gè)的特性（功能）的石墨烯器件。
[0007] 示例實(shí)施方式涉及制造該石墨烯器件的方法。
[0008] 示例實(shí)施方式涉及操作該石墨烯器件的方法。
[0009] 示例實(shí)施方式涉及包括該石墨烯器件的電子裝置/電子電路/邏輯器件。
[0010] 其他的示例實(shí)施方式將在以下的描述中被部分地闡述，并將部分地從該描述而變 得明顯，或者可以通過(guò)示例實(shí)施方式的實(shí)施而掌握。
[0011] 根據(jù)至少一個(gè)示例實(shí)施方式，一種石墨烯器件包括：石墨烯層；第一電極，電連接 到石墨烯層的第一區(qū)域；第二電極，對(duì)應(yīng)于石墨烯層的第二區(qū)域；功能層，在石墨烯層和第 二電極之間并具有非易失性存儲(chǔ)器特性和壓電特性中的至少一個(gè)；柵極，面對(duì)功能層，石墨 烯層在兩者之間；以及柵極絕緣層，在石墨烯層和柵極之間。
[0012] 功能層可以包括電阻變化材料、相變材料、鐵電材料、多鐵性材料、多穩(wěn)態(tài)分子以 及壓電材料中的至少一種。
[0013] 功能層可以包括過(guò)渡金屬氧化物（ΤΜ0)、硫族化物材料、鈣鈦礦材料、二維（2D)材 料以及有機(jī)材料中的至少一種。
[0014] 石墨烯器件還可以包括在功能層和石墨烯層之間的第一插入層和在功能層和第 二電極之間的第二插入層中的至少一個(gè)。
[0015] 第一和第二插入層可以是半導(dǎo)體或絕緣體。
[0016] 柵極絕緣層可以在柵極上，石墨烯層可以在柵極絕緣層上，彼此間隔開(kāi)的第一和 第二電極可以在石墨烯層上，功能層可以在石墨烯層和第二電極之間。
[0017] 石墨烯層可以在基板上，第一電極可以在石墨烯層的第一區(qū)域上，第二電極可以 在石墨烯層的第二區(qū)域和基板之間，功能層可以在第二電極和石墨烯層之間，柵極絕緣層 和柵極可以順序地位于功能層上的石墨烯層上。
[0018] 功能層可以包括η型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體。
[0019] 功能層可以包括雙極性半導(dǎo)體。
[0020] 功能層可以包括橫向地布置的多個(gè)層，該多個(gè)層可以包括η型半導(dǎo)體層和ρ型半 導(dǎo)體層。
[0021] 功能層可以包括垂直地堆疊的多個(gè)層，該多個(gè)層可以包括η型半導(dǎo)體層和ρ型半 導(dǎo)體層。
[0022] 功能層可以包括相變材料。在這種情況下，石墨烯器件還可以包括在功能層和第 二電極之間的加熱電極。
[0023] 功能層可以具有光電轉(zhuǎn)換特性。
[0024] 第二功能層可以進(jìn)一步設(shè)置在石墨烯層和第二電極之間，第二功能層可以具有光 電轉(zhuǎn)換特性。
[0025] 柵極、第一電極和第二電極中的至少一個(gè)可以由透明材料形成或包括透明材料。
[0026] 石墨烯器件可以是多功能的器件。
[0027] 根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式，一種石墨烯器件包括：第一和第二石墨烯層；第一和 第二電極元件，分別電連接到第一和第二石墨烯層；第三電極元件，對(duì)應(yīng)于第一石墨烯層的 一部分和第二石墨烯層的一部分；第一功能層，在第三電極元件和第一石墨烯層之間；第 二功能層，在第三電極元件和第二石墨烯層之間；柵極，與第一和第二石墨烯層間隔開(kāi)；以 及柵極絕緣層，在柵極與第一和第二石墨烯層之間。第一和第二功能層中的至少一個(gè)具有 光電轉(zhuǎn)換特性、非易失性存儲(chǔ)器特性和壓電特性中的至少一個(gè)。
[0028] 第一和第二功能層中的一個(gè)可以是η型半導(dǎo)體，另一個(gè)可以是ρ型半導(dǎo)體。
[0029] 石墨烯器件可以具有互補(bǔ)反相器結(jié)構(gòu)。
[0030] 石墨烯器件可以具有雙極性晶體管結(jié)構(gòu)。
[0031] 第一和第二功能層中的至少一個(gè)可以包括發(fā)光材料、光敏（photoactive)材料、 電阻變化材料、相變材料、鐵電材料、多鐵性材料、多穩(wěn)態(tài)分子和壓電材料中的至少一種。
[0032] 第一和第二功能層中的至少一個(gè)可以包括包含III族和V族元素的化合物、ΤΜ0、硫 族化物材料、鈣鈦礦材料、2D材料和有機(jī)材料中的至少一種。
[0033] 石墨烯器件還可以包括以下中的至少一個(gè)：在第一功能層和第一石墨烯層之間的 第一插入層、在第一功能層和第三電極元件之間的第二插入層、在第二功能層和第二石墨 烯層之間的第三插入層以及在第二功能層和第三電極元件之間的第四插入層。
[0034] 根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式，一種石墨烯器件包括：石墨烯層；第一電極，電連接到 石墨烯層的第一區(qū)域；第二電極，對(duì)應(yīng)于石墨烯層的第二區(qū)域；功能層，包括橫向地布置在 石墨烯層與第二電極之間的多個(gè)層，其中該多個(gè)層中的至少一個(gè)具有光電轉(zhuǎn)換特性、非易 失性存儲(chǔ)器特性和壓電特性中的至少一種；柵極，面對(duì)功能層，石墨烯層在兩者之間；以及 柵極絕緣層，在石墨烯層和柵極之間。
[0035] 該多個(gè)層可以包括第一層和第二層，第一層可以是η型半導(dǎo)體，第二層可以是p型 半導(dǎo)體。
[0036] 該多個(gè)層可以包括第一層和第二層，第一層可以具有光電轉(zhuǎn)換特性、非易失性存 儲(chǔ)器特性和壓電特性中的一個(gè)。例如，第二層可以具有光電轉(zhuǎn)換特性、非易失性存儲(chǔ)器特性 和壓電特性中的另一個(gè)。
[0037] 石墨烯器件還可以包括在功能層和石墨烯層之間的第一插入層和在功能層和第 二電極之間的第二插入層中的至少一個(gè)。
[0038] 根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式，一種石墨烯器件包括：石墨烯層；第一電極，電連接到 石墨烯層的第一區(qū)域；第二電極，對(duì)應(yīng)于石墨烯層的第二區(qū)域；功能層，包括垂直地堆疊在 石墨烯層與第二電極之間的多個(gè)層，其中該多個(gè)層的每個(gè)具有光電轉(zhuǎn)換特性、非易失性存 儲(chǔ)器特性和壓電特性中的至少一種；柵極，面對(duì)功能層，石墨烯層在兩者之間；以及柵極絕 緣層，在石墨烯層和柵極之間。
[0039] 該多個(gè)層可以包括第一層和第二層，第一層可以是η型半導(dǎo)體，第二層可以是ρ型 半導(dǎo)體。
[0040] 該多個(gè)層可以包括第一層和第二層。第一層可以具有光電轉(zhuǎn)換特性、非易失性存 儲(chǔ)器特性和壓電特性中的一個(gè)，第二層可以具有光電轉(zhuǎn)換特性、非易失性存儲(chǔ)器特性和壓 電特性中的另一個(gè)。
[0041] 石墨烯器件還可以包括在功能層和石墨烯層之間的第一插入層和在功能層和第 二電極之間的第二插入層中的至少一個(gè)。
[0042] 根據(jù)至少一個(gè)示例實(shí)施方式，一種石墨烯器件包括：至少一個(gè)石墨烯層；至少一 個(gè)電極元件，電連接到該至少一個(gè)石墨稀層；至少一個(gè)功能層，在至少一個(gè)電極元件和至少 一個(gè)石墨烯層之間，其中至少一個(gè)功能層具有光電轉(zhuǎn)換特性、非易失性存儲(chǔ)器特性、壓電特 性、η型半導(dǎo)體和ρ型半導(dǎo)體中的至少一個(gè)。
【附圖說(shuō)明】
[0043] 從以下結(jié)合附圖的描述，這些和/或其他的示例實(shí)施方式將變得明顯并更易于理 解，附圖中：
[0044] 圖1是根據(jù)至少一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0045] 圖2是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0046] 圖3是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0047] 圖4是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0048] 圖5是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0049] 圖6是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0050] 圖7是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0051] 圖8是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0052] 圖9是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0053] 圖10是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0054] 圖11是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0055] 圖12是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0056] 圖13是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0057] 圖14是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0058] 圖15是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0059] 圖16是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0060] 圖17是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0061] 圖18是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0062] 圖19是示出當(dāng)圖18的石墨烯器件用作反相器時(shí)的電路配置的電路圖；
[0063] 圖20是根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件的截面圖；
[0064] 圖21A-21C是用于說(shuō)明根據(jù)示例實(shí)施方式的制造石墨烯器件的方法的截面圖；
[0065] 圖22是用于說(shuō)明根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的制造石墨烯器件的方法的截面圖；
[0066] 圖23A-23D是用于說(shuō)明根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的制造石墨烯器件的方法的截 面圖；
[0067] 圖24A-24E是用于說(shuō)明根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的制造石墨烯器件的方法的截 面圖；
[0068] 圖25A-25E是用于說(shuō)明根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的制造石墨烯器件的方法的截 面圖；
[0069] 圖26A-26D是用于說(shuō)明根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的制造石墨烯器件的方法的截 面圖；
[0070] 圖27是截面圖，用于說(shuō)明當(dāng)根據(jù)示例實(shí)施方式的石墨烯器件操作時(shí)施加在電極 之間的電壓Vds和Vgs;
[0071] 圖28-32是用于說(shuō)明圖27的石墨烯器件的操作方法的能帶圖；
[0072] 圖33是截面圖，用于說(shuō)明當(dāng)根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件操作時(shí)施加 在電極之間的電壓Vds和Vgs;
[0073] 圖34-37是用于說(shuō)明圖33的石墨烯器件的操作方法的能帶圖；
[0074] 圖38是截面圖，用于說(shuō)明當(dāng)根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件操作時(shí)施加 在電極之間的電壓Vds和Vgs;
[0075] 圖39-41是用于說(shuō)明圖38的石墨烯器件的操作方法的能帶圖；
[0076] 圖42是截面圖，用于說(shuō)明當(dāng)根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件操作時(shí)施加 在電極之間的電壓Vds和Vgs;
[0077] 圖43和44是用于說(shuō)明圖42的石墨烯器件的操作方法的能帶圖；
[0078] 圖45是截面圖，用于說(shuō)明當(dāng)根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件操作時(shí)施加 在電極之間的電壓Vds和Vgs;
[0079] 圖46和47是用于說(shuō)明圖45的石墨烯器件的操作方法的能帶圖；
[0080] 圖48是截面圖，用于說(shuō)明當(dāng)根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施方式的石墨烯器件操作時(shí)施加 在電極之間的電壓Vds和Vgs;以及
[0081] 圖49和50是用于說(shuō)明圖48的石墨烯器件的操作方法的能帶圖。
【具體實(shí)施方式】
[0082] 現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述各個(gè)示例實(shí)施方式，附圖中示出了示例實(shí)施方式。
[0083] 將理解，當(dāng)元件被稱為在另一元件"上"、"連接到"或"聯(lián)接到"另一元件時(shí)，它可 以直接在另一元件上、直接連接到或聯(lián)接到另一元件，或者可以存在插入的元件。相反，當(dāng) 元件被稱為"直接連接"或"直接聯(lián)接"到另一元件時(shí)，不存在插入元件。如這里所用的，術(shù) 語(yǔ)"和/或"包括一個(gè)或多個(gè)所列相關(guān)項(xiàng)目的任何及所有組合。此外，將理解，當(dāng)層被稱為 在另一層"下面"時(shí)，它可以直接在下面，或者還可以存在一個(gè)或多個(gè)插入層。此外，還將理 解，當(dāng)層被稱為在兩個(gè)層"之間"時(shí)，它可以是該兩個(gè)層之間的唯一層，或者還可以存在一個(gè) 或多個(gè)插入層。
[0084] 將理解，雖然這里可使用術(shù)語(yǔ)"第一"、"第二"等描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/ 或部分，但這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受到這些術(shù)語(yǔ)限制。這些術(shù)語(yǔ)僅用于將 一個(gè)元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一元件、部件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開(kāi)。因此，以下討論 的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而沒(méi)有背離 示例實(shí)施方式的教導(dǎo)。
[0085] 為便于描述這里可以使用諸如"在…之下"、"在...下面"、"下"、"在…之上"、"上" 等空間關(guān)系術(shù)語(yǔ)來(lái)描述一個(gè)元件或特征與另一個(gè)（些）元件或特征之間如附圖所示的關(guān) 系。將理解，空間關(guān)系術(shù)語(yǔ)是用來(lái)概括除附圖所示取向之外器件在使用或操作中的不同取 向的。例如，如果附圖中的器件翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，被描述為"在"其它元件或特征"之下"或"下面" 的元件將會(huì)取向在其他元件或特征的"上方"。這樣，示例術(shù)語(yǔ)"在...下面"能夠涵蓋之上 和之下兩種取向。器件可以采取其他取向（旋轉(zhuǎn)90度或在其他取向），這里所用的空間相 對(duì)性描述符做相應(yīng)解釋。
[0086] 這里所用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述特定實(shí)施方式的目的，而不意在限制示例實(shí)施方 式。如這里所用的，除非上下文另外明確表述，否則單數(shù)形式"一"、"一個(gè)"和"該"也旨在包 括復(fù)數(shù)形式。還將理解的是，術(shù)語(yǔ)"包括"和/或"包含"，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)，指定了所 述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、 步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或增加。
[0087] 這里參照截面圖描述了示例實(shí)施方式，這些圖是示例實(shí)施方式的理想化實(shí)施方式 (和中間結(jié)構(gòu)）的示意圖。因而，由例如制造技術(shù)和/或公差引起的圖示形狀的變化是可能 發(fā)生的。因此，示例實(shí)施方式不應(yīng)被解釋為僅限于這里示出的區(qū)域的特定形狀，而是包括由 例如制造引起的形狀偏差在內(nèi)。例如，圖示為矩形的注入?yún)^(qū)域?qū)⑼ǔ＞哂袌A化或彎曲的特 征和/或在其邊緣處的注入濃度的梯度而不是從注入?yún)^(qū)到非注入?yún)^(qū)的