基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管制备方法。首先在绝缘衬底上制备栅电极，再制备栅介电层覆盖在栅电极上，之后在栅介电层上制备源电极和漏电极，石墨烯微米带沟道位于源电极和漏电极之间，最后通过聚焦离子束技术在石墨烯微米带沟道上刻蚀纳米带阵列，得到带有石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管。该方法制备的场效应晶体管具有高的开关比，其中在30

【技术实现步骤摘要】
基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管及其制备方法


[0001]本专利技术属于场效应晶体管制备
，具体涉及一种基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管及其制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯作为一种新型的二维材料，自被发现后便引起了各领域科研工作者的广泛关注。这种只由一层碳原子构成的二维平面晶体具有很多优良的性质，比如极高的载流子迁移率和饱和漂移速度、亚微米级的弹道输运、优良的机械性能和热导率以及良好的光学性能等。随着硅基集成电路的尺寸逐步逼近摩尔定律的极限，石墨烯有望取代硅成为下一代集成电路材料。
[0003]场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)是构建现代集成电路的基础。场效应晶体管通过栅电压来实现开关，开关比I
on
/I
off
为在“开”态下和“关”态时源漏电流I
DS
的比值，它是场效应晶体管的一个重要参数，反映了在一定栅压下器件开关性能的好坏，在逻辑电路中尤为重要。然而石墨烯理论上是零带隙材料，基于石墨烯微米带制备的FET的开关比极低，难以实现在逻辑电路中的应用。目前通过对石墨烯进行化学修饰、在Bernal堆垛的双层石墨烯上施加垂直电场、施加机械应变以及制备宽度小于10nm的石墨烯纳米带等方法来打开石墨烯的能带，从而提高基于石墨烯场效应晶体管(Graphene Field Effect Transistor，GFET)的开关比。目前尚未发现基于聚焦离子束(FIB)技术在石墨烯微米带上刻蚀纳米带阵列从而打开石墨烯的有限带隙、提高GFET器件开关比的相关报道。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提出一种基于聚焦离子束技术刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管制备方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案：
[0006]S1：在衬底上制备栅电极(110)和栅测试电极(111)；
[0007]S2：在步骤S1所述的栅电极上覆盖一层栅介电层(120)；
[0008]S3：在步骤S2所述的栅电极上制备源电极(131)和漏电极(132)；
[0009]S4：在S3步骤所述的源电极(131)和漏电极(132)之间制备石墨烯微米带沟道(141)；
[0010]S5：在步骤S4所述的石墨烯微米带沟道(141)上使用聚焦离子束技术刻蚀出若干条纳米带阵列(142)。
[0011]在其中一个实施例中，所述的栅电极(110)宽度为5～25μm，长度为300～500μm，且位于所述的源电极(131)和漏电极(132)中间，栅引出电极(111)长度100～300μm，宽度100～300μm。
[0012]在其中一个实施例中，所述的栅电极(110)和栅引出电极(111)为Cr/Au金属层，Cr
金属层位于Au金属层下层，其中Cr金属层厚度为5～10nm，Au金属层的厚度30～60nm。
[0013]在其中一个实施例中，所述的作为栅介电层(120)为Al2O3、HfO2、TiO2或者Ta2O5的一种，且覆盖在所述的栅电极(110)上，长度450～600μm，宽度200～300μm。
[0014]在其中一个实施例中，所述的作为栅介电层(120)为Al2O3、HfO2、TiO2或者Ta2O5的一种，厚度为30～60nm。
[0015]在其中一个实施例中，所述的源电极(131)和漏电极(132)之间间距20～40μm。
[0016]在其中一个实施例中，所述的源电极(131)和漏电极(132)为Cr/Au金属层，Cr金属层位于Au金属层下层，其中Cr金属层厚度为5～10nm，Au金属层的厚度30～60nm。
[0017]在其中一个实施例中，所述的石墨烯为使用化学气相沉积法在铜箔上制备的单层石墨烯薄膜，采用以聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)作为支撑层辅助去除铜箔并转移到源电极(131)和漏电极(132)之间。
[0018]在其中一个实施例中，所述的石墨烯微米带沟道(141)宽度2～10μm，长度30～50μm。
[0019]在其中一个实施例中，所述的石墨烯纳米带阵列(142)位于所述的石墨烯微米带沟道(141)的中间。
[0020]在其中一个实施例中，所述的石墨烯纳米带阵列(142)条带数为5～15。
[0021]在其中一个实施例中，所述的石墨烯纳米带阵列(142)中单根纳米带宽度为30～100nm、相邻两条纳米带间隔为70～150nm、长度为10～25μm。
[0022]本申请的有益效果在于：1)本专利技术中采用聚焦离子束刻蚀技术通过无掩膜的方法快速、精确的刻蚀理想宽度和条带数的石墨烯纳米带阵列；2)本专利技术所使用的聚焦离子束刻蚀工艺能制备出超高长宽比的石墨烯纳米带阵列；3)本专利技术中聚焦离子束刻蚀纳米带阵列技术同样适用于其它二维材料，适用范围广，同时不易引入新的杂质。
附图说明
[0023]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明：
[0024]图1示出了本专利技术实施例提供的基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管的制备流程图。
[0025]图2示出了本专利技术实施例提供的基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管的结构俯视和主视示意图。
[0026]图3示出了本专利技术实施例1中制备的基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管SEM照片。
[0027]图4示出了本专利技术实施例1制备的基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管的转移特性曲线，插图为对数曲线。
[0028]图5示出了本专利技术实施例2
‑
5制备的基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管的转移特性曲线，插图为对数曲线。
具体实施方式
[0029]为了更详细地阐明本专利技术，下面结合实施例和附图对本专利技术的技术方案做进一步阐述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制
本专利技术。
[0030]实施例1：
[0031]S1：在带有300nm热二氧化硅层的硅片正面进行第一次紫外光刻工艺，旋涂的光刻胶厚度2～3μm，采用接触式曝光，曝光时间为20～30s，后在显影液中显影时间为35～45s，得到图形化的光刻胶；随后通过磁控溅射工艺制备金属层Cr/Au电极，其中Cr金属层厚度为5nm，Au金属层厚度为35nm；再将制备完金属层的样片浸泡在丙酮溶液中20～30min，后使用超声振动进行剥离多余的金属层，从而制备出图形化的栅电极(110)和栅引出电极(111)，栅电极长度350μm，宽度24μm，栅测试电极(111)长度200μm，宽度200μm。
[0032]S2：基于原子层沉积工艺在S1步骤制备好的样片上沉积一层Al2O3薄膜作为栅介电层(120)，沉积温度为200℃～300℃，沉积的Al2O3薄膜厚度为40本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在衬底上制备栅电极(110)和栅引出电极(111)；S2：在步骤S1所述的栅电极(110)上覆盖一层栅介电层(120)；S3：在步骤S2所述的栅介电层(120)上制备源电极(131)和漏电极(132)；S4：在S3步骤所述的源电极(131)和漏电极(132)之间制备石墨烯微米带沟道(141)；S5：在步骤S4所述的石墨烯微米带沟道(141)上使用聚焦离子束技术刻蚀出若干条纳米带形成纳米带阵列(142)。2.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述衬底为带有绝缘层的半导体，所述栅电极(110)和所述栅引出电极(111)位于所述衬底的绝缘层侧。3.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述栅电极(110)、所述栅引出电极(111)、所述源电极(131)和所述漏电极(132)均采用Cr/Au金属层，其中Cr金属层位于Au金属层下方，所述Cr层的厚度为5～10nm，所述Au金属层的厚度为30～60nm。4.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束刻蚀石墨烯纳米带阵列的场效应晶体管制备方法，其特征在于，所述的栅介电层(120)为Al2O3、HfO2、TiO2或者Ta2O5的一种，所述栅介电层...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉菲，杜金泽，邵菁菁，方浚安，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：