晶體管器件以及用于制造晶體管器件的材料的制作方法
【專利摘要】本申請涉及石墨烯基異質(zhì)結(jié)構(gòu)和包含石墨烯的晶體管器件。異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括：（i）第一石墨烯層；（ii）間隔層；以及（iii）第三石墨烯。晶體管包括：（i）包括石墨烯層的電極；以及（ii）絕緣阻擋層。
【專利說明】晶體管器件以及用于制造晶體管器件的材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及包括電極的晶體管器件，該電極包括石墨烯層。本發(fā)明還涉及石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述器件可以由該結(jié)構(gòu)制成。特別地，本發(fā)明涉及晶體管，其包括:(i)電極，該電極包括石墨烯層，和(ii)絕緣阻擋(insulating barrier)層。在一個變型中，絕緣阻擋層可以包括至少ー個氮化硼(BN)層和/或至少ー個二硫化鑰層。因此，在一些實施方案中，本發(fā)明的晶體管可以包括氮化硼/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，期望當大規(guī)模生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的晶體管時，絕緣阻擋層很有可能由例如下述不同的材料制成。
【背景技術(shù)】
[0002]研究石墨烯的主要挑戰(zhàn)在于找到創(chuàng)新的方式來利用其卓越的特性。特別令人感興趣的是使用石墨烯作為硅基電子器件的替代材料的可能性，但是缺少能隙在關(guān)閉狀態(tài)下實現(xiàn)低功率損耗方面存在嚴重障礙。
[0003]石墨烯在中性點(NP)的金屬電導(dǎo)率和由于克萊因隧穿電子未受阻礙地傳輸穿過勢壘已經(jīng)阻礙了石墨烯基場效應(yīng)晶體管(FET)的性能，其將可實現(xiàn)的開關(guān)切換比率限制為~103，并且將那些在室溫下迄今實現(xiàn)的開關(guān)切換比率限制為< 100(A.K.Geim, Graphene: status and prospects.Science324, 1530-1534(2009).)?這些低比率對于單個的高頻晶體管和模擬電子器件而言是足夠的(Y.Wu etal.，High-1requency, scaled grapnene transistors on diamond__Like carbon.Nature472, 74-78(2011).)，但是對于石墨烯基集成電路(1_7)的任何現(xiàn)實前景而言，這些低比率存在根本的問題?？赡艿慕鉀Q方案是例如通過使用雙層石墨烯(E.V.Castro etal,Biased bilayer graphene: semiconductor with a gap tunable by electric fieldeffect.Phys.Rev.Lett.99, 216802 (2007).)、納米帶、量子點或化學衍生物來打開石墨烯中的帶隙，但是已經(jīng)證實了難以在不降低石墨烯的電子質(zhì)量的情況下實現(xiàn)高的開關(guān)比率。
[0004]因此，本發(fā)明g在提供可替代的石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)，即，基于從石墨烯電極穿過薄的絕緣阻擋層的量子隧穿的場效應(yīng)晶體管。
[0005]在本申請中，示出了一種雙極場效應(yīng)隧穿晶體管，其優(yōu)點不僅在于具有高的電導(dǎo)率和單原子層厚度的石墨烯，而且在干與其類似狄拉克(Dirac-like)譜相關(guān)聯(lián)的低態(tài)密度。
[0006]本發(fā)明的晶體管為石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其在一些實施方案中包括原子級薄的氮化硼或二硫化鑰作為隧穿勢壘。本發(fā)明的晶體管允許高隧穿電流MmA/y m2和室溫開關(guān)切換比率~104，該值可以通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)而得到進ー步增強(例如，通過改變絕緣阻擋層的組成和厚度)。這些三端隧穿器件在高頻操作和大規(guī)模集成方面具有潛力。
[0007]本發(fā)明的器件的操作依賴于石墨烯中的隧穿態(tài)密度(DoS)的電壓可調(diào)性，以及與石墨烯電極相鄰的隧穿勢壘的有效高度A和形狀。
[0008]因此，本文公開了ー種雙極場效應(yīng)晶體管，其利用了石墨烯的低態(tài)密度和其單原子層的厚度。本發(fā)明的器件為具有原子級薄的氮化硼或二硫化鑰或者下述其它材料的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以起到垂直傳輸勢壘的作用。它們分別呈現(xiàn)出?50和?10，000的室溫切換比率。這樣的器件對于高頻操作和大規(guī)模集成上具有潛力。還可以通過適當?shù)剡x擇與石墨烯結(jié)合使用的材料來“設(shè)計”期望的切換比率。
[0009]在本公開內(nèi)容中，可以將提及的石墨烯理解為布置為蜂巢晶格的單原子厚的碳原子平面片層。類似地，可以將提及的石墨烯理解為意為布置為蜂巢晶格的單原子厚的硼原子和氮原子平面片層。然而，這些材料還可以以具有更多個原子層例如兩個或更多個石墨烯原子層或氮化硼原子層的片形式使用。類似地，下文描述的其它材料例如ニ硫化鑰可以以具有多于ー個的單個原子層的片形式存在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供ー種石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其具有:
[0011]第一石墨烯層；
[0012]第二石墨烯層；以及
[0013]位于第一石墨烯層與第二石墨烯層之間的間隔層。
[0014]根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供一種晶體管，其包括:
[0015]源電極；
[0016]漏電極；以及
[0017]與源電極和漏電極兩者接觸并且位于源電極與漏電極兩者之間的絕緣阻擋層，該絕緣阻擋層包括I至30個ー種或更多種材料的層；
[0018]其中源電極和漏電極至少之ー包括石墨烯層，而另ー電極包括導(dǎo)電材料層。
[0019]晶體管必須還包括柵電扱；然而，在本發(fā)明的情況下，柵電極的位置和性質(zhì)是次要的。本發(fā)明的晶體管因源電極和漏電極相對于彼此的位置和其至少之一由石墨烯形成的事實而享有其獨特的益處。
[0020]在一個實施方案中，源電極和漏電極兩者都包括石墨烯層。因此，第二方面的晶體管器件可包括第一方面的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這樣的情況下，晶體管的源電極可以是異質(zhì)結(jié)構(gòu)的第一石墨烯層，而晶體管的漏電極可以是異質(zhì)結(jié)構(gòu)的第二石墨烯層。另外，晶體管的源電極可以是異質(zhì)結(jié)構(gòu)的第二石墨烯層，而晶體管的漏電極可以是異質(zhì)結(jié)構(gòu)的第一石墨烯層。異質(zhì)結(jié)構(gòu)的間隔層對應(yīng)晶體管的絕緣阻擋層。本說明書中使用的術(shù)語“間隔層”和“絕緣阻擋層”是可互換的。
[0021]異質(zhì)結(jié)構(gòu)
[0022]上文使用的術(shù)語石墨烯包括“原始的”(即，未經(jīng)化學改性的)石墨烯和功能化的石墨烯。因此，形成頂部和/或底部電極的単獨石墨烯層可以是石墨烯或者功能化的石墨烯。還可以通過物理方法如熱處理來對石墨烯進行改性。在下文中，為了簡潔起見，本發(fā)明將石星稀和經(jīng)改性的石星稀兩者統(tǒng)一簡稱為石星稀。
[0023]通過對石墨烯層進行分隔，可以對石墨烯層之間的相互作用進行研究和利用，詳細情況參見實驗I。優(yōu)選地，ー個或兩個石墨烯層中的載流子遷移率高達2.5m2/Vs,5m2/Vs或10m2/Vs。優(yōu)選地，石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)使得穿過間隔層的漏電流無法檢測到(> 1GQ)0
[0024]優(yōu)選地，間隔層包含氮化硼(更優(yōu)選為由氮化硼制成)。更優(yōu)選地，間隔層包含六方氮化硼(更優(yōu)選為由六方氮化硼制成)。例如，間隔層可以是例如六方氮化硼晶體。[0025]因為六方氮化硼對于石墨烯可以起到原子級平滑和惰性基底的作用，所以六方氮化硼作為用于間隔層的材料是優(yōu)選的。另外，六方氮化硼可以制成薄的，使得石墨烯層可以設(shè)置為靠在一起，同時仍提供有效阻擋以防止各石墨烯層之間的漏電流。石墨烯層設(shè)置成靠在一起產(chǎn)生可以進行研究和利用的傳輸特性(例如，不同尋常的庫倫拖曳特性)，詳細情況參見實驗I。兩個石墨烯層設(shè)置成靠在一起同時仍提供有效阻擋以防止漏電流與例如已知的GaAs/AlGaAs雙量子阱結(jié)構(gòu)不同，GaAs/AlGaAs雙量子阱結(jié)構(gòu)一般需要維持在低溫下以減小漏電流。如下述更詳細地討論，可以使用除六方氮化硼以外的材料(例如，氧化鋁)作為本發(fā)明的間隔層。每種材料的優(yōu)點取決于其自身特殊的特性，并且ー些材料比其它材料更適合。因此，一些替代材料優(yōu)于hBN，而ー些則劣于hBN。影響這些材料的適用性的ー個重要特征是其是否能夠采用平坦結(jié)構(gòu)和/或是否便于大規(guī)模實施。
[0026]在BN上，特別是在六方BN上生長石墨烯是無法預(yù)測的，并且目前難以實現(xiàn)。本發(fā)明已經(jīng)首次成功提供了可以制造和表征的BN石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0027]實際上，例如，本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當試圖形成結(jié)構(gòu)時的主要問題之一與以下事實有關(guān):hBN上石墨烯的沉積可導(dǎo)致許多含有捕獲的吸附物(推測是烴)的“氣泡”。這可嚴重影響石墨烯的電子特性和作為ー個整體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有技術(shù)中甚至沒有考慮這個問題。然而，如果這種氣泡存在于器件的有源部分中，則將導(dǎo)致顯著的電荷不均勻性并且有效致使器件失效。當提供具有間隔層的石墨烯基晶體管時本發(fā)明已經(jīng)克服了該問題和其它問題。
[0028]優(yōu)選地，間隔層緊挨著第一石墨烯層，即在間隔層與第一石墨層之間沒有層。優(yōu)選地，第二石墨烯層緊挨著間隔層，即在間隔層與第二石墨層之間沒有層。
[0029]優(yōu)選地，間隔層具有IOnm或更小的厚度，更優(yōu)選為2nm至4nm的范圍內(nèi)的厚度，并且可以具有約等于3nm的厚度。在這些厚度下，間隔層(尤其是如果間隔層是六方氮化硼)是薄的，同時仍可以防止室溫下的漏電流(如果使用例如六方氮化硼作為用于間隔層的材料)。對于ー些應(yīng)用而言，間隔層可以具有小于3nm、小于2nm的厚度乃至在電流泄露(例如，室溫下)不是問題的應(yīng)用中可以只具有ー個原子的厚度。
[0030]優(yōu)選地，第一石墨烯層為單個石墨烯片，即，優(yōu)選為ー個原子厚。優(yōu)選地，第二石墨烯層為單個石墨烯片，即，其優(yōu)選為ー個原子厚。然而，第一石墨烯層和/或第二石墨烯層還可以包括多個石墨烯片。例如，第一石墨烯層和/或第二石墨烯層可以包括兩個石墨烯片(所謂的“雙層石墨烯”)，乃至可以是三個石墨烯片(所謂的“三層石墨烯”)。認為，超過三個石墨烯片，石墨烯層電子特性的有用性變低。因此，優(yōu)選地，除了結(jié)構(gòu)缺陷以外，第一石墨烯層和/或第二石墨烯層包括不超過三個石墨烯片，在所述缺陷處石墨烯可以具有不連續(xù)性或可以超過三層厚度。
[0031]優(yōu)選地，例如通過移除層的一部分(例如，通過蝕刻，例如，通過電子束光刻和/或氧等離子蝕刻)來將第一石墨烯層和/或第二石墨烯層成形以形成結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以包括一個或更多個用于使該結(jié)構(gòu)與外部器件連接的接觸區(qū)域?？梢允沟诙映尚我孕纬膳c通過第一石墨烯層形成的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，或者可以成形以形成不同的結(jié)構(gòu)。例如，第一石墨烯層和/或第二石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)可以是例如霍爾棒結(jié)構(gòu)，但是其它結(jié)構(gòu)同樣是可以的，例如，該結(jié)構(gòu)可以簡單地為單個導(dǎo)電軌道。霍爾棒結(jié)構(gòu)是眾所周知的，并且在下述實驗中示出了ー些實例。霍爾棒結(jié)構(gòu)可以使得能夠?qū)κ┊愘|(zhì)結(jié)構(gòu)的特性進行研究，例如參見實驗I。[0032]石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以包括一個或更多個觸點，例如金屬觸點，例如以使第一石墨烯層和/或第二石墨烯層與外部電子器件連接。一個或更多個觸點中的每個觸點可以位于包括在第一石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)和/或第二石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)(參見上文)中的ー個或更多個相應(yīng)的接觸區(qū)域上。
[0033]優(yōu)選地，間隔層與第一石墨烯層對準，或者間隔層相對于第一石墨烯層具有開ロ，使得間隔層僅覆蓋第一石墨烯層的一部分，優(yōu)選地使得包括在第一石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)(參見上文)中的ー個或更多個接觸區(qū)域不被間隔層覆蓋。這使得在已經(jīng)例如通過電子束光刻在石墨烯層上沉積第二石墨烯層之后，能夠在包括在第一石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)和/或第二石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)中的ー個或更多個接觸區(qū)域上沉積ー個或更多個觸點。有利地，在單一光刻運行中，可以在包括在第一石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)和第二石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)中的ー個或更多個接觸區(qū)域上沉積觸點。
[0034]石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以包括基層，第一石墨烯層位于基層上。優(yōu)選地，第一石墨烯層與基層直接相鄰，即，在第一石墨烯層與基層之間沒有層。優(yōu)選地，基層包含氮化硼(更優(yōu)選為基層是氮化硼)。更優(yōu)選地，基層包含六方氮化硼(更優(yōu)選為基層是六方氮化硼)。例如，基層可以是六方氮化硼晶體。因為六方氮化硼對于石墨烯為原子級平滑和惰性基底，所以六方氮化硼作為基層是優(yōu)選的。據(jù)認為，原則上可以使用除六方氮化硼以外的材料(例如，氧化鋁)作為基層。然而，因為這些其它材料不如氮化硼平坦并且/或者不具有氮化硼具有的其它有用特性，所以其不是優(yōu)選的。
[0035]石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以包括基底，基層(或者第一石墨烯層)位于基底上。優(yōu)選地，基層(或第一石墨烯層)與基底直接相鄰，即，在基層與第一石墨烯層之間沒有層。優(yōu)選地，基底包括硅晶片，優(yōu)選為經(jīng)氧化的硅晶片，例如，使得基底具有SiO2絕緣層。
[0036]本發(fā)明的第一方面還可以提供制造石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，該石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有:
[0037]第一石墨烯層；
[0038]第二石墨烯層；以及
[0039]位于第一石墨烯層與第二石墨烯層之間的間隔層。
[0040]該方法可以包括實施或者對應(yīng)于所述的與本發(fā)明的第二方面有關(guān)的任何裝置特性的任何方法步驟。
[0041]例如，該方法可以包括:
[0042]在第一石墨烯層上沉積間隔層；和
[0043]在間隔層上沉積第二石墨烯層，使得間隔層位于第一石墨烯層與間隔層之間。
[0044]作為另ー實例，優(yōu)選地，間隔層包含氮化硼(更優(yōu)選地間隔層是氮化硼)。更優(yōu)選地，間隔層包含六方氮化硼(更優(yōu)選地間隔層是六方氮化硼)。例如，間隔層可以為六方氮化砸晶體。
[0045]作為另ー實例，優(yōu)選地，間隔層沉積為使得間隔層與第一石墨烯層直接相鄰。類似地，優(yōu)選地，第二石墨烯層沉積為使得第二石墨烯層與間隔層直接相鄰。
[0046]作為另ー實例，優(yōu)選地，間隔層沉積為具有IOnm或更小的厚度,更優(yōu)選地具有在2nm至4nm的范圍內(nèi)的厚度，并且可以具有約等于3nm的厚度。
[0047]作為另ー實例，優(yōu)選地，石墨烯層的第一層沉積為單個石墨烯片，S卩，使得其優(yōu)選為ー個原子厚。優(yōu)選地，石墨烯層的第二層沉積為單個石墨烯片，即，使得其優(yōu)選為ー個原子厚。
[0048]作為另ー實例，優(yōu)選地，該方法包括例如通過移除層的一部分(例如，通過蝕刻，例如，通過光刻和/或氧等離子蝕刻)來使第一石墨烯層和/或第二石墨烯層成形以形成結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在沉積第一石墨烯層之后但在沉積間隔層之前進行第一石墨烯層的成形。優(yōu)選地，在沉積第二石墨烯層之后進行第二石墨烯層的成形。例如，第一石墨烯層和/或第二石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)可以是霍爾棒結(jié)構(gòu)，但是其它結(jié)構(gòu)也同樣是可以的，例如該結(jié)構(gòu)可以簡單地為單個導(dǎo)電軌道?；魻柊艚Y(jié)構(gòu)是眾所周知的，并且在下述實驗中示出了一些實施例?；魻柊艚Y(jié)構(gòu)可以使得能夠?qū)κ┊愘|(zhì)結(jié)構(gòu)的特性進行研究，例如參見實驗I。
[0049]作為另ー實例，該方法可以包括沉積ー個或更多個觸點，例如金屬觸點，例如，以使第一石墨烯層和/或第二石墨烯層與外部電子器件連接?？梢栽诎ㄔ诘谝皇又行纬傻慕Y(jié)構(gòu)和/或第二石墨烯成中形成的結(jié)構(gòu)(參見上文)中的ー個或更多個接觸區(qū)域上沉積ー個或更多個觸點(即，使得觸點位于接觸區(qū)域上)。
[0050]作為另ー實例，間隔層可以僅覆蓋第一石墨烯層的一部分，使得包括在第一石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)(參見上文)中的ー個或更多個接觸區(qū)域不被間隔層覆蓋。優(yōu)選地，在第一石墨烯層上沉積間隔層之前例如使用光學掩模校準器來使間隔層對準。
[0051]作為另ー實例，該方法可以包括在基層上沉積第一石墨烯層。優(yōu)選地，該步驟在沉積間隔層和沉積第二石墨烯層之前進行。優(yōu)選地，沉積第一石墨烯層使得第一石墨烯層與基層直接相鄰。優(yōu)選地，基層包含氮化硼(更優(yōu)選為基層是氮化硼)。更優(yōu)選地，基層包含六方氮化硼(更優(yōu)選為基層是六方氮化硼)。例如，基層可以為六方氮化硼晶體。
[0052]作為另ー實例，該方法可以包括在基底上沉積基層(或者第一石墨烯層)。優(yōu)選地，該步驟在沉積間隔層、沉積第二石墨烯層、以及(如果適用的話)沉積第一石墨烯層之前進行。優(yōu)選地，基層(或者第一石墨烯層)沉積為使得基層(或者第一石墨烯層)與基底直接相鄰。優(yōu)選地，基底包括硅晶片，優(yōu)選為經(jīng)氧化的硅晶片，例如，使得基底具有SiO2絕緣層。
[0053]可以通過例如作為現(xiàn)有技術(shù)中被充分理解的技術(shù)——剝離法(機械剝離)在基底上機械沉積基層(或者第一石墨烯層)。
[0054]雖然通過剝離法可以在基底上沉積基層(或者第一石墨烯層)，但是該技術(shù)對于在基層上沉積第一石墨烯層、在第一石墨烯層上沉積間隔層、或者在間隔層上沉積第二石墨烯層不是非常適合，例如剝離法可能難以使各層對準并且/或者造成污染。
[0055]因此，可根據(jù)使用前體結(jié)構(gòu)的方法在基層上沉積第一石墨烯層，前體結(jié)構(gòu)包括位于載體層上的第一石墨烯層，該方法包括:
[0056]在基層上沉積前體結(jié)構(gòu)，其中第一石墨烯層面向基層(并且因此載體層背對基層)；以及
[0057]接著(S卩，在基層上沉積前體結(jié)構(gòu)之后)將載體層從第一石墨烯層移除。
[0058]類似地，根據(jù)使用前體結(jié)構(gòu)的方法可以在第一石墨烯層上沉積間隔層，前體結(jié)構(gòu)包括位于載體層上的間隔層，該方法包括:
[0059]在第一石墨烯層上沉積前體結(jié)構(gòu)，其中間隔層面向第一石墨烯層(并且因此載體層背對第一石墨烯層)；以及
[0060]接著(S卩，在第一石墨烯層上沉積前體結(jié)構(gòu)之后)將載體層從間隔層移除。[0061]類似地，根據(jù)使用前體結(jié)構(gòu)的方法可以在間隔層上沉積第二石墨烯層，前體結(jié)構(gòu)包括位于載體層上的第二石墨烯層，該方法包括:
[0062]在間隔層上沉積前體結(jié)構(gòu)，其中第二石墨烯層面向間隔層(并且因此載體層背對間隔層)；以及
[0063]接著(S卩，在間隔層上沉積前體結(jié)構(gòu)之后)將載體層從第二石墨烯層移除。該方法可以包括本發(fā)明的第三方面中所描述的或者與本發(fā)明的第三方面關(guān)聯(lián)的任何附加步驟。
[0064]優(yōu)選地，該方法包括在沉積任意一個或更多個層之后(特別是在沉積第一石墨烯層、間隔層以及第ニ石墨烯層中的任意一個或更多個之后)通過例如退火，在例如約等于3000C的溫度下和/或氬-氫氣氛中來清潔石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如以移除殘余物和/或其它污染物。
[0065]雖然在下列實驗中，石墨烯和氮化硼被從塊狀晶體中機械剝離，但是該技術(shù)對于大規(guī)模實施可能不是非常適合，并且有可能被適合的生長方法所取代。根據(jù)石墨烯和氮化硼制造エ藝的選擇，所描述的層序列可以是直接生長而成，或者由単獨制造的層組裝而成。
[0066]該方法可以包括一個或更多個可選的附加步驟以包括一個或更多個附加層。因此，可以向通過上述方法獲得的石墨烯基復(fù)合結(jié)構(gòu)添加附加的石墨烯層或者其它材料的層。
_7] 晶體管器件
[0068]根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供一種晶體管，其包括:
[0069]源電極；
[0070]漏電極；以及
[0071]與源電極和漏電極兩者接觸的絕緣阻擋層，該絕緣阻擋層包括I至30個半導(dǎo)體材料層；
[0072]其中源電極與漏電極至少之ー包括石墨烯層，而另ー電極包括導(dǎo)電材料層。
[0073]絕緣阻擋層位于源電極與漏電極之間，并且與源電極和漏電極兩者接觸。因此在本方面中，本發(fā)明提供一種晶體管，包括:源電極；漏電極；以及與源電極和漏電極兩者接觸并且位于源電極與漏電極兩者之間的絕緣阻擋層，該絕緣阻擋層包括I至30個ー種或更多種半導(dǎo)體材料層；其中源電極與漏電極至少之ー包括石墨烯層，而另兩個電極包括導(dǎo)電材料層。
[0074]本發(fā)明的晶體管具有包括至少三層的類似夾心結(jié)構(gòu)，但是更通常還包括一些如下所述的附加層。在其最簡單的形式中，本發(fā)明涉及一種晶體管，其包括頂部電極，其可以由包括金屬的任何導(dǎo)電材料制成，但是優(yōu)選為石墨烯；絕緣阻擋層，頂部電極位于絕緣阻擋層上；以及底部電極層。因此，絕緣層被夾在頂部電極層與底部電極層之間。源電極與漏電極的特性將取決于施加至晶體管的偏壓和絕緣層的材料。
[0075]為便于參考，在垂直晶體管的情況下，本發(fā)明將電極稱為“頂部”電極和“底部”電極，其中頂部電極為存在于頂部(即，晶體管的外表面(除非還被可選的保護層覆蓋))的電扱。這樣的結(jié)構(gòu)可以參見圖4。
[0076]頂部電極可以為任何導(dǎo)電材料。在一個優(yōu)選的實施方案中，頂部電極可以為石墨烯層。因此，在一個特別優(yōu)選的實施方案中，頂部電極為石墨烯層，底部電極也由石墨烯制成。在替代實施方案中，頂部電極可以為金屬，并且可以為例如經(jīng)摻雜的半導(dǎo)體。[0077]在一個實施方案中，絕緣阻擋層(也被稱為中間層或間隔層)包含氮化硼。在另一實施方案中，絕緣阻擋層為半導(dǎo)體(例如，S1、Ge或者第II1-V族半導(dǎo)體(例如，GaAs或AlGaAs))。在又一實施方案中，絕緣阻擋層為過渡金屬(即，d區(qū)元素)的硫?qū)倩锘颔肆驅(qū)倩?。硫?qū)倩衔锘颔肆驅(qū)倩衔锇ㄑ趸?、硫化物、硒化物和碲化物，并且硫?qū)倩衔锘颔肆驅(qū)倩衔飪?yōu)選為硫化物或氧化物。特別優(yōu)選地，化合物包括MoS2和HfO2。在ー個實施方案中，使用經(jīng)機械轉(zhuǎn)移的六方BN和MoS2層用于絕緣層。另外，絕緣阻擋層為有機半導(dǎo)體或電介質(zhì)。用于絕緣阻擋層的其它適合材料包括氮化物如氮化鎵或氮化硅，其中優(yōu)選為氮化硅。其它適合材料包括氧化物如SiO2和氧化鋁。絕緣阻擋層可以包括ー個或更多個上面列出的材料的層。絕緣阻擋層還可以由兩個或更多個不同材料的層的混合層形成。例如，絕緣阻擋層可以由ー個或更多個六方BN層和ー個或更多個MoS2層形成。
[0078]理想地，中間勢壘層為化學穩(wěn)定的材料。中間勢壘層的材料的性質(zhì)影響晶體管的切換比率。例如，使用MoS2可以獲得在室溫下或接近室溫下最高為10，000的切換比率。
[0079]在一個實施方案中，絕緣阻擋層為分層材料，并且具有ー個原子層至約50個原子層的厚度，并且更優(yōu)選地具有上限為約30個原子層的厚度。因此，絕緣阻擋層的厚度最高為約15nm，并且更通常最高為約10nm。根據(jù)層的組成，ー個原子層通常占約0.35nm的厚度。
[0080]在一個實施方案中，晶體管還包括下層，底部電極層位于下層上。下層是用來增強底部電極層如石墨烯的特性的絕緣體。下層用來提高ー種或更多種以下特性:粗糙度、應(yīng)力、電導(dǎo)率以及均勻性、化學或熱穩(wěn)定性。其還用作用于生長石墨烯的基底。適合于下層的材料包括六方氮化硼(h-BN)。
[0081]在另ー實施方案中，下層本身布置在起到柵極絕緣體作用的材料層的頂部上?？梢允褂萌魏我阎臇艠O絕緣材料作為柵極絕緣體。實例包括SiO2、氮化硅、氧化鋁和HfO2
坐寸o
[0082]在另ー實施方案中，柵極絕緣體和在柵極絕緣體上方的晶體管層位于起到柵極導(dǎo)體或柵極電極作用的材料層的頂部上。柵極導(dǎo)體或柵極電極可以由具有足夠平坦的表面的任何導(dǎo)電材料制成，并且可以為例如金屬或高摻雜半導(dǎo)體。特別適合的柵極導(dǎo)體或柵極電極為高摻雜的硅，并且在一個實施方案中，這可以在不需要附加支持的情況下使用。另外，可選地，可以在附加基底的頂部上制造柵極導(dǎo)體。
[0083]因此，在一個實施方案中，本發(fā)明的晶體管可以具有如圖4所示的結(jié)構(gòu)。該晶體管為包括頂部電極、中間(間隔)層、石墨烯層、下層、柵極絕緣體層以及柵極導(dǎo)體層的夾心結(jié)構(gòu)。
[0084]制造絕緣阻擋層的方法，實際上為制造根據(jù)本發(fā)明的晶體管器件的方法可以是使用例如半導(dǎo)體(絕緣體)生長的任何常規(guī)技術(shù)，以及包括CVD、PE-CVD、MBE、ALD、熱蒸鍍或電子束蒸鍍、濺射或者從液體溶液中沉積的沉積法。
[0085]在一個實施方案中，絕緣阻擋層包括I至30個層。在一個實施方案中，該材料為氮化硼。在優(yōu)選實施方案中，絕緣阻擋層包括3至8個材料(如氮化硼)層，例如3、4、5、6、7或8個材料層。對于絕緣阻擋層，優(yōu)選實施方案為3個材料層。對于絕緣阻擋層，替代實施方案為4至8個層。絕緣阻擋層可以為下述多種材料中的一種或更多種。因此，在ー個實施方案中，絕緣阻擋層包含六方氮化硼，例如六方氮化硼晶體。在替代實施方案中，絕緣阻擋層包括I至30個ニ硫?qū)倩飳?、并且更?yōu)選為3至8個ニ硫?qū)倩飳印0086]在一個實施方案中，從塊狀石墨中提取石墨烯晶體并且使石墨烯晶體機械轉(zhuǎn)移以形成晶體管堆疊體。然而，石墨烯層可以在所述基底上直接生長(如圖4的情況)、在所述基底的頂部上轉(zhuǎn)移，或者從與所制造的基底不同基底的頂部上的其它層一起轉(zhuǎn)移。生長石墨烯的方法的實例包括CVD (化學氣相沉積)、PE-CVD (等離子增強型化學氣相沉積)、MBE (分子束外延)、ALD (原子層沉積)、DAS等。還可以對石墨烯化學改性或功能化以提高晶體管性能。石墨烯的化學功能化可以改變態(tài)密度(DoS)和勢壘參數(shù)，由此改變晶體管的特性。在這一點上，可以通過選擇適當功能化(或部分功能化)的石墨烯成分來調(diào)整晶體管的性能。在一個實施方案中，石墨烯成分或功能化的石墨烯成分為石墨烯。在另ー實施方案中，石墨烯成分或功能化的石墨烯成分為之前未化學改性的石墨烯。石墨烯的化學功能化還可以幫助制造晶體管。如文獻所述，可以使用用于將官能團如氫基、鹵基以及含氧基等引到石墨烯上的任何已知方法來實現(xiàn)化學改性。
[0087]在一個實施方案中，源電極包括石墨烯層。
[0088]在一個實施方案中，漏電極包括石墨烯層。
[0089]在一個實施方案中，源電極包括石墨烯層，并且漏電極包括石墨烯層。
[0090]在一個實施方案中，晶體管還包括覆蓋源電極的封裝層。在一個實施方案中，封裝層具有Inm至IOOnm,例如20nm至50nm的厚度。
[0091]在另ー實施方案中，晶體管還包括覆蓋漏電極的封裝層。在一個實施方案中，封裝層具有Inm至IOOnm,例如20nm至50nm的厚度。在一個實施方案中，封裝層包含BN。
[0092]通過對源電極和/或漏電極進行封裝，使電極不易受到其環(huán)境的影響。當電極包括石墨烯層時，這特別重要，因為其可以導(dǎo)致電極具有提高的電荷載流子遷移率U。因此，石墨烯電極的電荷載流子遷移率U優(yōu)選地在室溫下(例如，20°C)可以為約100，OOOcmV1S^或更大。在一個實施方案中，封裝層包含BN。
[0093]對于絕緣阻擋層，六方氮化硼是適合的材料，這是因為其對石墨烯電極可以起到原子級平滑和惰性基底的作用。使用六方氮化硼尤其可以導(dǎo)致石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出Ium距離的室溫彈道傳輸和即使在室溫下也為高的電荷載流子遷移率U。
[0094]在一個實施方案中，漏電極/源電極和絕緣阻擋層全部彼此直接相鄰，即，其間沒有層。
[0095]優(yōu)選地，源電極/漏電極的石墨烯層為單個石墨烯片，即，其優(yōu)選為ー個原子厚。然而，石墨烯層還可以包括多個石墨烯片。例如，石墨烯層可以包括兩個石墨烯片(所謂的“雙層石墨烯”)，或者甚至三個石墨烯片(所謂的“三層石墨烯”)。超過三個石墨烯片，石墨烯層的電性能在一些情況下可能變得不太有用。在某種程度上，這取決于晶體管中存在的其它材料。因此，在一個實施方案中，石墨烯層優(yōu)選地包括不超過三個石墨烯片。
[0096]優(yōu)選地，例如通過移除層的一部分(例如，通過蝕刻，諸如通過電子束光刻和氧等離子蝕刻)來使源電極/漏電極的石墨烯層成形以形成結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以包括用于使該結(jié)構(gòu)與外部器件連接的ー個或更多個接觸區(qū)域。
[0097]源電極層/漏電極層的石墨烯層可以包括一個或更多個觸點，例如，金屬觸點，例如，以使石墨烯層與外部電子器件連接。一個或更多個觸點中的每個觸點可以位于包括在石墨烯層中形成的結(jié)構(gòu)中的一個或更多個相應(yīng)的接觸區(qū)域上。
[0098]本發(fā)明的晶體管還可以包括基底，源電極(或經(jīng)封裝的源電極)位于基底上。優(yōu)選地，源電極(或經(jīng)封裝的源電極)與基底直接相鄰，即，在源電極與基底之間沒有層。優(yōu)選地，基底包括晶片，優(yōu)選為經(jīng)氧化的晶片，例如，使得基底具有約等于50nm與500nm之間，例如80nm與400nm之間的厚度的Si02。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0099]現(xiàn)在將通過下圖示出本發(fā)明，其中:
[0100]圖1 (a)是多層樣品的器件示意圖。
[0101]圖1 (b)是多層樣品的光學圖像。
[0102]圖1 (C)示出了不同間隔厚度的量子電容(圓圈)和模擬(實線)的實驗結(jié)果。
[0103]圖2 Ca)示出了對稱情況下作為層間電壓(實線)(Vint)的函數(shù)的拖曳。
[0104]圖2 (b)示出了非対稱情況下的拖曳電阻(RdragX
[0105]圖2 (c)示出了作為背柵電壓的函數(shù)的RdMg。
[0106]圖3示出了不同Vint下拖曳電阻的溫度相關(guān)性。
[0107]圖3 (插圖)示出了三個不同溫度下的Rdrag (Vint)0
[0108]圖4示出了對數(shù)坐標下的Rdrag (n )。
[0109]圖5 (a)至(d)示出了根據(jù)本發(fā)明的晶體管的操作。
[0110]圖6A示出了使用石墨烯作為隧穿電極的GrB層和GrT層的作為Vg的函數(shù)的平面電阻率P的性能。
[0111]圖7示出了具有作為隧穿勢壘的6± I個hBN層的石墨烯-hBN器件的隧穿特性。
[0112]圖8示出了本發(fā)明的第二方面的晶體管的一個實施方案的結(jié)構(gòu)。
[0113]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的hBN-石墨烯-hBN-石墨烯-hBN器件。
[0114]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的晶體管的兩個石墨烯電極中的作為柵極電壓的函數(shù)的電荷載流子濃度的非線性相關(guān)性。
[0115]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的兩個不同的4-hBN-層器件在零柵極電壓下的隧穿1-V特性和其與理論的對比。
[0116]圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的另ー hBN-石墨烯-hBN-石墨烯-hBN場效應(yīng)器件，以及
[0117]圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的第二方面的石墨烯MoS2器件的1-V特性。
具體實施方案
[0118]實驗1:非弱相互作用雙層BN-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的庫倫拖曳
[0119]制造多層氮化硼/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)。所開發(fā)的技術(shù)使得能夠?qū)⑹┓庋b在兩個六方BN晶體之間，同時保持載流子遷移率高達10m2/Vs。示出了對兩個間隔緊密、獨立接觸的石墨烯層的傳輸研究的結(jié)果。由于小的層間分離，所以庫倫拖曳表現(xiàn)出超過之前研究的弱相互作用區(qū)域范圍的非同尋常的性能。
[0120]對有源傳輸經(jīng)過數(shù)年研究之后，關(guān)于石墨烯中的電子-電子相互作用仍然知之甚少。由于其對薄片電阻的作用很小，所以常規(guī)晶體管結(jié)構(gòu)中的電子-電子相互作用的直接測量需要復(fù)雜的分析。兩個間隔緊密的石墨烯薄片的傳輸特性的觀察結(jié)果可以闡明包括例如激子凝聚的各種新的相互作用的現(xiàn)象。因為拖曳是由兩個ニ維電子氣(“2DEG”)的電子密度波動之間的散射造成的，所以電子拖曳是探測層內(nèi)密度激子和層間電子-電子相互作用的非常有用的工具。
[0121]在本實驗中，對關(guān)于高質(zhì)量BN/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)進行報道，并且研究了它們的傳輸特性。探究了本發(fā)明的樣品中的拖曳效應(yīng)。本發(fā)明使得能夠?qū)蓚€石墨烯層布置成比可比較的GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況更緊密ー個數(shù)量級；這些石墨烯層被僅幾納米厚的BN晶體隔開，同時保持漏電流微乎其微。這使得本發(fā)明通過在兩個層之間施加電壓能夠達到高達2 *1012的載流子濃度。因此，與主要影響底層的常規(guī)Si背柵結(jié)合，可以獨立控制頂層濃度(nt)和底層濃度(nb)。由于石墨烯層僅與化學惰性的和原子級平坦的六方氮化硼片接觸，所以本技術(shù)的另一優(yōu)勢為本發(fā)明的樣品在高至室溫下的高遷移率。
[0122]樣品制造起始于使用標準的機械剝離技術(shù)[PNAS]在Si/Si02晶片的頂部上沉積BN晶體。接著本發(fā)明挑選干凈和均勻的BN薄片，然后將大的石墨烯晶體轉(zhuǎn)移至BN薄片的頂部上。在使用氧等離子蝕刻將該石墨烯薄片成形為霍爾棒之后，再次將幾個層厚的BN間隔物轉(zhuǎn)移至石墨烯薄片的頂部上。使間隔物對準為使其僅覆蓋霍爾棒結(jié)構(gòu)，而不覆蓋石墨烯“引線”(參見圖4 (a))。最后，轉(zhuǎn)移頂部石墨烯層，接著進行標準的觸點沉積。因為底部薄片的部分仍是開放的，所以可以在ー個電子束光刻運行中將觸點做到兩個層上。還可以通過細致的蝕刻來使頂層成形，接著使底層的臺面結(jié)構(gòu)成形。在每個轉(zhuǎn)移階段之前通過在Ar/H2中、300°C下退火數(shù)小時以清潔表面。
[0123]圖1 (a)是多層樣品的器件示意圖。圖1 (a)中描繪的層順序如下:厚的BN下層(藍色)、底部石墨烯(灰色)、薄的BN間隔物(紅色)以及頂部石墨烯層(深灰色)。
[0124]圖1 (b)是多層樣品的光學圖像。紅線表示BN間隔物的邊緣。雖然在這些條件下BN上的石墨烯的對比度消失，但是由于BN下層被部分蝕刻，使得可以看見底部霍爾棒。標尺為5 y m。
[0125]圖1 (C)示出了不同間隔物厚度下的量子電容(圓圈)和模擬(實線)的實驗結(jié)果。
[0126]轉(zhuǎn)移過程涉及在Si/PMGI/PMMA堆疊體的頂部上進行標準的薄片沉積，接著通過在弱堿溶液中蝕刻掉PMGI脫模層來剝離PMMA膜。在該過程期間，具有薄片的頂部PMMA表面保持干燥。然后將該膜拾取到支撐物(金屬環(huán))上，對準并面朝下放置在目標基底上。使用精度為約2 u m的光學掩模校準器來進行對準。在轉(zhuǎn)移之后，將PMMA載體膜溶解在丙酮中。對經(jīng)轉(zhuǎn)移的薄片進行退火經(jīng)常伴隨著形成有機物質(zhì)和氣體物質(zhì)的微小泡，因此進行光刻以使霍爾棒置于在這樣的泡之間。
[0127]本發(fā)明已經(jīng)研究了具有不同間隔物厚度(d)(2nm、2.8nm、3.6nm)的三種樣品。雖然樣品顯示了非常相似的性能，但是為了在沒有明顯泄露的情況下獲得較高的載流子濃度，本文中示出的大多數(shù)結(jié)果已經(jīng)在較厚的器件上測量過。對于最厚的器件，穿過BN夾層的泄露小偏壓下無法檢測到(> IGQ )，并且在0.6V下漏電流指數(shù)上升至約InA。對器件表面的AFM研究確定各層為平坦的，并且均勻間隔，RMS粗糙度低于I人。每個結(jié)構(gòu)與底層具有10個觸點，并且與頂部具有至少6個觸點。底層的載流子遷移率(最高為ISm2V-1S-1)優(yōu)于頂部的載流子遷移率(2.SmW1至Sm2V-1 S—1)。
[0128]層間間隔物的良好質(zhì)量使得本發(fā)明能夠在石墨烯層之間使用電壓Vint以控制電荷密度。與主要影響底層的背柵一起，可以實現(xiàn)頂層濃度(nt)和底層濃度(nb)的不同組合。然而，載流子密度不再是電壓Vint的線性函數(shù)。[0129]為了對此進行探索，本發(fā)明已經(jīng)研究了本發(fā)明的器件的電容(圖1 (C))。
[0130]這已經(jīng)通過根據(jù)霍爾效應(yīng)測量電荷載流子濃度n (Vinter)來完成:n=eB/RH (其中，B為磁場，Rh為霍爾電阻)。然后通過微分:C = edndVintOT獲得電容(每單位面積)。只要在石墨烯片中存在一種類型的載流子(即，不太接近NP)，該方法就是有效的。圖4 (c)中顯示的結(jié)果表明對于帶有金屬板的電容器，C并不是如預(yù)期那樣的恒定。偏差是由源于石墨烯中低電荷載流子濃度和作為串聯(lián)電容操作的量子電容Cq所導(dǎo)致的。在T=O并且忽略無序
性的情況下，二其中費米速度vF=l.1 ? 106m/co總電容C= (2/Cq+d/ e e。)-1，
其中e =4.8為BN的介電常數(shù)，而系數(shù)2是因為本發(fā)明具有兩個由石墨烯制成的板的事實。使用厚度作為唯一的擬合參數(shù)，本發(fā)明活動d為約4nm，其與AFM測量的結(jié)果一致。
[0131]此處，e=4.8 為 AC 值，其中 Vf 取作 1.1 XlO6。
[0132]因為2DEG很接近，所以在每層電子密度波動之間的散射事件中出現(xiàn)動量轉(zhuǎn)移。驅(qū)動電流Ia在多個層(有源)之一中流通導(dǎo)致在其它層(無源)中產(chǎn)生拖曳電流。在兩個層具有相同的載流子類型(n-n，p-p)的情況下，這兩種電流具有相同的方向，并且在n-p (p-n)結(jié)構(gòu)的情況下，電流的方向相反。因此，開路結(jié)構(gòu)中的拖曳電阻Rtag=Vp/Ia在n-n (p-p)情況下為負，在p-n(n-p)情況下為正，并且如果多個層之一具有零平均濃度則拖曳電阻為零。
[0133]由于在本發(fā)明的器件中觀測到可以忽略的固有摻雜(估計)，所以對于兩個層而言零柵極電壓導(dǎo)致ef=0。然后，向頂層施加恒定電壓Vint (底層接地)，產(chǎn)生符號相反的相等電荷密度n=nt=-nb。對于拖曳測量而言，底層用作有源層，并且頂層用作無源層，但是有源層與無源層互換并不顯著改變拖曳電阻(5%以內(nèi))。如所預(yù)期的，測量的拖曳電阻不依賴于驅(qū)動電流(在20K以上最高至0.5 ii A)，并且在AC/DC兩者的設(shè)置中相同。
[0134]圖2 (a)示出了對稱情況下n=nt=_nb的作為層間電壓的函數(shù)的拖曳(實線)。虛線示出了 B=0.5T下,頂層的Rxy(相同的Vint標度,垂直標度未示出)。水平點線表示Rxy=O。曲線圖分別示出了底層和頂層的費米能級。T=124K。
[0135]圖2 (b)示出了非対稱情況下的拖曳電阻:在相同的載流子類型的兩層中為負(黑色曲線-空穴，紅色曲線-電子)，并且對于P-n (n-p)結(jié)構(gòu)為正。曲線圖涉及藍色曲線。T=124K。
[0136]圖2 (C)示出了不同Vint下作為背柵電壓的函數(shù)的RdMg。T=IlOK0曲線圖涉及黑色曲線。
[0137]圖2 (a)示出了當Vbad5=O (即,n=nt=_nb)時,所測量的作為層間電壓Vint的函數(shù)的Rdrag0在電子中性(EN)點Vint=O吋，空間不均勻性將石墨烯裂解為隨機熱彌散電子-空穴坑系統(tǒng)，并且平均Rdrag接近于零。隨著彌漫(inform)濃度大量増加，Rdrag急劇上升，達到了最大值，然后由于屏蔽引起的層間相互作用的弱化而下降。
[0138]為了評估在Vint中非均勻區(qū)域有多大，本發(fā)明測量了頂層的Rxy，其中遷移率較低(圖2(a)中的虛線)。Rxy的最大值和最小值對應(yīng)于從均勻濃度區(qū)域(當Rxy應(yīng)減小為1/n吋)至非均勻區(qū)域(由于溫度有限并且潛在無序，所以存在兩種類型的載流子)的交叉。其位置(在Vint=±0.05V下由垂直虛線所示)與拖曳電阻Rdrag的峰值(如圖中垂直虛線所示)幾乎完全匹配。因此，本發(fā)明認為RdMg (Vint)的中心深度與氣體在低能量下的不均勻性直接相關(guān)。[0139]當施加有限的背柵電壓Vbadt吋，兩個層具有相同類型的載流子:如圖2 (b)所示拖曳電阻為負。引入Vint將增加ー個薄片中的濃度并且耗盡其它薄片中的濃度。最終，多個層之一的EN點將與費米能級匹配——在該點，Rdrag將改變符號穿過O。這樣的轉(zhuǎn)變大小再次與無序性相關(guān)。因為各層中的遷移率不同，所以兩種轉(zhuǎn)變不是対稱的。
[0140]還可以測量作為Vbadt的函數(shù)的拖曳電阻。圖2 (C)示出了對于載流子類型的不同組合的這樣的測量結(jié)果:Vint=0mV、50mV、_100mV。由于部分屏蔽的原因，所以背柵電壓以不同的方式影響兩個層的濃度。由于其對稱地限定濃度nt，nb并且清晰直觀，所以進ー步的報道將集中在與圖2 Ca)中給出的測量結(jié)果類似的測量結(jié)果。
[0141]圖3示出了不同Vint下拖曳電阻的溫度相關(guān)性。實線示出了對應(yīng)于冪為2的斜率。圖3 (插圖)示出了三個不同溫度下的Rdrag (Vint)0
[0142]因為庫倫拖曳源自層間散射過程，所以其是由散射事件中可利用的相位空間所決定的。文獻中施加于石墨烯的庫倫拖曳的一般理論是基于其中屏蔽的層間相互作用
びl2(f，0)依賴于波矢量奮和頻率w的二階攝動理論(perturbation theory)。對于彈道
區(qū)域而言，當平均自由程I?d (這無疑是本發(fā)明實驗條件的情況)吋，拖曳電阻率可以估計為:
[0143]
【權(quán)利要求】
1.ー種石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有: 第一石墨烯層； 第二石墨烯層；以及 位于所述第一石墨烯層與所述第二石墨烯層之間的間隔層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層是六方氮化硼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層與所述第一石墨烯層直接相鄰，并且所述第二石墨烯層與所述間隔層直接相鄰。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層的厚度為IOnm或更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層的厚度在2nm至4nm的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第一石墨烯層為單個石墨烯片，并且所述第二石墨烯層為單個石墨烯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中將所述第一石墨烯層和/或所述第二石墨烯層成形以形成結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠包括一個或更多個觸點，所述ー個或更多個觸點中的姆個觸點位于被包括在形成于所述第一石墨烯層中的結(jié)構(gòu)中和/或形成于所述第二石墨烯層中的所述結(jié)構(gòu)中的一個或更多個相應(yīng)的接觸區(qū)域上。`
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層相對于所述第一石墨烯層對準，使得所述間隔層僅覆蓋所述第一石墨烯層的一部分，優(yōu)選地使得被包括在形成于所述第一石墨烯層中的結(jié)構(gòu)中的ー個或更多個接觸區(qū)域不被所述間隔層覆蓋。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括基層，所述第一石墨烯層位于所述基層上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述基層為六方氮化硼。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括基底，所述基層位于所述基底上。
13.—種制造石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，包括: 在第一石墨烯層上沉積間隔層；以及 在所述間隔層上沉積第二石墨烯層，使得所述間隔層位于所述第一石墨烯層與所述間隔層之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述方法包括在基層上沉積所述第一石墨烯層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述方法包括在基底上沉積所述基層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中通過剝離法在所述基底上沉積所述基層。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項所述的方法，其中使用前體結(jié)構(gòu)在所述基層上沉積所述第一石墨烯層，所述前體結(jié)構(gòu)包括位于載體層上的所述第一石墨烯層，所述方法包括: 在所述基層上沉積所述前體結(jié)構(gòu)，所述第一石墨烯層面向所述基層；以及接著將所述載體層從所述第一石墨烯層移除。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項所述的方法，其中使用前體結(jié)構(gòu)在所述第一石墨烯層上沉積所述間隔層，所述前體結(jié)構(gòu)包括位于載體層上的所述間隔層，所述方法包括: 在所述第一石墨烯層上沉積所述前體結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層面向所述第一石墨烯層；以及 接著將所述載體層從所述間隔層移除。
19.根據(jù)權(quán)利要求14至18中任一項所述的方法，其中使用前體結(jié)構(gòu)在所述間隔層上沉積所述第二石墨烯層，所述前體結(jié)構(gòu)包括位于載體層上的所述第二石墨烯層，所述方法包括: 在所述間隔層上沉積所述前體結(jié)構(gòu)，其中所述第二石墨烯層面向所述間隔層；以及 接著將所述載體層從所述第二石墨烯層移除。
20.根據(jù)權(quán)利要求14至19中任一項所述的方法，其中所述方法包括在沉積所述層中的任意一個或更多個層之后，通過退火來清潔所述石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
21.一種晶體管，包括: 源電極； 漏電極；以及 與所述源電極和所述漏電極 兩者接觸并且位于所述源電極與所述漏電極兩者之間的絕緣阻擋，所述絕緣阻擋包括I至30個ー種或更多種材料的層； 其中所述源電極和所述漏電極至少之一包括石墨烯層，并且另ー電極包括導(dǎo)電材料層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的晶體管，其中所述源電極包括石墨烯層。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的晶體管，其中所述漏電極包括石墨烯層。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的晶體管，其中所述源電極包括石墨烯層，并且所述漏電極包括石墨烯層。
25.根據(jù)權(quán)利要求21至24中任一項所述的晶體管，其中所述絕緣阻擋包含氮化硼。
26.根據(jù)權(quán)利要求21至24中任一項所述的晶體管，其中所述絕緣阻擋為半導(dǎo)體。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的晶體管，其中所述半導(dǎo)體為S1、Ge、或第II1-V族半導(dǎo)體。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的晶體管，其中所述半導(dǎo)體為GaAs或AlGaAs。
29.根據(jù)權(quán)利要求21至24中任一項所述的晶體管，其中所述絕緣阻擋為過渡金屬的硫?qū)倩锘蚨驅(qū)倩铩?br> 30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的晶體管，其中所述絕緣阻擋為MoS2和Hf02。
31.根據(jù)權(quán)利要求21至24中任一項所述的晶體管，其中所述絕緣阻擋由ー個或更多個六方BN層和ー個或更多個MoS2層形成。
32.根據(jù)權(quán)利要求21至31中任一項所述的晶體管，其中所述晶體管還包括下層，底部電極層位于所述下層上。
33.根據(jù)權(quán)利要求21至32中任一項所述的晶體管，其中所述晶體管還包括覆蓋所述源電極的封裝層。
34.根據(jù)權(quán)利要求21至33中任一項所述的晶體管，其中所述晶體管還包括覆蓋所述漏電極的封裝層。
35.根據(jù)權(quán)利要求21至34中任一項所述的晶體管，其中所述晶體管還包括基底，所述源電極位于所述基底上。
36.根據(jù)權(quán)利要求21至34中任一項所述的晶體管，其中所述晶體管包括根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。`
【文檔編號】H01L29/51GK103493203SQ201280019774
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月22日
【發(fā)明者】A·K·海姆, K·S·諾沃肖洛夫, R·V·戈爾巴喬夫, L·A·波諾馬連科, L·布里特內(nèi)爾 申請人:曼徹斯特大學