專利名稱：具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
示例實(shí)施方式涉及具有可調(diào)的半導(dǎo)體勢壘的石墨烯開關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
具有二維六方碳結(jié)構(gòu)的石墨烯是可代替半導(dǎo)體的材料，因此最近已經(jīng)在世界范圍積極地進(jìn)行了有關(guān)石墨烯的研究。石墨烯可以是零帶隙半導(dǎo)體。在形成具有IOnm或更小的石墨烯溝道寬度的石墨烯納米帶(GNR)時(shí)，帶隙通過尺寸效應(yīng)形成。因此，通過使用GNR可以制造可在室溫操作的場效應(yīng)晶體管。
當(dāng)使用GNR作為溝道的石墨烯晶體管被制造時(shí)，石墨烯晶體管的開/關(guān)電流比(on/off ratio)可能增大。然而,在GNR處的遷移率可能大大降低，并且石墨烯晶體管的導(dǎo)通電流由于GNR的不規(guī)則(distorted)邊緣而可能較小。作為消除GNR的缺點(diǎn)的一種方法，可以通過在垂直方向上施加電場到雙層的石墨烯而形成帶隙。然而，此方法是大尺寸CVD方法，因此可能難以生長均勻的雙層石墨烯并且由于隨機(jī)域(domain)而難以商品化。

發(fā)明內(nèi)容
示例實(shí)施方式涉及一種具有可調(diào)的半導(dǎo)體勢壘的石墨烯開關(guān)裝置。額外的方面將在隨后的描述中部分地闡述，并且部分將通過該描述而明顯，或可以通過對(duì)示例實(shí)施方式的實(shí)踐而習(xí)之。根據(jù)示例實(shí)施方式，一種具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置包括柵基板(gatesubstrate);在柵基板上的柵介電層(gate dielectric);在柵介電層上的石墨烯層；半導(dǎo)體層和第一電極，順序堆疊在石墨烯層的第一區(qū)上，半導(dǎo)體層摻雜有η型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)的其中之一，以及半導(dǎo)體層面對(duì)柵基板，石墨烯層位于半導(dǎo)體層與柵基板之間；以及第二電極，在石墨烯層的第二區(qū)上，該第二區(qū)與石墨烯層的第一區(qū)間隔開。半導(dǎo)體層可以包括硅、鍺、硅-鍺、III-V族半導(dǎo)體以及II-VI族半導(dǎo)體的其中之
O石墨烯層可以與第一電極分離。半導(dǎo)體層可具有在大約Inm至大約IOnm范圍的厚度。第一電極和第二電極可以包含金屬和多晶娃的其中之一。石墨烯開關(guān)裝置可以是單極(uni-polar)晶體管，該單極晶體管的極性與半導(dǎo)體層的雜質(zhì)類型相同。半導(dǎo)體層可配置成在石墨烯層和第一電極之間形成能隙，該能隙可根據(jù)施加到柵基板的柵電壓改變。石墨烯層的一部分可包括一層至四層石墨烯。根據(jù)示例實(shí)施方式，一種具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置包括半導(dǎo)體層，配置成在石墨烯層與第一電極之間形成能隙，該第一電極位于半導(dǎo)體層的第一區(qū)上，該石墨烯層位于半導(dǎo)體層上；絕緣層，在半導(dǎo)體層的第二區(qū)上，該絕緣層與第一電極分離，石墨烯層位于第一電極與絕緣層之間，石墨烯層延伸到絕緣層上；第二電極，在石墨烯層和半導(dǎo)體層的第二區(qū)上，第二電極面對(duì)絕緣層；在石墨烯層上的柵介電層；以及柵電極，在柵介電層上。半導(dǎo)體層可包括硅、鍺、硅-鍺、III-V族半導(dǎo)體和II-VI族半導(dǎo)體中的其中之一。石墨烯層可以與所述第一電極分離。石墨烯層與第一電極之間的間隙可以在大約Inm到大約30nm的范圍。第一電極和第二電極可以包含金屬和多晶娃的其中之一。石墨烯開關(guān)裝置可以是單極晶體管，該單極晶體管具有與半導(dǎo)體層的雜質(zhì)類型相同的極性。通過半導(dǎo)體層形成的能隙可以根據(jù)施加到柵電極的柵電壓改變。
石墨烯層的至少一部分可以具有一層至四層石墨烯。根據(jù)示例實(shí)施方式，一種具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置包括石墨烯層，包括與第二表面相反的第一表面；半導(dǎo)體層，包含η型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)的其中之一，半導(dǎo)體層接觸石墨烯層的第一表面的第一部分和石墨烯層的第二表面的第一部分的其中之一；第一電極，接觸半導(dǎo)體層，第一電極與石墨烯層分離；第二電極，接觸石墨烯層的第一表面的第二部分；柵電極；以及柵介電層，接觸柵電極和石墨烯層，柵介電層位于柵電極與半導(dǎo)體層之間。半導(dǎo)體層可以包括硅、鍺、硅-鍺、III-V族半導(dǎo)體以及II-VI族半導(dǎo)體中的其中
之一 O第一電極和第二電極的至少之一可以包含金屬和多晶娃的其中之一。石墨烯層的至少一部分可具有一至四層石墨烯的厚度。石墨烯開關(guān)裝置可以是單極晶體管，該單極晶體管的極性與半導(dǎo)體層的雜質(zhì)類型相同。半導(dǎo)體層可以配置成在石墨烯層與第一電極之間形成能隙，以及該能隙可以根據(jù)施加到柵電極的柵電壓改變。柵介電層可以在柵電極上。石墨烯層可以在柵介電層上。半導(dǎo)體層可以在石墨烯層上且可以接觸石墨烯層的第一表面的一部分。第一電極可以在半導(dǎo)體層上。第二電極可以與石墨烯層的第一表面上的半導(dǎo)體層間隔開。半導(dǎo)體層可以具體在約Inm至約IOnm的范圍內(nèi)的厚度。半導(dǎo)體層可以接觸石墨烯層的第二表面的第一部分。石墨烯層可以在半導(dǎo)體層上。第一電極可以在半導(dǎo)體層上。柵介電層可以在石墨烯層上。柵電極可以在柵介電層上。石墨烯層與第一電極之間的、沿著半導(dǎo)體層的表面的間隙可以在大約Inm至大約30nm的范圍內(nèi)。柵介電層可以填充分離第一電極與石墨烯層的間隙。絕緣層可以位于石墨烯層的第二表面的第二部分與半導(dǎo)體層之間，石墨烯層可以在絕緣層與第二電極之間延伸。石墨烯層可以配置成用作在柵電壓施加到柵電極時(shí)電子和空穴的其中之一流動(dòng)通過石墨烯層的路徑。石墨烯開關(guān)裝置可以通過調(diào)整流動(dòng)通過石墨烯層的電流而作為二極管操作。調(diào)整電流可以包括以下至少之一在第一電極與第二電極之間施加正向偏壓以增大流動(dòng)通過石墨烯層的電流，和在第一電極與第二電極之間施加負(fù)偏壓以減少流動(dòng)通過石墨烯層的電流。石墨烯開關(guān)裝置可以通過以下操作而作為三極管操作在第一電極與第二電極之間施加正向偏壓，調(diào)整施加到柵電極的柵電壓從而調(diào)整半導(dǎo)體層與石墨烯層之間的能隙。增大施加到柵電極的柵電壓的幅值可以減小半導(dǎo)體層與石墨烯層之間的能隙。減少施加到柵電極的柵電壓的幅值可以增加半導(dǎo)體層與石墨烯層之間的能隙。石墨烯開關(guān)裝置可以通過以下操作為作為晶體管操作在第一電極與第二電極之間施加負(fù)偏壓，調(diào)整施加到柵電極的柵電壓從而調(diào)整石墨烯開關(guān)裝置的飽和電流電平。


通過下文對(duì)如附圖所示的非限制性的實(shí)施方式的描述，這些和/或其他方面將變得明顯且更易于理解，在附圖中相同的附圖標(biāo)記在不同的附圖中始終表示相同的部件。附圖不必按比例繪制，重點(diǎn)在于示出示例實(shí)施方式的原理。在附圖中圖I是根據(jù)示例實(shí)施方式的包括可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置的示意剖視圖；圖2A、2B、2C和2D是能帶圖，用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的、圖I的石墨烯開關(guān)裝置的操作；圖3是根據(jù)示例實(shí)施方式的η型石墨烯開關(guān)裝置的I-V特性曲線；圖4是根據(jù)示例實(shí)施方式的P型石墨烯開關(guān)裝置的I-V特性曲線；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的、包括可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置的示意剖視圖；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的、包括可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置的示意剖視圖。
具體實(shí)施方式

現(xiàn)將參考附圖更加全面地描述示例實(shí)施方式，其中在附圖中示出了一些示例實(shí)施方式。然而，示例實(shí)施方式可以以不同的形式實(shí)施，并且不應(yīng)解釋為限于這里闡述的實(shí)施方式。相反，提供這些實(shí)施方式使得本公開將充分和完整，并且將向本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員全面地傳達(dá)本發(fā)明的范圍。在附圖中，為了清晰起見，夸大了層和區(qū)域的厚度。在附圖中的相同附圖標(biāo)記表示相同的元件，因而可以省略它們的說明。將理解的是，當(dāng)一個(gè)元件被稱為“連接”或“耦接”到另一元件時(shí)，其可以直接連接或耦接到所述另一元件，或者可以存在中間元件。相反，當(dāng)一個(gè)元件被稱為“直接連接”或“直接耦接”到另一元件時(shí)，不存在中間元件。如這里所使用的，術(shù)語“和/或”包括相關(guān)列舉項(xiàng)目的一個(gè)或更多的任意和所有組合。用于說明元件或?qū)又g的關(guān)系的其它詞語應(yīng)該以類似的方式解釋(例如，“在…之間”與“直接在…之間”，“相鄰”與“直接相鄰”，“在…上”與“直接在…上”)。將理解的是，盡管術(shù)語“第一”、“第二”等可在此用于說明各種元件、部件、區(qū)域、層和/或截面，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或截面不應(yīng)受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語僅用于區(qū)別一個(gè)元件、部件、區(qū)域、層或截面與另一個(gè)元件、部件、區(qū)域、層或截面。因此，下文討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或截面可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或截面，而不脫離不例實(shí)施方式的教導(dǎo)。為了易于說明，可在此使用空間相關(guān)的術(shù)語，諸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等，以描述如附圖所示的一個(gè)元件或特征與別的元件或特征的關(guān)系。將理解的是，空間相關(guān)術(shù)語旨在涵蓋裝置在使用或操作中的、除了附圖所示的取向之外的不同取向。例如，如果附圖中的裝置翻轉(zhuǎn)，則被描述為在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件則取向?yàn)樵谄渌蛱卣鳌吧戏健薄Ｒ虼?，示例性術(shù)語“下方”可涵蓋上方和下方兩種取向。裝置可以以其它方式取向(旋轉(zhuǎn)90度或在其它取向上)，并且可相應(yīng)地解釋這里使用的空間相關(guān)描述。這里使用的術(shù)語僅用于說明特定實(shí)施方式，而不旨在限制示例實(shí)施方式。如這里使用的，單數(shù)形式“一”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外清楚地表示。還將理解的是，如果在此使用術(shù)語“包括”或“包含”，則表明所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個(gè)或更多其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。當(dāng)在一系列元件之后存在表述諸如“至少一個(gè)”時(shí)，該表述修飾整列元件而不修飾該列元件中的個(gè)別元件。 在這里參考截面圖描述了示例性實(shí)施方式，所述截面圖是示例實(shí)施方式的理想化實(shí)施方式(和中間結(jié)構(gòu))的示意性圖示。同樣地，可以預(yù)期由于例如制造技術(shù)和/或公差引起的圖示的形狀的變化。因此，實(shí)施方式不應(yīng)解釋為限于這里所示的具體區(qū)域形狀，而是包括例如由制造引起的形狀的偏差。例如，示出為矩形的注入?yún)^(qū)域可以具有圓化或曲面化的特征和/或在其邊緣具有注入濃度的梯度，而不是從注入?yún)^(qū)到非注入?yún)^(qū)的二元變化。同樣地，通過注入形成的掩埋區(qū)可能導(dǎo)致掩埋區(qū)與通過其進(jìn)行注入的表面之間的區(qū)域中存在一些注入。因此，附圖中所示的區(qū)域本質(zhì)上為示意性的，并且它們的形狀不旨在示出裝置的區(qū)域的實(shí)際形狀，并且不旨在限制示例實(shí)施方式的范圍。除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與示例實(shí)施方式所屬的領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員通常理解的含義相同的含義。還將理解的是，術(shù)語(諸如在通用字典中定義的術(shù)語)應(yīng)該被解釋為具有與其在相關(guān)技術(shù)的背景中的含義相一致的含義，并且不應(yīng)解釋為理想化或者過于形式化的意義，除非這里明確地這樣定義。圖I是根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方式的、包括可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置100的示意首1J視圖。參考圖1，柵介電層120形成在基板110上。石墨烯層130形成在柵介電層120上。半導(dǎo)體層140形成在石墨烯層130的第一區(qū)上，第一電極151形成在半導(dǎo)體層140上。第二電極152形成在石墨烯層130的與第一區(qū)分離的第二區(qū)上。第一電極151可以是源電極和漏電極之一，第二電極152可以是源電極和漏電極中的另一個(gè)。第一電極151和第二電極152可以由金屬或多晶娃形成?；?10可起背柵(例如，柵電極)的作用，并可以由金屬或摻雜有雜質(zhì)的半導(dǎo)體形成。柵介電層120可以由硅氧化物或硅氮化物形成，但是示例實(shí)施方式不限于此。石墨烯層130可以通過轉(zhuǎn)印石墨烯(其通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法制得)并且圖案化所轉(zhuǎn)印的石墨烯而形成。石墨烯層130可包括單層石墨烯至四層石墨烯。石墨烯層130可以是載流子的移動(dòng)路徑并可具有零帶隙，和/或小于30meV的帶隙。半導(dǎo)體層140可以包括硅、鍺、硅-鍺、III-V族半導(dǎo)體以及II-VI族半導(dǎo)體中的其中之一。半導(dǎo)體層140可以形成為具有用于載流子隧穿的厚度。雖然半導(dǎo)體層140的厚度可根據(jù)所使用的材料而改變，但半導(dǎo)體層140可具有在大約Inm至大約IOnm范圍的厚度。半導(dǎo)體層140可以摻雜有P型雜質(zhì)或者η型雜質(zhì)。如圖I所示，半導(dǎo)體層140設(shè)置為面對(duì)柵電極(背柵基板110)，石墨烯層130插置在其間。半導(dǎo)體層140的能隙可以由柵電壓控制。因此，半導(dǎo)體層140是可調(diào)的勢壘，并可以被稱為半導(dǎo)體勢壘。具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置100可以是單極晶體管(uni-polartransistor),其根據(jù)半導(dǎo)體層140的極性變成η型晶體管或p型晶體管。也就是說，如果半導(dǎo)體層140摻雜有η型雜質(zhì)，則具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置100是η型晶體管。否則，如果半導(dǎo)體層140摻雜有P型雜質(zhì)，則具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置100是P型晶體管。因而，石墨烯層130可以根據(jù)施加到基板110的柵電壓而被靜電摻雜。圖2Α至2D是能帶圖，用于解釋根據(jù)示例實(shí)施方式的、圖I的石墨烯開關(guān)裝置100的操作。
圖2Α和圖2Β是能帶圖，用于解釋?duì)切褪╅_關(guān)裝置100的操作。圖2Α顯示在施加?xùn)烹妷阂郧暗臓顟B(tài)，圖2Β顯示在施加?xùn)烹妷簳r(shí)的狀態(tài)。參考圖2Α，在柵電壓沒有施加到基板110 (其是柵電極)的狀態(tài)下，與石墨烯層130和第一電極151的各功函數(shù)相應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)分別形成在半導(dǎo)體層140的兩側(cè)。因?yàn)槭╅_關(guān)裝置100包括η型半導(dǎo)體層140，所以多數(shù)載流子是電子。第一電極151與石墨烯層130之間的半導(dǎo)體層140是其間的能量勢壘。根據(jù)示例實(shí)施方式，半導(dǎo)體層140也被稱為半導(dǎo)體勢壘。載流子的遷移受到石墨烯層130與半導(dǎo)體層140之間的能隙Eg的限制。在圖2Α和圖2Β中，EF指石墨烯層130的費(fèi)米能級(jí)。參考圖2Β，在期望的(替代地，和/或預(yù)定的)電壓施加到第一電極151和第二電極152的狀態(tài)下，當(dāng)期望的(替代地，和/或預(yù)定的)的正柵電壓+Vg施加到基板110 (其是背柵)時(shí)，半導(dǎo)體層140的能隙Eg減小，如虛線所指示。因此，電子易于從石墨烯層130移動(dòng)到第一電極151。由于柵電壓，電流可以在石墨烯開關(guān)裝置100中流動(dòng)，因此，石墨烯開關(guān)裝置100起場效應(yīng)晶體管的作用。石墨烯層130是載流子的路徑(pathway)，這不同于常規(guī)場效應(yīng)晶體管的溝道。由于能隙Eg減小，所以電子可因半導(dǎo)體層140的隧穿效應(yīng)而移動(dòng)通過半導(dǎo)體層140。隨著柵電壓增大，半導(dǎo)體層140的能隙Eg進(jìn)一步減小。因此，半導(dǎo)體層140的能隙Eg是可控制的。圖3是根據(jù)示例實(shí)施方式的η型石墨烯開關(guān)裝置的I-V特性曲線。參考圖3，當(dāng)源漏電壓是正電壓時(shí)，漏極電流在箭頭A指示的方向上增大，同時(shí)能隙可以隨著柵電壓增大而減小。在圖2Α和圖2Β中，當(dāng)負(fù)電壓施加到包括η型半導(dǎo)體層140的石墨烯開關(guān)裝置100的第一電極151時(shí)，電子良好地(well)流動(dòng)而沒有能量勢壘。然而，當(dāng)正電壓施加到第一電極151時(shí)，電流會(huì)因能量勢壘而不能良好地流動(dòng)。因此，石墨烯開關(guān)裝置100可以起二極管的作用。此時(shí)，由于能量勢壘的大小因柵電壓的增大而被控制，所以電流在箭頭B指示的方向上增大，因此石墨烯開關(guān)裝置100的二極管特性可以被控制。圖2C和圖2D是能帶圖，用于解釋P型石墨烯開關(guān)裝置100的操作。圖2C顯示在施加?xùn)烹妷阂郧暗臓顟B(tài)，圖2D顯示當(dāng)施加?xùn)烹妷簳r(shí)的狀態(tài)。參考圖2C，在柵電壓沒有施加到基板110 (其是柵電極)的狀態(tài)下，與石墨烯層130和第一電極151的功函數(shù)相應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)分別形成在半導(dǎo)體層140的兩側(cè)。因?yàn)槭╅_關(guān)裝置100包括P型半導(dǎo)體層140，所以多數(shù)載流子是空穴。第一電極151與石墨烯層130之間的半導(dǎo)體層140是其間的能量勢壘。載流子的遷移受到石墨烯層130與半導(dǎo)體層140之間的能隙Eg的限制。在圖2C和圖2D中，EF指石墨烯層130的費(fèi)米能級(jí)。 參考圖2D，在期望的(替代地，和/或預(yù)定的)電壓施加到第一電極151和第二電極152的狀態(tài)下，當(dāng)期望的(替代地，和/或預(yù)定的)負(fù)柵電壓-Vg施加到基板110 (其是背柵)時(shí)，半導(dǎo)體層140的能隙Eg減小，如虛線所指示。因此，空穴容易地從石墨烯層130移動(dòng)到第一電極151。這表示由于柵電壓，電流在石墨烯開關(guān)裝置100中流動(dòng)，因此石墨烯開關(guān)裝置100起場效應(yīng)晶體管的作用。由于能隙Eg減小，空穴可因半導(dǎo)體層140的隧穿效應(yīng)而移動(dòng)通過半導(dǎo)體層140。隨著柵電壓的量值增大，半導(dǎo)體層140的能隙Eg進(jìn)一步減小。因此，半導(dǎo)體層140的能隙Eg是可控制的。圖4是根據(jù)示例實(shí)施方式的P型石墨烯開關(guān)裝置的I-V特性曲線。參考圖4，當(dāng)源漏電壓是負(fù)電壓時(shí)，隨著負(fù)柵電壓的絕對(duì)值增大，能隙減小，使得漏極電流在箭頭C指示的方向上增大。在圖2C和圖2D中，當(dāng)正電壓施加到包括P型半導(dǎo)體層140的石墨烯開關(guān)裝置100的第一電極151時(shí)，空穴成功地流過能量勢壘。然而，當(dāng)負(fù)電壓施加到第一電極151時(shí)，空穴可能因能量勢壘而不能成功地流動(dòng)。因此，石墨烯開關(guān)裝置100起二極管的作用。同時(shí)，在這一點(diǎn)上，由于能量勢壘的大小因負(fù)柵電壓的絕對(duì)值的增大而被控制在低水平，所以空穴在箭頭D指示的方向上增加，因此，石墨烯開關(guān)裝置100的二極管特性可以被控制。在使用常規(guī)石墨烯溝道的場效應(yīng)晶體管中，為了在石墨烯層中形成帶隙，石墨烯納米帶溝道可以通過圖案化石墨烯而形成。然而，在圖案化工藝中，可能損害石墨烯溝道。然而，在根據(jù)示例實(shí)施方式的具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置100中，通過在第一電極151與石墨烯層130之間設(shè)置半導(dǎo)體層140，能隙可以形成在第一電極151與石墨烯層130之間。同樣，因?yàn)槭?30僅起載流子路徑的作用，所以場效應(yīng)晶體管可以通過使用石墨烯層130而實(shí)現(xiàn)。同樣，因?yàn)閷?duì)于石墨烯的寬度沒有特別的限制，所以可以減少(和/或避免)在形成石墨烯納米帶溝道的工藝中的產(chǎn)量降低。參考圖I、圖3和圖4，根據(jù)示例實(shí)施方式的石墨烯開關(guān)裝置100還可以作為三極
管和/或晶體管操作。對(duì)于三極管操作，正向偏壓(圖3中的左部分，或圖4中的右部分)可以施加在第一電極151與第二電極152之間(或者對(duì)于η型石墨烯開關(guān)裝置100，負(fù)電壓可以施加到第一電極151并且第二電極152可以接地；或者對(duì)于P型石墨烯開關(guān)裝置100，正電壓可以施加至IJ第一電極151并且第二電極152可以接地)，柵電壓可以施加到基板110，從而開啟二極管導(dǎo)通電壓。導(dǎo)通電壓可以在負(fù)柵電壓施加到η型石墨烯開關(guān)裝置100的基板110或者正電壓施加到P型石墨烯開關(guān)裝置100的基板110時(shí)增大。導(dǎo)通電壓可以在正柵電壓施加到η型石墨稀開關(guān)裝置100的基板110或者負(fù)電壓施加到P型石墨稀開關(guān)裝置100的基板110時(shí)減小。
對(duì)于晶體管操作，反向偏壓(圖3中的右部分，和圖4中的左部分)可以施加在第一電極151與第二電極152之間(或者對(duì)于η型石墨烯開關(guān)裝置100，正電壓可以施加到第一電極151并且第二電極152可以接地；或者對(duì)于P型石墨烯開關(guān)裝置100，負(fù)電壓可以施加至IJ第一電極151并且第二電極152可以接地)，柵電壓可以施加到基板110，從而開啟飽和電流電平。在晶體管操作中，飽和電流電平可以在正柵電壓施加到η型石墨烯開關(guān)裝置100的基板110或者負(fù)柵電壓施加到P型石墨烯開關(guān)裝置100的基板110時(shí)增大。飽和電流電平可以在柵電壓開啟(負(fù)柵電極施加到η型石墨烯開關(guān)裝置100的基板110或者正柵電壓施加到P型石墨烯開關(guān)裝置100的基板110)時(shí)減小。因此，通過施加?xùn)烹妷?，裝置電流可以被調(diào)制為使根據(jù)示例實(shí)施方式的石墨烯開關(guān)裝置100作為晶體管操作。圖5是根據(jù)示例實(shí)施方式的、包括可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置200的示意剖視圖?！?br> 參考圖5，第一電極251設(shè)置在基板210的第一區(qū)上，絕緣層220形成在基板210的與第一區(qū)分離的第二區(qū)上。石墨烯層230形成在基板210和絕緣層220上。石墨烯層230與第一電極251分離并在第一區(qū)和第二區(qū)之間以延伸到絕緣層220上。石墨烯層230與第一電極251之間的分離距離d可以在大約Inm到大約30nm的范圍。面對(duì)絕緣層220的第二電極252形成在第二區(qū)上，石墨烯層230插置在其間。覆蓋部分石墨烯層230的柵介電層260形成在基板210上。柵電極270形成在柵介電層260上。第一電極251和第二電極252分別可以是源電極和漏電極,反之亦然。第一電極251和第二電極252可以由金屬或多晶娃形成?；?10可以是半導(dǎo)體基板(在下文，基板210被稱為半導(dǎo)體基板210)。半導(dǎo)體基板210與上文所述的石墨烯開關(guān)裝置100的半導(dǎo)體層140相應(yīng)。半導(dǎo)體基板210可以由硅、鍺、硅-鍺、III-V族半導(dǎo)體以及II-VI族半導(dǎo)體中的其中之一形成。半導(dǎo)體基板210可以被摻雜有P型雜質(zhì)或者η型雜質(zhì)。如在圖5中所示，半導(dǎo)體基板210設(shè)置為面對(duì)柵電極270，石墨烯層230位于其間。因此，半導(dǎo)體基板210的能帶可以受柵電壓影響。柵介電層260可以由硅氧化物或硅氮化物形成，但是示例實(shí)施方式不限于此。石墨烯層230可以通過轉(zhuǎn)印石墨烯并且圖案化所轉(zhuǎn)印的石墨烯而形成，其中該石墨烯通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法形成。石墨烯層230可包括單層石墨烯至四層石墨烯。石墨烯層230可以是載流子的移動(dòng)路徑并可具有零帶隙，和/或小于30meV的帶隙。當(dāng)在石墨烯層230與半導(dǎo)體基板210之間形成結(jié)時(shí),半導(dǎo)體基板210的一部分可以在半導(dǎo)體基板210的頂部沉積石墨烯層230之前暴露。如果以半導(dǎo)體基板210上的絕緣體開始，則在結(jié)區(qū)中的絕緣體的一部分可以被蝕刻，從而暴露半導(dǎo)體基板210的下層部分。然后，石墨烯可以直接沉積在半導(dǎo)體基板210的暴露部分上。具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置200可以是單極晶體管，其根據(jù)半導(dǎo)體基板210(其是半導(dǎo)體勢壘)的極性可以是η型晶體管或P型晶體管。也就是說，如果半導(dǎo)體基板210摻雜有η型雜質(zhì)，則石墨烯開關(guān)裝置200是η型晶體管，如果半導(dǎo)體基板210摻雜有ρ型雜質(zhì)，則石墨烯開關(guān)裝置200是ρ型晶體管。根據(jù)示例實(shí)施方式的、包括可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置200的操作與圖I的包括可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置100的操作相同(和/或?qū)嵸|(zhì)上相同)，因此將不再重復(fù)對(duì)其的詳細(xì)說明。在包括半導(dǎo)體基板210的石墨烯開關(guān)裝置200中，在向前方向上的電壓的極性根據(jù)半導(dǎo)體基板210的摻雜極性而確定。因此，石墨烯開關(guān)裝置200可以起二極管的作用。在這一點(diǎn)上，由于能量勢壘的大小被柵電壓控制，所以石墨烯開關(guān)裝置200的二極管特性可以被控制。在根據(jù)示例實(shí)施方式的具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置中，利用半導(dǎo)體勢壘，能隙形成在電極與石墨烯電流路徑之間。因此，石墨烯開關(guān)裝置的溝道寬度不像在石墨烯納米帶中一樣受到限制，因而可以減少(和/或防止)在石墨烯圖案化工藝中的石墨烯缺陷。圖6是根據(jù)示例實(shí)施方式的、包括可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置200’的示意性截面圖。參考圖6,石墨稀開關(guān)裝直200’可以類似于以上參考圖5描述的石墨稀開關(guān)裝直200，除了第一電極251’、柵介電層260’和絕緣層220’的結(jié)構(gòu)之外。在圖6中，絕緣層220’的一部分位于第一電極251’和基板210之間。絕緣層220’ 的該部分定義一孔H。第一電極251’延伸穿過孔H以接觸基板210。另外，柵介電層260’的與第一電極251’相鄰的部分可以形成在絕緣層220’的與第一電極251’相鄰的部分上。絕緣層220’、第一電極251’和柵介電層260’的材料可以分別與以上參考圖5描述的絕緣層220、第一電極251和柵介電層260的材料相同。雖然已經(jīng)具體顯示和描述了一些示例實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在不脫離權(quán)利要求的精神和范圍的情況下，可以在其中作出形式和細(xì)節(jié)上的變化。本申請(qǐng)要求享有2011年8月26日提交到韓國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的韓國專利申請(qǐng)No. 10-2011-0085820的韓國專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其公開通過整體引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置，該石墨烯開關(guān)裝置包括 棚基板； 在所述柵基板上的柵介電層； 在所述柵介電層上的石墨烯層； 半導(dǎo)體層和第一電極，順序堆疊在所述石墨烯層的第一區(qū)上，所述半導(dǎo)體層摻雜有η型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)的其中之一，以及所述半導(dǎo)體層面對(duì)所述柵基板，所述石墨烯層位于所述半導(dǎo)體層與所述柵基板之間；以及 第二電極，在所述石墨烯層上的第二區(qū)上，該第二區(qū)與所述石墨烯層的所述第一區(qū)分離。
2.如權(quán)利要求I所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述半導(dǎo)體層包括娃、鍺、硅-鍺、III-V族半導(dǎo)體和II-VI族半導(dǎo)體中的其中之一。
3.如權(quán)利要求I所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯層與所述第一電極分離。
4.如權(quán)利要求I所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述半導(dǎo)體層的厚度是Inm至10nm。
5.如權(quán)利要求I所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述第一電極和所述第二電極包含金屬和多晶硅的其中之一。
6.如權(quán)利要求I所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯開關(guān)裝置是單極晶體管，該單極晶體管的極性與所述半導(dǎo)體層的雜質(zhì)類型相同。
7.如權(quán)利要求6所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述半導(dǎo)體層配置成在所述石墨烯層與所述第一電極之間形成能隙，該能隙根據(jù)施加到所述柵基板的柵電壓改變。
8.如權(quán)利要求I所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯層的至少一部分具有單層至四層石墨烯。
9.一種具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置，包括 半導(dǎo)體層，配置成在石墨烯層與第一電極之間形成能隙，所述第一電極位于所述半導(dǎo)體層的第一區(qū)上，所述石墨烯層位于所述半導(dǎo)體層上； 絕緣層，位于所述半導(dǎo)體層的第二區(qū)上，所述絕緣層與所述第一電極分離，所述石墨烯層位于所述第一電極與所述絕緣層之間，所述石墨烯層延伸到所述絕緣層上； 第二電極，在石墨烯層和所述半導(dǎo)體層的所述第二區(qū)上，所述第二電極面對(duì)所述絕緣層； 柵介電層，在所述石墨烯層上；以及 柵電極，在所述柵介電層上。
10.如權(quán)利要求9所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述半導(dǎo)體層包括硅、鍺、硅-鍺、III-V族半導(dǎo)體和II-VI族半導(dǎo)體中的其中之一。
11.如權(quán)利要求9所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯層與所述第一電極分離。
12.如權(quán)利要求9所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯層與所述第一電極之間的間隙是Inm到30nm。
13.如權(quán)利要求9所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述第一電極和所述第二電極包含金屬和多晶娃的其中之一。
14.如權(quán)利要求9所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯開關(guān)裝置是單極晶體管，該單極晶體管具有與所述半導(dǎo)體層的雜質(zhì)類型相同的極性。
15.如權(quán)利要求14所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中通過所述半導(dǎo)體層形成的能隙根據(jù)施加到所述柵電極的柵電壓而改變。
16.如權(quán)利要求9所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯層的至少一部分具有一層至四層石墨烯。
17.一種具有可調(diào)勢壘的石墨烯開關(guān)裝置，包括 石墨烯層，包括與第二表面相反的第一表面； 半導(dǎo)體層，包含η型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)的其中之一，所述半導(dǎo)體層接觸所述石墨烯層的所述第一表面的第一部分和所述石墨烯層的所述第二表面的第一部分的其中之一； 第一電極，接觸所述半導(dǎo)體層，所述第一電極與所述石墨烯層分離； 第二電極，接觸所述石墨烯層的所述第一表面的第二部分； 柵電極；以及 柵介電層，接觸所述柵電極和所述石墨烯層，所述柵介電層位于所述柵電極與所述半導(dǎo)體層之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述半導(dǎo)體層包括硅、鍺、硅-鍺、III-V族半導(dǎo)體以及II-VI族半導(dǎo)體中的其中之一。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述第一電極和所述第二電極的至少之一包含金屬和多晶硅的其中之一。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯層的至少一部分具有一至四層石墨烯的厚度。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯開關(guān)裝置是單極晶體管，該單極晶體管的極性與所述半導(dǎo)體層的雜質(zhì)類型相同。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中 所述半導(dǎo)體層配置成在所述石墨烯層與所述第一電極之間形成能隙，以及所述能隙根據(jù)施加到所述柵電極的柵電壓而改變。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中 所述柵介電層在所述柵電極上， 所述石墨烯層在所述柵介電層上， 所述半導(dǎo)體層在所述石墨烯層上且接觸所述石墨烯層的所述第一表面的所述第一部分， 所述第一電極在所述半導(dǎo)體層上，以及 所述第二電極與所述石墨烯層的所述第一表面上的所述半導(dǎo)體層間隔開。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述半導(dǎo)體層的厚度是Inm至IOnm0
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中 所述半導(dǎo)體層接觸所述石墨烯層的所述第二表面的所述第一部分， 所述石墨烯層在所述半導(dǎo)體層上， 所述第一電極在所述半導(dǎo)體層上， 所述柵介電層在所述石墨烯層上，以及 所述柵電極在所述柵介電層上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中Inm至30nm的間隙使所述第一電極與所述石墨烯層沿著所述半導(dǎo)體層的表面分離。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述柵介電層填充分離所述第一電極與所述石墨烯層的所述間隙。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的石墨烯開關(guān)裝置，還包括 絕緣層，在所述石墨烯層的所述第二表面的第二部分與所述半導(dǎo)體層之間，其中 所述石墨烯層在所述絕緣層與所述第二電極之間延伸。
29.根據(jù)權(quán)利要求17所述的石墨烯開關(guān)裝置，其中所述石墨烯層配置成用作在柵電壓施加到所述柵電極時(shí)電子和空穴的其中之一流動(dòng)通過所述石墨烯層流動(dòng)的路徑。
全文摘要
根據(jù)示例實(shí)施方式，一種石墨烯開關(guān)裝置具有可調(diào)勢壘。該石墨烯開關(guān)裝置可包括柵基板；在柵基板上的柵介電層；在柵介電層上的石墨烯層；半導(dǎo)體層和第一電極，順序堆疊在石墨烯層的第一區(qū)上；第二電極，在石墨烯層的第二區(qū)上。半導(dǎo)體層可用n型雜質(zhì)和p型雜質(zhì)的其中之一摻雜。半導(dǎo)體層可以面對(duì)柵基板，石墨烯層位于半導(dǎo)體層與柵基板之間。石墨烯層的第二區(qū)可以與石墨烯層的第一區(qū)分離。
文檔編號(hào)H01L29/43GK102956694SQ20121030541
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者許鎮(zhèn)盛, 鄭現(xiàn)鐘, 宋俔在, 樸晟準(zhǔn), D.塞奧, 梁喜準(zhǔn) 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社