【2018】【论文笔记】石墨烯场效应管及【2】——石墨烯的制备、转移

前言

类型
$太赫兹+石墨烯+FET$
期刊
$新型炭材料$
作者
$闭吕庆,戴松松,吴阳冰,郭东辉$
时间
$2018$

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石墨烯场效应管的制备步骤

上图是用CVD（化学气相沉积）制备顶栅T-GFETs的例子

（1）制备石墨烯
（2）将石墨烯转移到衬底
（3）淀积栅极和其介电层
（4）连接金属与石墨烯

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1.制备石墨烯+2.转移石墨烯

制备石墨烯的方法：
机械剥离、外延生长、化学气相沉积CVD

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1.1 机械剥离

通过透明胶带反复剥离石墨来获取单层或者少层石墨烯

当只剩单层或者少层石墨烯在胶带上时,就可通过反向摩擦胶带来把它转移到衬底上,再通过拉曼光谱仪来确认石墨烯的层数

缺点：

• 由于石墨烯紧密粘附在胶带上,使得它有可能受到胶带的污染而导致载流子迁移率的下降
• 转移后所得的石墨烯并不是一致的(有些是单层的,有些是多层的)
• 转移后所得的石墨烯可能在衬底的任意位置

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1.2 外延生长

在高真空度环境下，通过对 SiC 衬底加热至$1200^{o}C$使得 Si 原子沉积，C原子析出而形成石墨烯

生成的石墨烯层数通过温度、加热时间控制
（控制方法就几种，不会突破想象力）

质量与层数还取决于 SiC 面的终端是 Si 层还是 C 层

一般C层终端生长的石墨烯具有更高的载流子迁移率

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生成的石墨烯在SiC衬底上，可免于转移，直接在同一块晶圆上制备多个GFETs

缺点：

• 石墨烯与衬底之间没有介电层的隔离,来自于衬底的电荷使得石墨烯形成重的电荷掺杂,并表现为金属性,影响了器件的性能
• 较高的工艺温度使得这种方法与当前的 CMOS 工艺并不兼容
• 昂贵的SiC衬底

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1.3 化学气相沉积CVD（最流行）

通过使碳源气体(如 CH4 、C2H2等)在高温金属催化剂(如 Cu、Ni 等)表面发生化学反应,形成 C 原子沉积,并在之后的冷却过程中析出 C 原子而在金属催化剂表面形成石墨烯

$$碳源\uparrow \underset{高温}{\stackrel{金属催化剂}{*}}C原子\downarrow \stackrel{冷却}{*}C原子+石墨烯$$

石墨烯生成在金属表面，需要机械剥离、聚合物支持转移
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聚合物支持转移法

先用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）旋涂在金属石墨烯上

然后通过蚀刻，去除底层金属催化剂？

将粘有石墨烯的PMMA移到水中清洗

放到准备好的衬底上，主要石墨烯面与衬底相连

将器件放入丙酮中，使PMMA溶解

（完成石墨烯的转移）

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缺点：
蚀刻液造成的晶格缺陷与残留聚合物形成的污染都可使得石墨烯的质量受损
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3.淀积介电层

为使 GFETs 获得好的 THz 特性，器件的栅极结电容必须很小,因此需要一个低漏电流、薄厚度、高介电常数、低界面陷阱密度的介电层

介电层由热蒸发沉积或原子层沉积ALD形成

但是石墨烯有疏水性、化学惰性 $\cdots$

通过化学官能化来提高石墨烯表面的活性有助于利用 ALD 来沉积介电层,但是会破坏石墨烯晶格,导致迁移率的严重下降

Kim采用电子束蒸发形成一个薄的金属层，并迅速氧化后作为 ALD 的成核层，有效的沉积了$A{l}_2{O}_3$作为介电层,并获得了较高的迁移率

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4.连接金属与石墨烯

1. 定义图案（电子束光刻）
2. 电子束蒸发金属
3. 激光剥离

由于功函数的差异,金属与石墨烯的接触面形成界面偶极子层,并导致阶梯势垒,使得连接电阻较大
（接触面的性质不连续）

功函数（功函、 逸出功）：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量（功函数自然指的是金属的功函数）

偶极子层：两个相矩很近、互相平行、带等值异号电荷面密度的带电平面

金属-石墨烯的连接电阻,不仅要求$\stackrel{◯}{1}$避免对材料造成的污染和破坏,还必须$\stackrel{◯}{2}$选择高功函数的金属,以提高从金属至石墨烯转移的载流子密度,降低连接电阻

良好的连接电阻，可以减小延迟，提高特征频率

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结论

GFETs制作困难

石墨烯尚未能在硅基的衬底上直接生长，制备的转移工艺增加了材料受污染、形成缺陷的概率，使得器件无法达到预期性能

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GFETs在太赫兹频段发展应用的困难

石墨烯与金属的连接电阻的问题
电流无法饱和的问题