一种双层石墨烯逻辑反相器制造技术

本发明专利技术属于纳米材料异质结构应用技术领域，具体涉及一种双层石墨烯逻辑反相器。为提高石墨烯晶体管的开关比，本发明专利技术在二维反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系里，借助于他们之间的界面耦合效应所产生的关联绝缘态，对两个不同的场效应器件通过改变栅压范围来分别实现P型/N型场效应曲线，将其按照CMOS逻辑反相器的接线方式连接，在Vdd为0.15V的情况下，输入电压为3V至8V，实现了Vout在Vin为一定的阈值电压时发生翻转至0V的双层石墨烯CMOS逻辑反相器。为石墨烯逻辑器件的实现提供了新的道路。道路。道路。

【技术实现步骤摘要】
一种双层石墨烯逻辑反相器


[0001]本专利技术属于纳米材料异质结构应用
，具体涉及一种双层石墨烯逻辑反相器。

技术介绍

[0002]1965年，在半导体集成电路方面，英特尔公司的创始人摩尔总结了集成度随年份增长的数据，得出了摩尔定律，即平均每过十八个月，芯片上集成的平均晶体管数目将会增加一倍。但是，Si场效应晶体管在随着摩尔定律预测的比例缩小的同时，为了提高集成电路的集成度，同时提升器件的工作速度和降低它的功耗，Si场效应晶体管也面临着一系列的挑战。比如短沟道效应、热载流子注入效应和栅极氧化层漏电等问题。探索新材料、新器件、新工艺来取代或部分取代现有的Si场效应晶体管已成为必然。
[0003]在此背景下，英国曼彻斯特大学的两位科学家在世界上率先制备出了单层石墨烯。通过科学家们对石墨烯的大量研究，发现石墨烯具有很多的优异性能，比如高迁移率—室温下载流子迁移率可达到104cm2/V/S；高强度—杨氏模量为1TPa；高透光率—光吸收率小于2.3％；高热导率—热导率超过3000W/(m
·
K)等。
[0004]由于石墨烯的带隙为零，导致石墨烯晶体管的开关比很低，通常小于5个数量级。因而，打开石墨烯的带隙，提高石墨烯晶体管的开关比就成为了制备石墨烯晶体管逻辑器件的十分重要的条件。基于上述背景，我们在以二维反铁磁绝缘体CrOCl为衬底的双层石墨烯体系中已实现了关联绝缘态，使得双层石墨烯打开了带隙，并将开关比提升至7个数量级。为石墨烯逻辑器件的实现提供了新的道路。

技术实现思路
r/>[0005]本专利技术的目的是提供一种双层石墨烯CMOS逻辑反相器。在二维反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系里，借助于他们之间的界面耦合效应所产生的关联绝缘态，对两个不同的场效应器件通过改变栅压范围来分别实现P型/N型场效应曲线，将其按照CMOS逻辑反相器的接线方式连接，在Vdd为0.15V的情况下，输入电压为3V至8V，测出Vout在Vin为一定的阈值电压时发生翻转至0V。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0007]本专利技术基于二维反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的关联绝缘态，实现双层石墨烯逻辑反相器。
[0008]一种双层石墨烯逻辑反相器包括两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件，所述基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件为从上至下依次设置的上栅极、场效应器件、下栅极和基底，所述场效应器件的上层使用六方氮化硼作为电介质和封装材料，中间层使用双层石墨烯，底层为二维反铁磁绝缘体材料CrOCl。
[0009]进一步，所述两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件分别通过固定背栅/顶栅电压，改变顶栅/背栅电压来实现P型场效应器件和N型场效应器件。
[0010]进一步，所述场效应器件的制备方法为：
[0011]将二维反铁磁绝缘体CrOCl和六方氮化硼、双层石墨烯通过人工堆垛的方式得到异质结，然后对异质结进行微纳米加工得到所述场效应器件。
[0012]更进一步，所述微纳米加工为电子束曝光、刻蚀、蒸镀。
[0013]进一步，所述基底为Si基底、石英基底、云母片或柔性基底。
[0014]进一步，所述上栅极和下栅极为Au。
[0015]与现有技术相比本专利技术具有以下优点：
[0016]本专利技术在以二维反铁磁绝缘体CrOCl为衬底的双层石墨烯体系中，通过借助于CrOCl和双层石墨烯之间的界面耦合效应所产生的关联绝缘态，实现了增益为1.1、功耗为nW级别的双层石墨烯逻辑反相器，为石墨烯逻辑器件的实现提供了新的道路。
附图说明
[0017]图1为两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件在样品托上的照片；
[0018]图2为两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件的场效应曲线；
[0019]图3为两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件作为CMOS逻辑反相器的接线及接线示意图；
[0020]图4为石墨烯CMOS逻辑反相器的性能；
[0021]图5为基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件的示意图。
具体实施方式
[0022]以下实施例将对本专利技术予以进一步的说明，但并不因此而限制本专利技术。
[0023]实施例1
[0024]一种双层石墨烯逻辑反相器包括两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件。如图5所示，基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件为从上至下依次设置的上栅极、场效应器件、下栅极和基底，所述场效应器件的上层使用六方氮化硼作为电介质和封装材料，中间层使用双层石墨烯，底层为二维反铁磁绝缘体材料CrOCl，基底为Si基底，上栅极和下栅极为Au。
[0025]两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件分别通过固定背栅/顶栅电压，改变顶栅/背栅电压来实现P型场效应器件和N型场效应器件。
[0026]实施例2
[0027]一种双层石墨烯逻辑反相器的制备方法，包括以下步骤：
[0028](1)将二维反铁磁绝缘体CrOCl和六方氮化硼、双层石墨烯通过人工堆垛的方式得到异质结，然后对异质结进行电子束曝光、刻蚀、蒸镀等微纳米加工，按照实施例1的设计最终得到两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件。
[0029](2)将两个器件使用Wire
‑
Bonder绑线机接在同一个样品托上，如图1所示。
[0030](3)将器件装载至低温真空腔里，降温至1.5K。
[0031](4)手动将两个器件(本实施例选择了S22、S26)的Topgate、Bottomgate推至较大
范围(不能漏电)，开始扫两个器件的双栅mapping，得到两个器件关联绝缘态的gate范围。
[0032](5)选择器件S26作为PMOS，即固定背栅电压为
‑
2.9V，顶栅电压为0V至10V，得到P型场效应曲线(图2中a)；选择器件S22作为NMOS，即固定顶栅电压为12.673V，背栅电压为0V至10V，得到N型场效应曲线(图2中b)。
[0033](6)按照CMOS逻辑反相器的接线示意图(图3中a)将器件S26、S22接在一起(图3中b)。(其中金属电极所采用的金属为Cr、Ti、Au、Pd、Sc、Ni之一种或多种)
[0034](7)对接好的CMOS逻辑反相器器件施加一个Vdd＝0.15V的电压，设置输入电压为3V至8V，在大约5.2V的阈值电压下Vout翻转至0V(图4)，产生大约1.1的增益，最大Idd约为120nA。
[0035]实施例3
[0036]与实施例1的不同之处在于：步骤(5)所述固定S26的背栅电压为
‑
2.9V，顶栅电压为0V至10V，固定S22的顶栅电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双层石墨烯逻辑反相器，其特征在于，包括两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件，所述基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件为从上至下依次设置的上栅极、场效应器件、下栅极和基底，所述场效应器件的上层使用六方氮化硼作为电介质和封装材料，中间层使用双层石墨烯，底层为二维反铁磁绝缘体材料CrOCl。2.根据权利要求1所述的一种双层石墨烯逻辑反相器，其特征在于，所述两个基于反铁磁绝缘体CrOCl的双层石墨烯体系的场效应器件分别通过固定背栅/顶栅电压，改变顶栅/背栅电压来实现P型场效应器件和N型场效应...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩拯，杨凯宁，王雅宁，高翔，张桐耀，叶堉，高宇辰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：