一種調(diào)控石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種納電子器件領(lǐng)域中的調(diào)控石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的方法，在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加掃描電壓-12V~12V，測(cè)試出漏源電流 I sd和柵壓 V g，繪制出 I sd- V g磁滯轉(zhuǎn)移特性曲線，獲得離子輻照停留時(shí)間為1μs時(shí)的對(duì)應(yīng)的電壓偏移量；再用聚焦離子束系統(tǒng)下的Ga離子對(duì)石墨烯溝道進(jìn)行輻照1μs；得到對(duì)應(yīng)的電壓偏移量，繼續(xù)增大離子輻照停留時(shí)間，直到100μs，得到一組電壓偏移量；以離子輻照停留時(shí)間為橫坐標(biāo)，以一組電壓偏移量為縱坐標(biāo)，繪制出停留時(shí)間與磁滯行為的關(guān)系曲線；根據(jù)關(guān)系曲線，通過(guò)調(diào)控離子輻照停留時(shí)間的長(zhǎng)短以調(diào)控磁滯行為的強(qiáng)弱。
【專利說(shuō)明】-種調(diào)控石墨婦場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于納電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種調(diào)控石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 石墨帰是碳原子W sp2軌道雜化組成六角形蜂巢狀晶格的平面薄膜，擁有獨(dú)特的 機(jī)械和電學(xué)性能。其高電子遷移率、室溫下的量子霍爾效應(yīng)、彈道運(yùn)輸、自旋極化的運(yùn)輸?shù)?特性，在未來(lái)微電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，很有可能代替娃作為下一代晶體管的理想 材料。然而，由于石墨帰作為二維材料擁有超大的比表面積，較易吸附周邊環(huán)境中的雜質(zhì)， 因此其電學(xué)特性對(duì)周邊環(huán)境表現(xiàn)的很敏感；而且石墨帰與娃基表面的陷阱效應(yīng)的存在，石 墨帰溝道中的載流子較易被界面陷阱捕獲或釋放，因此在循環(huán)變化的柵壓偏置下，石墨帰 溝道中的載流子由于得到陷阱中電荷的注入，或者被陷阱捕獲，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定特性。在轉(zhuǎn)移 特性曲線中，漏源電流(/^)隨柵壓（Kg)方向的變化表現(xiàn)為不重合，狄拉克點(diǎn)也表現(xiàn)出巨大 偏移，該都將引起器件的不穩(wěn)定性，大大限制了石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用。
[0003] 石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有高載流子遷移率、高截止頻率、高開關(guān)比等諸多優(yōu)點(diǎn)，使 其在未來(lái)超大規(guī)模集成電路中有廣泛應(yīng)用前景。然而由于石墨帰超大的比表面積及其陷阱 效應(yīng)的存在，大大加劇了石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的磁滯現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)移特性曲線隨時(shí)間的推移 呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特性。引起石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯現(xiàn)象的主要因素有石墨帰表面吸附的 雜質(zhì)和內(nèi)部引入的晶格缺陷。目前，石墨帰表面的雜質(zhì)吸附可W通過(guò)洗涂、退火、真空處理、 Si化表面疏水性處理等手段來(lái)控制。對(duì)石墨帰內(nèi)部引入缺陷的常用方法有激光加熱、等離 子體轟擊、雜質(zhì)沉積等。目前已有的技術(shù)表明對(duì)石墨帰進(jìn)行激光加熱或高電壓偏置擊穿可 對(duì)石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯效應(yīng)產(chǎn)生影響。現(xiàn)有的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的不穩(wěn)定性和磁滯 效應(yīng)影響都是不可控的，至今未見有能調(diào)控石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的技術(shù)報(bào)道。
[0004] 聚焦離子束（FIB)技術(shù)是將離子束聚焦到微、納尺度，對(duì)材料實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工。FIB 具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如液態(tài)金屬離子源可W在離子槍加速下形成離子束，離子束照射到 樣品表面時(shí)可W實(shí)現(xiàn)樣品表面原子剝離，完成微、納米級(jí)表面形貌的調(diào)控加工，而且在加工 過(guò)程中具有污染少、加工應(yīng)力及熱變形小、加工質(zhì)量高等特點(diǎn)，F(xiàn)IB技術(shù)已逐漸成為半導(dǎo)體 工業(yè)中強(qiáng)有力的工具。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的磁滯效應(yīng)影響不可控的技術(shù) 缺陷，提供一種調(diào)控石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的方法，利用FIB系統(tǒng)中的金屬源Ga(嫁） 離子對(duì)石墨帰進(jìn)行福照，引入可控的缺陷進(jìn)而來(lái)調(diào)控磁滯現(xiàn)象。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是；在n型Si襯底的表面熱生長(zhǎng)Si〇2介質(zhì)層，轉(zhuǎn)移單層 的石墨帰到Si〇2介質(zhì)層上構(gòu)成石墨帰溝道，姍射源極電極和漏極電極，制備出石墨帰場(chǎng)效 應(yīng)晶體管；用半自動(dòng)探針臺(tái)在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底 和源極電極之間施加掃描電壓-12ri2V，測(cè)試出未處理的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏源電 流和柵壓繪制出磁滯轉(zhuǎn)移特性曲線，獲得對(duì)應(yīng)的電壓偏移量；用聚焦離子束 系統(tǒng)下的Ga離子對(duì)石墨帰溝道進(jìn)行福照，福照停留時(shí)間為1US。之后用半自動(dòng)探針臺(tái)在 源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加掃描電 壓-12V^12V，得到離子福照停留時(shí)間為1 y S時(shí)的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的磁滯轉(zhuǎn)移 特性曲線，獲得對(duì)應(yīng)的電壓偏移量；再用聚焦離子束系統(tǒng)下的Ga離子對(duì)石墨帰溝道再次福 照，福照停留時(shí)間為10 y S，之后用半自動(dòng)探針臺(tái)在源極電極和漏極電極之間施加500mV 的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加掃描電壓-12ri2V，得到離子福照停留時(shí)間為 10 y S時(shí)的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的磁滯轉(zhuǎn)移特性曲線，獲得對(duì)應(yīng)的電壓偏移量；繼續(xù) 增大離子福照停留時(shí)間，直到lOOys，得到一組電壓偏移量；W離子福照停留時(shí)間為橫坐 標(biāo)，W-組電壓偏移量為縱坐標(biāo)，繪制出停留時(shí)間與磁滯行為的關(guān)系曲線；根據(jù)停留時(shí)間與 磁滯行為的關(guān)系曲線，通過(guò)調(diào)控離子福照停留時(shí)間的長(zhǎng)短W調(diào)控磁滯行為的強(qiáng)弱。
[0007] 本發(fā)明利用FIB系統(tǒng)下Ga離子福照對(duì)石墨帰進(jìn)行缺陷引入，使石墨帰內(nèi)部形成了 許多石墨帰納米晶，通過(guò)改變離子福照的時(shí)間參數(shù)來(lái)改變離子福照的劑量，從而來(lái)改變石 墨帰納米晶的數(shù)量，而石墨帰納米晶間的載流子隧穿傳輸行為調(diào)制著界面陷阱中電荷的密 度，從而調(diào)制著磁滯現(xiàn)象。磁滯現(xiàn)象通過(guò)狄拉克電壓的偏移量（來(lái)量化。因此通過(guò) 調(diào)控離子福照的時(shí)間即可來(lái)實(shí)現(xiàn)磁滯行為的可控性調(diào)制。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1是聚焦離子束（FIB)系統(tǒng)下Ga離子福照石墨帰的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是未處理的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線圖； 圖3是在離子福照停留時(shí)間為1 y S時(shí)的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲圖； 圖4是在離子福照停留時(shí)間為10 y S時(shí)的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲圖； 圖5是狄拉克電壓偏移量與離子福照停留時(shí)間的關(guān)系曲線圖。
[000引圖中；1-n型Si襯底；2-Si化介質(zhì)層；3-源極電極；4一漏極電極；5-石墨帰溝 道；6-聚焦離子束系統(tǒng)。

【具體實(shí)施方式】
[0010] 參見圖1，在電阻率為廣10 Q cm的n型Si襯底1的表面熱生長(zhǎng)300皿厚度的 Si化介質(zhì)層2,轉(zhuǎn)移單層的石墨帰到Si化介質(zhì)層2上構(gòu)成石墨帰溝道5,姍射源極電極3和 漏極電極4，制備出石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0011] 用Cascade半自動(dòng)探針臺(tái)，在源極電極3和漏極電極4之間施加500mV的電壓，在 n型Si襯底1和源極電極3之間施加掃描電壓-12ri2V，測(cè)試出未處理的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的漏源電流和柵壓Kg,繪制出磁滯轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖2所示，曲線A為柵壓 由-12V^12V掃描的轉(zhuǎn)移曲線，曲線B為柵壓由12r-12V掃描的轉(zhuǎn)移曲線，兩曲線的最低點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的電壓偏移量(即狄拉克電壓的偏移量）= 〇心V，表明制備出的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶 體管大多都存在磁滯現(xiàn)象。
[0012] 參見圖1，用聚焦離子束系統(tǒng)6 (儀器型號(hào)：陽(yáng)I Company Quanta 3D)下的Ga離子 對(duì)石墨帰溝道5進(jìn)行福照，將停留時(shí)間（Dewell time)設(shè)置為lys。之后用同樣的方法得 到電壓偏移量，即之后用化scade半自動(dòng)探針臺(tái)在源極電極3和漏極電極4之間施加500mV 的電壓，在n型Si襯底1和源極電極3之間施加掃描電壓-12ri2V，測(cè)試離子福照停留時(shí) 間為1 y S時(shí)的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的磁滯轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖3所示，曲線C為柵 壓由-12V^12V掃描的轉(zhuǎn)移曲線，曲線D為柵壓由12r-12V掃描的轉(zhuǎn)移曲線，兩曲線的最低 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓偏移量（即狄拉克電壓的偏移量）= U V，接著每次把離子福照停留時(shí) 間增加1 y S，從1 y S直至9 y S，得到一系列轉(zhuǎn)移曲線，通過(guò)測(cè)得的電壓偏移量發(fā)現(xiàn)離子福 照時(shí)間很短時(shí)，從1 y S逐漸增大到9 y S，小于10 y S時(shí)，磁滯行為有一個(gè)增強(qiáng)的趨勢(shì)。
[0013] 再用聚焦離子束系統(tǒng)6下的Ga離子對(duì)石墨帰溝道5再次福照，將停留時(shí)間設(shè)置 為10 US。之后用Cascade半自動(dòng)探針臺(tái)在源極電極3和漏極電極4之間施加500mV的 電壓，在n型Si襯底1和源極電極3之間施加掃描電壓-12V^12V，測(cè)試離子福照停留時(shí)間 為10 y S時(shí)的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的磁滯轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖4所示，曲線E為柵壓 由-12V^12V掃描的轉(zhuǎn)移曲線，曲線F為柵壓由12r-12V掃描的轉(zhuǎn)移曲線，兩曲線的最低點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的電壓偏移量(即狄拉克電壓的偏移量）= V。繼續(xù)增大離子福照停留時(shí)間， 每次把離子福照停留時(shí)間增加幾個(gè)y S或lOy S，直到lOOy S，得到一組狄拉克電壓偏移量 的數(shù)值，表明離子福照劑量過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致磁滯行為減弱，然后逐漸趨于穩(wěn)定。W離子福照停 留時(shí)間為橫坐標(biāo)，W電壓偏移量為縱坐標(biāo)，得到停留時(shí)間與磁滯行為的關(guān)系曲線，如圖5所 示。因此，根據(jù)停留時(shí)間與磁滯行為的關(guān)系曲線，通過(guò)調(diào)控離子福照停留時(shí)間的長(zhǎng)短，即可 調(diào)控磁滯行為的強(qiáng)弱。當(dāng)離子福照停留時(shí)間從10 y S逐漸增大到100 y S時(shí)，磁滯行為在逐 漸減弱。
[0014] Ga離子福照時(shí)，相關(guān)聚焦離子束系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定如下；加速能量（Accelerate energy)為30 keV，離子束流（Ion current)為15 pA，改變的時(shí)間參數(shù)為停留時(shí)間（Dewell time),通過(guò)改變停留時(shí)間來(lái)改變離子福照劑量。通過(guò)改變離子福照的停留時(shí)間參數(shù)，測(cè)試 福照后器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，實(shí)現(xiàn)磁滯行為的可控性調(diào)制。
【權(quán)利要求】
1. 一種調(diào)控石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的方法，在n型Si襯底的表面熱生長(zhǎng)Si化 介質(zhì)層，轉(zhuǎn)移單層的石墨帰到Si化介質(zhì)層上構(gòu)成石墨帰溝道，姍射源極電極和漏極電極，制 備出石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征是包括W下步驟： (1) 用半自動(dòng)探針臺(tái)在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底 和源極電極之間施加掃描電壓-12ri2V，測(cè)試出未處理的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏源電流 和柵壓Kg,繪制出磁滯轉(zhuǎn)移特性曲線，獲得對(duì)應(yīng)的電壓偏移量； (2) 用聚焦離子束系統(tǒng)下的Ga離子對(duì)石墨帰溝道進(jìn)行福照，福照停留時(shí)間為1 y S ; 之后用半自動(dòng)探針臺(tái)在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極 電極之間施加掃描電壓-12ri2V，得到離子福照停留時(shí)間為1 y S時(shí)的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體 管的磁滯轉(zhuǎn)移特性曲線，獲得對(duì)應(yīng)的電壓偏移量； (3) 用聚焦離子束系統(tǒng)下的Ga離子對(duì)石墨帰溝道再次福照，福照停留時(shí)間為10 y S， 之后用半自動(dòng)探針臺(tái)在源極電極和漏極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極 電極之間施加掃描電壓-12ri2V，得到離子福照停留時(shí)間為10 y S時(shí)的石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體 管的磁滯轉(zhuǎn)移特性曲線，獲得對(duì)應(yīng)的電壓偏移量； (4) 繼續(xù)增大離子福照停留時(shí)間，直到lOOy S，得到一組電壓偏移量； (5) W離子福照停留時(shí)間為橫坐標(biāo)，W-組電壓偏移量為縱坐標(biāo)，繪制出停留時(shí)間與磁 滯行為的關(guān)系曲線， (6) 根據(jù)停留時(shí)間與磁滯行為的關(guān)系曲線，通過(guò)調(diào)控離子福照停留時(shí)間的長(zhǎng)短W調(diào)控 磁滯行為的強(qiáng)弱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求所述一種調(diào)控石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的方法，其特征是；步驟 (2)結(jié)束后，每次把離子福照停留時(shí)間增加川S，直至9 y S，得到不同福照停留時(shí)間的電壓 偏移量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求所述一種調(diào)控石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的方法，其特征是；聚焦 離子束系統(tǒng)的加速能量為30 keV，離子束流為15 pA。
4. 根據(jù)權(quán)利要求所述一種調(diào)控石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的方法，其特征是；離子 福照停留時(shí)間小于10 y S時(shí)，磁滯行為有增強(qiáng)的趨勢(shì)，離子福照停留時(shí)間從10 y S逐漸增大 到100 y S時(shí)，磁滯行為在逐漸減弱。
5. 根據(jù)權(quán)利要求所述一種調(diào)控石墨帰場(chǎng)效應(yīng)晶體管磁滯行為的方法，其特征是；n型 Si襯底的電阻率為廣10 Q cm, Si〇2介質(zhì)層的厚度是300皿。
【文檔編號(hào)】H01L21/04GK104465340SQ201410657178
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】王權(quán), 白冰, 徐琳, 劉帥, 鄭蓓蓉, 薛偉 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)