石墨烯晶體管的研究進(jìn)展

上海電機(jī)學(xué)院 王永存

石墨烯晶體管的研究進(jìn)展

上海電機(jī)學(xué)院 王永存

石墨烯薄膜厚度只有一個(gè)原子直徑大小，同時(shí)它還具有許多優(yōu)異的特性，例如：超高的載流子遷移率、亞微米級(jí)別的彈道輸運(yùn)、優(yōu)秀的機(jī)械性能、良好的導(dǎo)熱性和獨(dú)特的光學(xué)特性等。由于石墨烯晶體管具有超高響應(yīng)頻率和超小的體積等一系列優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為新一代半導(dǎo)體晶體管的發(fā)展趨勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)石墨烯薄膜制備、石墨烯晶體管制備和國(guó)內(nèi)外石墨烯晶體管研究進(jìn)行綜述，展望石墨烯晶體管未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

石墨烯；晶體管

0 引言

2004年在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里安德烈-海姆和康斯坦丁-諾沃肖洛夫成功從石墨中分離出來(lái)石墨烯材料，它是一種由單層碳（C）原子構(gòu)成的二維納米結(jié)構(gòu)，從而也證明了二維材料可以穩(wěn)定存在。單層石墨烯的厚度只有0.335nm，是現(xiàn)在已知的最薄的材料。同時(shí)，石墨烯具有5300w/m·K的超高導(dǎo)熱系數(shù)。在常溫下它電子的遷移率就已經(jīng)高達(dá)15000cm/V·s，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在最常用的半導(dǎo)體材料硅中電子的遷移率。因?yàn)槠浔旧砭哂蟹浅?yōu)異的電學(xué)特性，所以石墨烯薄膜非常適合用來(lái)制備超高性能電子元器件，許多科學(xué)家認(rèn)為石墨烯在未來(lái)將有望替代現(xiàn)在的硅材料成為下一代半導(dǎo)體材料[1-4]。

1 石墨烯薄膜制備

石墨烯薄膜的制備方法包括微機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)、化學(xué)氣相沉積CVD法和氧化石墨還原法等。

微機(jī)械剝離法是基于微機(jī)械操作對(duì)石墨進(jìn)行逐層分離，最后得到單層的石墨烯薄膜。2004年，安德烈-海姆和康斯坦丁-諾沃肖洛夫在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)這種剝離法在世界首次制備出單層石墨烯。機(jī)械剝離法制備出石墨烯薄膜質(zhì)量非常高，但是這種方法效率很低，不適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

外延生長(zhǎng)法是基于碳化硅外延生長(zhǎng)，這種方法通過(guò)高溫加熱碳化硅單晶體，在持續(xù)高溫情況下碳化硅單晶體表面的硅原子會(huì)因?yàn)檎舭l(fā)而脫離單晶體表面，然后失去硅原子的碳原子通過(guò)自組形式重構(gòu)，碳原子之間相互結(jié)合形成單層石墨烯薄膜。

化學(xué)氣相沉積CVD方法是通過(guò)在高溫情況下烴（甲烷）會(huì)分解為碳原子和氫原子，在CVD內(nèi)部有金屬襯底，分解出的碳原子會(huì)與金屬襯底結(jié)合從而形成石墨烯薄膜。以下金屬材料可以作為石墨烯薄膜的金屬襯底：鎳、銅、釕、鉑等?；瘜W(xué)氣相沉積CVD法具有工藝限制條件少、簡(jiǎn)單易行和可控性高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在大面積制備石墨烯薄膜多采用這種方法[5-6]。

氧化石墨是通過(guò)還原氧化石墨烯材料得到石墨烯薄膜粉末，石墨烯粉末適合作為超級(jí)電容器等填充材料。該方法操作簡(jiǎn)單、制備成本低，同時(shí)它可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地制備出石墨烯。

2 石墨烯晶體管加工

如圖1所示石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)分為源極、漏極、柵極、柵極絕緣層和石墨烯導(dǎo)電溝道。其中石墨烯導(dǎo)電溝道的尺寸可以從幾納米到幾百納米不同，這可以是石墨烯晶體管的尺寸縮小到幾納米。同時(shí)，由于石墨烯的超高的電子遷移率特性，它可以使石墨烯晶體管的響應(yīng)速度大大提高，其性能會(huì)遠(yuǎn)超現(xiàn)在使用的晶體管[7]。

圖1 石墨烯晶體管結(jié)構(gòu)圖

圖2 刻蝕后的石墨烯圖形

石墨烯晶體管的加工，首先通過(guò)電子束光刻工藝將設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移到石墨烯薄膜上，然后利用氧等離子體刻蝕工藝對(duì)石墨烯薄膜進(jìn)行刻蝕，以保留石墨烯導(dǎo)電溝道。圖2為刻蝕后的石墨烯薄膜圖。石墨烯導(dǎo)電溝道是石墨烯晶體管最重要部分，其性能的好壞直接決定石墨烯晶體管的性能?，F(xiàn)在對(duì)于石墨烯薄膜材料的加工方法越來(lái)越多，衡量各種方法優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)是該方法對(duì)石墨烯材料的損傷程度。對(duì)石墨烯材料損傷越小越好，這樣可以有效的保留石墨烯材料的優(yōu)異特性。

實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯材料的刻蝕后，需要制作石墨烯晶體管的源極、漏極、柵極和柵極氧化層，主要運(yùn)用電子束蒸渡或者磁控濺射等工藝，柵極絕緣層一般選擇ALD工藝。源極、漏極和柵極金屬一般選擇Cr/Au，因?yàn)镃r可以與石墨烯很好的結(jié)合，而金的導(dǎo)電性非常好。對(duì)于頂柵結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體管首先需要在石墨烯導(dǎo)電溝道上沉積一層氧化鋁作為柵介質(zhì)層。

石墨烯晶體管的加工技術(shù)現(xiàn)在還不夠完善，暫時(shí)無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

IBM沃森研究中心于2008年3月制備出世界上首個(gè)低噪聲石墨烯晶體管，這一成果使石墨烯晶體管開始進(jìn)入人們的視野。在這之后IBM 又成功制備出頻率大于 1GHz 的石墨烯晶體管，從而提高石墨烯晶體管的性能，其團(tuán)隊(duì)還對(duì)石墨烯晶體管進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)計(jì)算結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯晶體管的柵極尺寸為 150 nm，它的頻率可以高達(dá) 26GHz。而當(dāng)這一尺寸縮小為 50 納米時(shí)，其頻率將突破 1THz，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的硅基晶體管。在2011 年初，IBM 研究人員向人們展示了具有155GHz超高截止頻率的新一代石墨烯晶體管。同時(shí)這也他們制備的尺寸最小的晶體管，其具有40納米的選通脈沖寬度。三星電子在2012 年5 月設(shè)計(jì)制備出一種新的石墨烯晶體管，三星公司研究人員稱該石墨烯晶體管可提高現(xiàn)有運(yùn)算能力100倍。斯科物理技術(shù)學(xué)院2016年制作一種雙層結(jié)構(gòu)石墨烯晶體管，它的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行頻率非常高，但是功耗非常低，因此開關(guān)切換所需的能量極小，這傳統(tǒng)硅材料晶體管所無(wú)法比擬的。

4 展望

自從石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái)，關(guān)于石墨烯材料的科學(xué)研究不斷取得重要進(jìn)展，其在微電子、量子物理、材料、化學(xué)等領(lǐng)域都表現(xiàn)出許多非凡的性能和潛在的廣闊應(yīng)用前景。石墨烯晶體管的頻率性能已超過(guò)了相同柵極長(zhǎng)度的最先進(jìn)硅晶體管的截止頻率（40GHz）。石墨烯材料的這種高性能使其在納米電子器件方面具有極大的潛力，關(guān)于石墨烯晶體管的各種改進(jìn)還在繼續(xù)，未來(lái)石墨烯器件將很有可能替代硅基器件成為最重要的半導(dǎo)體材料。

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