专利名称：一种石墨烯晶体管的制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米加工技术，具体是一种用碳纳米管做栅电极的石墨烯晶体管的制备方法。
背景技术：
石墨烯，即单层石墨，是迄今为止最薄的二维电子薄膜材料。石墨烯的电子迁移率很高，高达IO5Cm2V-1S-1数量级，远高于硅中电子迁移率。理论上，石墨烯中所有SP2杂化的碳原子均饱和成键，结构稳定，其所能承载的电流密度高、抗电击穿能力强；利用石墨烯制作场效应晶体管，可使沟道厚度降低至单原子尺度，其沟道长度也有可能缩短至纳米尺寸， 而且不存在类似于硅基器件中的短沟效应，故石墨烯在高速电子器件领域将具有巨大的应用潜力。目前，石墨烯晶体管的结构主要有两种，一种是背栅结构，石墨烯做沟道，用硅衬底表面的二氧化硅做栅介质，用高掺杂的硅基底做栅电极，该种结构的晶体管，其沟道长度因光刻精度或限于其它微加工工艺，目前报道的最小沟道长度为40纳米；且背栅结构的晶体管寄生电容很大，无法实现器件的集成；另一种晶体管结构是顶栅结构，石墨烯作沟道， 用SiO2, Al2O3或HfO2等做栅介质材料等，用电子束光刻技术定义栅电极和栅介质，但其沟道长度或栅电极受限于电子束光刻精度，通常很难达到10纳米以下。由于受限于微加工技术或工艺过程，上述两种结构石墨烯晶体管的沟道长度很难降低至10纳米以下。为了降低沟道长度，IBM提出了自对准的方法降低沟道长度，即利用原子层沉积 Al2O3时，选择性地沉积至金属铝电极表面，自对准地沉积源漏电极。但是用这种方法制备的晶体管沟道长度仍然受工艺水平的限制，且栅介质材料的选择也受到限制(D. B. Farmer and Y. -Μ. Lin et al. ,Graphene field-effect transistors with self-aligned gates, Appl.Phys. Lett. Vol. 97，2010，P. 013103)。另外通过利用Co2Si纳米线做栅电极，用原子层沉积到Co2Si纳米线表面的Al2O3做栅介质材料，用自对准的方法制备石墨烯晶体管， 其沟道长度可降低到纳米线栅电极的尺寸，即100-300nm。该方法制备的石墨烯晶体管的沟道长度取决于Co2SiAl2O3纳米线的直径，Co2SiAl2O3纳米线的直径最小可达到lOOnm， 故用这种方法也很难制备出沟道长度小于IOnm的石墨烯晶体管(L.Liao and Y. -C. Lin et al. , High-speed graphene transistors with a self-alignednanowire gate, Nature, Vol. 467, No. 16,2010, P. 305 ；L. Liao and J. W. Bai et al, ScalableFabrication of Self-Aligned Graphene Transistors and Circuits on Glass, Nano letters, DOI 10.1021/nl201922c,2011)。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用碳纳米管做栅电极的石墨烯晶体管的制备方法。本发明提供的技术方案如下—种石墨烯晶体管的制备方法，其步骤包括
(1)首先在基底上制备如图(1)所示的碳纳米管放置于沟槽内的结构。该结构可通过两个过程获得，即(a)制备纳米尺度沟槽、(b)放置(或生长)碳纳米管，这(a)与(b) 两个过程的前后顺序没有特殊要求、可不分先后。例如可先用微加工的方法在基底上制备出沟槽，然后在沟槽内生长碳纳米管或者将已制备出的碳纳米管转移到沟槽内；也可先在基底上生长碳纳米管或者将制备出的碳纳米管转移到基底上，然后再制备沟槽，将碳纳米管置于沟槽内；其中，基底可为SiO2、石英、砷化镓或塑料等材料；碳纳米管可为单壁碳纳米管、 多壁碳纳米管或碳纳米管管束；碳纳米管放置于沟槽内的结构可为一根或多根，沟槽宽度 < 1. 5 μ m，深度< 300nm，沟槽间距为2nm 1 μ m ；(2)用导电材料将碳纳米管引出，用于电学性能测试，如图(2)所示。导电材料可为金属材料(如Al，Pd或Au/Ti双层金属(Au位于上方，Ti位于下方，作为与基底的粘附层))等，也可为高掺杂半导体材料、导电塑料或聚合物材料等。引出碳纳米管的过程也可在沟槽制备之前进行；(3)直接利用空气做栅介质材料，将石墨烯转移至碳纳米管所在的沟槽上面，沟槽中碳纳米管与石墨烯之间的空气为栅介质，如图(3)所示；石墨烯可以是用机械剥离的方法直接获得，并转移至基底表面；也可以是用化学气相沉积或热分解等方法制备，再将石墨烯转移到基底。石墨烯可为单层的，两层或多层的。石墨烯可以横跨在一个沟槽之上，也可以同时横跨在多个沟槽上面；(4)在石墨烯的两端淀积导电材料引出，用于电学性能测试，如图⑷所示。导电材料可为金属材料(如Al，Pd或Au/Ti双层金属(Au位于上方，Ti位于下方，作为与基底的粘附层))等，也可为高掺杂半导体材料、导电塑料或聚合物材料等。本发明原理本发明的基本原理利用预置于纳米尺度沟槽内的碳纳米管作为栅电极，利用空气作栅介质，将机械剥离、CVD技术或用其它生长方法制备的石墨烯转移至碳纳米管所在沟槽的上方，碳纳米管作为栅电极，并利用电子束曝光等图形化方法将源、漏和栅电极引出(用于电学性能测试)，则可制得沟道长度接近碳纳米管直径、碳纳米管作为栅电极的单栅或多栅石墨烯晶体管结构。本发明的优点如下首先，本发明中提出的石墨烯晶体管结构是用碳纳米管作为栅电极，因此栅电极控制的沟道长度可以很小(< lOnm)，甚至接近单根单壁碳纳米管的直径，例如1.4nm。其次，直接利用空气作栅介质，石墨烯悬于沟槽上方，其下表面未与碳纳米管或衬底接触，避免了漏电或因衬底或栅介质所致的迁移率降低的问题，可使石墨烯基本保持其本征特性； 另外通过碳纳米管和石墨烯的结合，有可能实现全碳的晶体管结构或电路。
图1.为碳纳米管放置于沟槽内的结构示意图；图2.为用导电材料将碳纳米管引出的示意图；图3.为将石墨烯转移至碳纳米管所在的沟槽上的示意图4.为在石墨烯的两端淀积导电材料的示意图。
具体实施例方式实施实例一、(1)首先在Si/SiA基底上排列单壁碳纳米管，用Au/Ti双层金属(Au位于上方， Ti位于下方，作为与基底的粘附层)将碳纳米管引出。(2)在上述结构的表面通过PVD溅射一层SiO2,厚度为30nm，然后用氢氟酸刻蚀二氧化硅(包括PVD溅射的S^2和原来衬底表面的SiO2)，由于碳纳米管的增强刻蚀作用，在碳纳米管的位置就会产生一个纳米尺度的沟槽，碳纳米管也会随之落入沟槽内；(3)用机械剥离的方法将石墨烯剥离、并转移至碳纳米管所在的沟槽上面，沟槽中碳纳米管与石墨烯之间的空气为栅介质；(4)在石墨烯的两端淀积导电材料引出，用于测试电学性能，导电材料为钯(Pd)。实施实例二、(1)首先在石英衬底上利用电子束曝光和刻蚀的方法制备出的沟槽。沟槽宽度 1 μ m，沟槽深度为50nm。在沟槽内生长单壁碳纳米管。(2)用钯(Pd)将碳纳米管引出。(3)直接将用化学气相沉积法制备的石墨烯转移到碳纳米管所在的沟槽上面，沟槽中碳纳米管与石墨烯之间的空气为栅介质；(4)在石墨烯的两端淀积导电材料弓丨出，用于测试电学性能，导电材料为Au/Ti双层金属(Au位于上方，Ti位于下方，作为与基底的粘附层)。上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
权利要求
1.一种石墨烯晶体管的制备方法，其步骤包括1)在基底上制备单个或若干个放置碳纳米管的纳米尺度沟槽结构，沟槽中设有碳纳米管作为栅电极；2)通过导电材料将碳纳米管引出；3)将石墨烯转移至碳纳米管所在的沟槽上面，沟槽中碳纳米管与石墨烯之间的空气为栅介质；4)在石墨烯的两端淀积导电材料引出。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)具体为先用微加工的方法在基底上制备出沟槽，然后在沟槽内生长碳纳米管或者将已制备出的碳纳米管转移到纳米尺度沟槽内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中基底为SiO2、石英、砷化镓或塑料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或碳纳米管管束。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中放置于沟槽内的碳纳米管为一根或多根。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中沟槽的间距为2nm Ιμπι，沟槽宽度< 1. 5 μ m，沟槽深度< 300nm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中石墨烯为单层、两层或多层。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中石墨烯横跨在一个沟槽之上，或同时横跨在多个沟槽上面，且沟槽中预先放置碳纳米管。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电材料为金属材料、高掺杂半导体材料、导电塑料或聚合物材料。
全文摘要
本发明公开了一种石墨烯晶体管的制备方法，该方法将置于纳米尺度沟槽内的碳纳米管作为栅电极，利用空气作栅介质，将机械剥离、CVD技术或用其它生长方法制备的石墨烯转移至碳纳米管所在沟槽的上方，则可制得沟道长度接近碳纳米管直径的、碳纳米管作为栅电极的单栅或多栅石墨烯晶体管结构。本发明利用碳纳米管和石墨烯的结合，实现全碳结构的新型晶体管。
文档编号H01L29/78GK102339735SQ20111030880
公开日2012年2月1日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者傅云义, 尹金泽, 崔晓锐, 张兴, 曹宇, 赵华波, 魏子钧, 魏芹芹, 黄如 申请人:北京大学