硅基石墨烯场效应管关键工艺研究

文章编号:1001-9731(2013)增刊(Ⅱ)-0344-06

硅基石墨烯场效应管关键工艺研究?

张一凤1,2,3,方新心1,2,3,成一霁1,2,3,唐逢杰1,2,3,金庆辉1,2,赵建龙1,2

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室,上海200050;

2.中国科学院与德国于利希研究中心超导与生物电子学联合实验室,上海200050;

3.中国科学院大学,北京100049)

摘一要:一石墨烯由于其独特的电学特性受到关注,工艺的研究促使石墨烯材料的实际应用三着重于石墨烯场效应管关键工艺(目标衬底的预处理二石墨烯的转移二金属沉积二石墨烯刻蚀与退火)的优化三通过实验发现,衬底上硅醇基的密度以及碳氢化合物分子的大小对器件的性能有很大的影响;与热蒸发方式相比,溅射会对石墨烯引入更多的缺陷,降低器件性能;金属上石墨烯的接触电阻率为1.1?104Ω四μm,而金属下石墨烯的电阻率为2.4?105Ω四μm;应用射频和微波等离子体系统对石墨烯进行刻蚀,微波等离子体会造成石墨烯上的光刻胶碳化,使得光刻胶很难用丙酮去除;器件制备完成后,样品需要在(H2/Ar)还原性气氛中退火,以除去吸附在石墨烯表面的杂质,提高器件的性能三

关键词:一石墨烯;溅射;热蒸发;石墨烯转移;等离子体刻蚀

中图分类号:一TN305.99文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2013.增刊(Ⅱ).037 1一引一言

二维碳原子结构的石墨烯由于其优异的导热性[1]二电传输性和高比表面积(理论上单层石墨烯的比表面积为2630m2/g)二高本征迁移率(2?105cm2/ Vs)[2]二高机械性能[3]受到越来越多研究者的关注三石墨烯拥有很强的双极性电场特性,电子和空穴的密度可达1013/cm2,通过改变栅极电压,导电沟道可以在两种载流子类型中切换[4]三电场控制载着石墨烯中载流子的密度和电流三

较之传统的半导体器件,石墨烯器件可以在更高的频率下运行三未来产业中,石墨烯可以替代硅材料来提高集成电路的性能[5]三为加速石墨烯的应用,研究人员必须实现大规模石墨烯器件的制作三目前,大部分传统硅工艺与石墨烯的制作工艺相兼容三但是,在石墨烯器件的制作过程中,仍有一些特殊因素需要

考虑三相关研究表明,衬底的表面形态和缺陷二器件制

备过程中的污染[6]以及从周围空气中吸附的污染物[7]都会影响器件的性能并导致器件的低产率[8]三本文通过一系列对照实验,对石墨烯场效应管制备过程中的

参数,如衬底处理二金属沉积方式二器件退火等进行研

究,以提高器件性能三优化后的工艺降低了制作过程

中石墨烯的掺杂,减小了场效应管的接触电阻,增大跨

导三

2一实一验

运用CVD方法在25mm的铜箔上生长石墨烯三PMMA光刻胶旋涂在石墨烯/铜箔的表面,然后将薄片悬浮在硫酸铜与盐酸的混合溶液中腐蚀掉铜,再将所需的石墨烯转移到目标衬底上三以4英寸的重掺杂的P型硅作为衬底,表面有300nm的SiO2三器件用传统光刻制得三运用热蒸发的方式获得Ti/Au(10 nm/50nm)的电极三SU-8形成沟道并作为绝缘层三图1中的沟道宽度为20mm三器件性能是在室温下用

A g ilent4156C半导体参数测试仪测得三

2.1一SiO2的厚度

单层石墨烯的厚度为0.335nm三石墨烯与衬底的对比度是石墨烯辨别的重要因素三为了观察这层石墨烯,SiO2层的厚度成为考虑的因素之一三

根据菲涅耳定律,衬度由SiO2厚度以及入射光的波长决定三光线由空气入射到3层结构中,包括石墨烯二SiO2和硅(如图2所示)三Si层中以复折射系数n3 (λ)表示,SiO2层中以SiO2厚度d2和折射系数n2(λ)表示[9]三单层石墨烯的厚度为d1,相当于p轨道平面的延伸[10],其折射系数为n1(λ)三在这个模型中,石墨烯的复折射系数为n1(λ)?2.6~1.3i,独立于系数λ[9]三这是由于石墨与平行电场的光学响应由平面内的电磁响应决定[11]三

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?基金项目:中国科学院与德国亥姆霍兹联合会合作资助项目(GJ HZ1306)

收到初稿日期:2013-03-05收到修改稿日期:2013-05-31通讯作者:金庆辉,赵建龙

作者简介:张一凤一(1988-),女,山东潍坊人,在读硕士,师承赵建龙研究员,从事MEMS在生物医学上的应用研究三