上海電機學院 王永存

石墨烯晶體管的研究進展

上海電機學院 王永存

石墨烯薄膜厚度只有一個原子直徑大小，同時它還具有許多優(yōu)異的特性，例如：超高的載流子遷移率、亞微米級別的彈道輸運、優(yōu)秀的機械性能、良好的導熱性和獨特的光學特性等。由于石墨烯晶體管具有超高響應頻率和超小的體積等一系列優(yōu)點，它已經(jīng)成為新一代半導體晶體管的發(fā)展趨勢。本文通過對石墨烯薄膜制備、石墨烯晶體管制備和國內(nèi)外石墨烯晶體管研究進行綜述，展望石墨烯晶體管未來發(fā)展趨勢。

石墨烯；晶體管

0 引言

2004年在英國曼徹斯特大學的實驗室里安德烈-海姆和康斯坦丁-諾沃肖洛夫成功從石墨中分離出來石墨烯材料，它是一種由單層碳（C）原子構成的二維納米結構，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，石墨烯具有5300w/m·K的超高導熱系數(shù)。在常溫下它電子的遷移率就已經(jīng)高達15000cm/V·s，這一數(shù)據(jù)遠遠高于現(xiàn)在最常用的半導體材料硅中電子的遷移率。因為其本身具有非常優(yōu)異的電學特性，所以石墨烯薄膜非常適合用來制備超高性能電子元器件，許多科學家認為石墨烯在未來將有望替代現(xiàn)在的硅材料成為下一代半導體材料[1-4]。

1 石墨烯薄膜制備

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

微機械剝離法是基于微機械操作對石墨進行逐層分離，最后得到單層的石墨烯薄膜。2004年，安德烈-海姆和康斯坦丁-諾沃肖洛夫在實驗室通過這種剝離法在世界首次制備出單層石墨烯。機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)應用。

外延生長法是基于碳化硅外延生長，這種方法通過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因為蒸發(fā)而脫離單晶體表面，然后失去硅原子的碳原子通過自組形式重構，碳原子之間相互結合形成單層石墨烯薄膜。

化學氣相沉積CVD方法是通過在高溫情況下烴（甲烷）會分解為碳原子和氫原子，在CVD內(nèi)部有金屬襯底，分解出的碳原子會與金屬襯底結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氣相沉積CVD法具有工藝限制條件少、簡單易行和可控性高等優(yōu)點，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電容器等填充材料。該方法操作簡單、制備成本低，同時它可以實現(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構分為源極、漏極、柵極、柵極絕緣層和石墨烯導電溝道。其中石墨烯導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，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速度大大提高，其性能會遠超現(xiàn)在使用的晶體管[7]。

圖1 石墨烯晶體管結構圖

圖2 刻蝕后的石墨烯圖形

石墨烯晶體管的加工，首先通過電子束光刻工藝將設計圖形轉移到石墨烯薄膜上，然后利用氧等離子體刻蝕工藝對石墨烯薄膜進行刻蝕，以保留石墨烯導電溝道。圖2為刻蝕后的石墨烯薄膜圖。石墨烯導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)在對于石墨烯薄膜材料的加工方法越來越多，衡量各種方法優(yōu)劣的主要標準是該方法對石墨烯材料的損傷程度。對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。

實現(xiàn)對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，因為Cr可以與石墨烯很好的結合，而金的導電性非常好。對于頂柵結構的石墨烯晶體管首先需要在石墨烯導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現(xiàn)在還不夠完善，暫時無法大規(guī)模生產(chǎn)。

3 國內(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低噪聲石墨烯晶體管，這一成果使石墨烯晶體管開始進入人們的視野。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，其團隊還對石墨烯晶體管進行模擬仿真，通過計算結果他們發(fā)現(xiàn)，當石墨烯晶體管的柵極尺寸為 150 nm，它的頻率可以高達 26GHz。而當這一尺寸縮小為 50 納米時，其頻率將突破 1THz，這一數(shù)據(jù)遠遠高于現(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 月設計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)有運算能力100倍。斯科物理技術學院2016年制作一種雙層結構石墨烯晶體管，它的優(yōu)點是運行頻率非常高，但是功耗非常低，因此開關切換所需的能量極小，這傳統(tǒng)硅材料晶體管所無法比擬的。

4 展望

自從石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，關于石墨烯材料的科學研究不斷取得重要進展，其在微電子、量子物理、材料、化學等領域都表現(xiàn)出許多非凡的性能和潛在的廣闊應用前景。石墨烯晶體管的頻率性能已超過了相同柵極長度的最先進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，關于石墨烯晶體管的各種改進還在繼續(xù)，未來石墨烯器件將很有可能替代硅基器件成為最重要的半導體材料。

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[7]王永存,薛晨陽,劉耀英,田學東,張文棟,李鐵.石墨烯晶體管的加工及測試研究[J].儀表技術與傳感器,2014(02):39-41.