硅基石墨烯场效应管关键工艺研究

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1、助材料2013年增刊Ⅱ(44)卷文章编号：1001—9731(2013)增刊(Ⅱ)一034406硅基石墨烯场效应管关键工艺研究张凤，方新心，成霁。，唐逢杰，u，金庆辉，赵建龙。(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)摘要：石墨烯由于其独特的电学特性受到关注，工在石墨烯器件的制作过程中，仍有一些特殊因素需要艺的研究促使石墨烯材料的实际应用。着

2、重于石墨烯考虑。相关研究表明，衬底的表面形态和缺陷、器件制场效应管关键工艺(目标衬底的预处理、石墨烯的转备过程中的污染以及从周围空气中吸附的污染物移、金属沉积、石墨烯刻蚀与退火)的优化。通过实验都会影响器件的性能并导致器件的低产率]。本文通发现，衬底上硅醇基的密度以及碳氢化合物分子的大过一系列对照实验，对石墨烯场效应管制备过程中的小对器件的性能有很大的影响；与热蒸发方式相比，溅参数，如衬底处理、金属沉积方式、器件退火等进行研射会对石墨烯引入更多的缺陷，降低器件性能；金属上究，以提高器件性能。优化后的工艺

3、降低了制作过程石墨烯的接触电阻率为1．1×10Q·m，而金属下石中石墨烯的掺杂，减小了场效应管的接触电阻，增大跨墨烯的电阻率为2．4×1OQ·m；应用射频和微波等导离子体系统对石墨烯进行刻蚀，微波等离子体会造成2实验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(H／Ar)还原性气氛中运用CVD方法在25mm的铜箔上生长石墨烯。退火，以除去吸附在石墨烯表面的杂质，提高器件的性PMMA光刻胶旋涂在石墨烯／铜箔的表面，然后将薄能。片悬浮在硫酸铜与盐酸的}昆合溶液中腐蚀掉铜，再将关

4、键词：石墨烯；溅射；热蒸发；石墨烯转移；等离子所需的石墨烯转移到目标衬底上。以4英寸的重掺杂体刻蚀的P型硅作为衬底，表面有300nm的SiO。器件用中图分类号：TN305．99文献标识码：A传统光刻制得。运用热蒸发的方式获得Ti／Au(10DOI：10．3969／j．issn．1001—9731．2013．增刊(Ⅱ)．037nm／50nm)的电极。SU一8形成沟道并作为绝缘层。图1中的沟道宽度为2Omm。器件性能是在室温下用1引言Agilent4156C半导体参数测试仪测得。二维碳原子结构的石墨烯由于其

5、优异的导热2．1SiO的厚度性[1]、电传输性和高比表面积(理论上单层石墨烯的比单层石墨烯的厚度为0．335nm。石墨烯与衬底表面积为2630m／g)、高本征迁移率(2×10cm／的对比度是石墨烯辨别的重要因素。为了观察这层石Vs)[2]、高机械性能l_3受到越来越多研究者的关注。墨烯，SiO层的厚度成为考虑的因素之一。石墨烯拥有很强的双极性电场特性，电子和空穴的密根据菲涅耳定律，衬度由SiO厚度以及入射光的度可达10”／cm，通过改变栅极电压，导电沟道可以在波长决定。光线由空气入射到3层结构中，包括石

6、墨两种载流子类型中切换_4]。电场控制载着石墨烯中载烯、si0。和硅(如图2所示)。Si层中以复折射系数。流子的密度和电流。(A)表示，Sio。层中以SiO。厚度d。和折射系数”()较之传统的半导体器件，石墨烯器件可以在更高表示lg]。单层石墨烯的厚度为d，相当于P轨道平面的频率下运行。未来产业中，石墨烯可以替代硅材料的延伸口，其折射系数为n()。在这个模型中，石墨来提高集成电路的性能[5]。为加速石墨烯的应用，研烯的复折射系数为()≈2．6～1．3i，独立于系数究人员必须实现大规模石墨烯器件的制作。目

7、前，大l9]。这是由于石墨与平行电场的光学响应由平面内部分传统硅工艺与石墨烯的制作工艺相兼容。但是，的电磁响应决定。*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(OJHZ1306)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：张凤(1988一)，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。346助锨财料2013年增刊Ⅱ(44)卷cm。式中，e。为真空中的介电常数8．854×10。F／中发现，D峰比处理

8、前的石墨烯的要高，如图4(a)所m，e为SiO的相对介电常数3．9，t为siO。的厚度示。D峰的强度与石墨烯样品中的无序程度有关。许300nm，e为电子电荷量1．602×10C。考虑到上多研究表明，溅射会对石墨烯引入大量的缺陷j，从而述影响，在石墨烯转移之前，对SiO。衬底表面用氧等降低了它的迁移率[2。在公式中(一ne,u)，石墨烯的离子体处理，去除表面的碳氢化合物，然后将衬底放在电导率受载流子的密度和迁移率的影响，因此无500℃的纯氧中