專利名稱：場效應(yīng)晶體管及其制造方法和半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及場效應(yīng)晶體管及其制造方法和半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法，更具體地，涉及包括用于溝道層的半導(dǎo)體氧化石墨烯的場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
近年來，對包括使用半導(dǎo)體石墨烯形成的溝道層的場效應(yīng)晶體管進(jìn)行研發(fā)。在現(xiàn)有技術(shù)中，已提出了幾種形成半導(dǎo)體石墨烯的方法。第一種方法是在基板上形成氧化石墨烯，然后在120°至對0°的溫度加熱和還原氧化石墨烯(參見“Tunable Electrical Conductivity of Individual Graphene Oxide Sheets Reduced atiLow'Temperatures", Nano Letters 8，4283 Q008)(非專利文檔1))。第二種方法是在基板上形成氧化石墨烯， 然后用胼化學(xué)還原氧化石墨烯(參見Insulator to Semimetal Transition in Graphene Oxide”，J. Phys. Chem. C 113，15768(2009)(非專利文檔2))。第三種方法是使寬度約IOnm 的石墨烯片變薄以形成半導(dǎo)體石墨烯(見“Energy Band-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons，，，Phys. Rev. Lett. 98，206805 Q007)(非專利文檔 3)和"Chemically Derived, Ultrasmooth Graphene Nanoribbon Semiconductors，，, Science 319,1229 (2008) (非專利文檔4))。第四種方法是在兩層石墨烯堆疊方向上施加電場以形成半導(dǎo)體石墨 M ( ^jAL"Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer graphene", Nature 459,820(2009)(非專利文檔 5))。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在非專利文檔1中公開的方法通過加熱和還原氧化石墨烯只能獲得沒有帶隙&的半金屬還原石墨烯，但不能獲得具有有限帶隙的半導(dǎo)體氧化石墨烯。這可能導(dǎo)致將該還原氧化石墨烯用于溝道層的場效應(yīng)晶體管(FET)的約為3的小開/關(guān)比、在利用該FET 的情況下邏輯電路的高功耗、在利用該FET的情況下顯示器背板的小對比率等。此外，在非專利文檔2中公開的方法中，獲得的還原氧化石墨烯具有0.055eV的小帶隙I，并且不足以用作場效應(yīng)晶體管的溝道層。此外，在非專利文檔3中公開的方法需要昂貴的尖端科技光刻法，或可能存在產(chǎn)品產(chǎn)量低和產(chǎn)品很不均勻的問題。此外，由于不存在在整個(gè)表面上均勻形成兩層石墨烯的現(xiàn)有技術(shù)并且必須連續(xù)施加高電場，因此在非專利文檔5中公開的方法導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這樣，以上涉及的半導(dǎo)體石墨烯形成方法具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，期望提供以低成本和高產(chǎn)量制造采用半導(dǎo)體氧化石墨烯的具有大開/關(guān)比和簡單結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的場效應(yīng)晶體管制造方法。也期望提供采用半導(dǎo)體氧化石墨烯的具有大開/關(guān)比和簡單結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管。也期望提供以低成本和高產(chǎn)量制造具有足夠大的帶隙&的半導(dǎo)體氧化石墨烯的半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法。
以上的需求及其它的需求將在以下描述中更加顯而易見。根據(jù)本實(shí)施方式，通過在基板上形成包括具有氨基的分子的分子層、形成氧化石墨烯，然后還原氧化石墨烯，能夠獲得具有足夠大的帶隙4的半導(dǎo)體氧化石墨烯。在一個(gè)實(shí)施方式中，膜包括具有氨基的基層和在基層上形成的還原氧化石墨烯層。在實(shí)施方式中，基層的表面包括絕緣體。在實(shí)施方式中，基層包括具有在其上形成導(dǎo)電基板。在實(shí)施方式中，導(dǎo)電基板是導(dǎo)電硅基板，并且絕緣膜是二氧化硅膜。在實(shí)施方式中， 基層是已表面處理使得氨基粘附其上的絕緣膜。在實(shí)施方式中，膜還包括絕緣膜，其中基層在絕緣膜上形成為分離層。在實(shí)施方式中，氨基為APTMS或APTES的形式。在實(shí)施方式中， 還原氧化石墨烯層的厚度在約0. 3nm至約IOnm的范圍中。在實(shí)施方式中，還原氧化石墨烯層包括多個(gè)島，該島包括通過Sp2雜化軌道結(jié)合的碳原子。在實(shí)施方式中，島埋入還原氧化石墨烯層的絕緣區(qū)。在實(shí)施方式中，多個(gè)島通過多個(gè)導(dǎo)電溝道互連以在還原氧化石墨烯層內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在實(shí)施方式中，導(dǎo)電溝道具有約IOnm以上的厚度。在實(shí)施方式中，還原氧化石墨烯層具有約0. IeV以上的帶隙。在另一實(shí)施方式中，具有包括多個(gè)碳原子島的還原氧化石墨烯層，其中多個(gè)島通過多個(gè)導(dǎo)電溝道互連以形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電溝道具有約IOnm以下的厚度。在實(shí)施方式中， 還原氧化石墨烯層的厚度在約0. 3nm至約IOnm的范圍中。在實(shí)施方式中，還原氧化石墨烯層包括多個(gè)島，該島包括通過Sp2雜化軌道結(jié)合的碳原子。在實(shí)施方式中，島埋入還原氧化石墨烯層的絕緣區(qū)。在實(shí)施方式中，還原氧化石墨烯層具有約0. IeV以上的帶隙。在另一實(shí)施方式中，半導(dǎo)體器件包括導(dǎo)電基板、在導(dǎo)電基板上形成的絕緣膜、包括氨基的基層和在基層上形成的還原氧化石墨烯層。在實(shí)施方式中，導(dǎo)電基板是導(dǎo)電硅基板， 并且絕緣膜是二氧化硅膜。在實(shí)施方式中，半導(dǎo)體器件還包括在還原氧化石墨烯層上形成的源電極和柵電極。在實(shí)施方式中，半導(dǎo)體器件是場效應(yīng)晶體管。在實(shí)施方式中，半導(dǎo)體器件還包括覆蓋還原氧化石墨烯層的第二柵極絕緣膜，第二柵極絕緣膜包括還原氧化石墨烯層的開口暴露部分、在第一個(gè)開口中形成的源電極、在第二個(gè)開口中形成的漏電極和在第二柵極絕緣膜中形成的柵電極。在實(shí)施方式中，氨基為APTMS或APTES的形式。在實(shí)施方式中，還原氧化石墨烯層的厚度在約0. 3nm至約IOnm的范圍中。在實(shí)施方式中，還原氧化石墨烯層包括多個(gè)島，該島包括通過SP2雜化軌道結(jié)合的碳原子。在實(shí)施方式中，島埋入還原氧化石墨烯層的絕緣區(qū)。在實(shí)施方式中，多個(gè)島通過多個(gè)導(dǎo)電溝道互連以在還原氧化石墨烯層內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在實(shí)施方式中，導(dǎo)電溝道具有約IOnm以下的寬度。在實(shí)施方式中，還原氧化石墨烯層具有約0. IeV以上的帶隙。在另一實(shí)施方式中，制造膜的方法包括形成包括氨基的基層，并在基層上形成還原氧化石墨烯層。在實(shí)施方式中，通過熱或化學(xué)還原氧化石墨烯形成還原氧化石墨烯層。 在實(shí)施方式中，通過在可還原氧化石墨烯的氣氛下，在100°c以上400°C以下的溫度熱處理還原氧化石墨烯來形成還原氧化石墨烯層。在實(shí)施方式中，基層表面包括絕緣體。在實(shí)施方式中，基層包括具有在其上形成絕緣膜的導(dǎo)電基板。在實(shí)施方式中，導(dǎo)電基板是導(dǎo)電硅基板，并且絕緣膜是二氧化硅膜。在實(shí)施方式中，基層是絕緣膜，并通過表面處理絕緣膜使得氨基粘附至其來形成。在實(shí)施方式中，該方法還包括形成絕緣膜，并且基層在絕緣膜上形成為分離層。在實(shí)施方式中，形成還原氧化石墨烯層包括在基層上接觸氧化石墨烯的分散液以形成多個(gè)碳原子島。在實(shí)施方式中，形成還原氧化石墨烯層還包括熱或化學(xué)還原氧化石
6墨烯，從而通過導(dǎo)電溝道連接多個(gè)碳原子島。在實(shí)施方式中，導(dǎo)電溝道具有約IOnm以下的寬度。在實(shí)施方式中，碳原子島埋入還原氧化石墨烯層的絕緣區(qū)。在實(shí)施方式中，還原氧化石墨烯層具有約0. IeV以上的帶隙。在另一實(shí)施方式中，還原氧化石墨烯層的形成方法包括形成多個(gè)碳原子島，使用多個(gè)導(dǎo)電溝道互連多個(gè)碳原子島以形成氧化石墨烯層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)電溝道具有約 IOnm以下的寬度。在實(shí)施方式中，通過熱或化學(xué)還原氧化石墨烯形成還原氧化石墨烯層。 在實(shí)施方式中，通過在可還原氧化石墨烯的氣氛下，在100°C以上400°C以下的溫度熱處理還原氧化石墨烯來形成還原氧化石墨烯層。在另一實(shí)施方式中，半導(dǎo)體器件的制造方法包括提供導(dǎo)電基板、在導(dǎo)電基板上形成絕緣膜、在絕緣膜上形成包括氨基的層并在包括氨基的層上形成還原氧化石墨烯層。在實(shí)施方式中，通過熱或化學(xué)還原氧化石墨烯形成還原氧化石墨烯層。在實(shí)施方式中，通過在可還原氧化石墨烯的氣氛下，在100°c以上400°C以下的溫度下熱處理還原氧化石墨烯來形成還原氧化石墨烯層。在實(shí)施方式中，導(dǎo)電基板是導(dǎo)電硅基板，并且絕緣膜是二氧化硅膜。在實(shí)施方式中，方法還包括在還原氧化石墨烯層上形成源電極和漏電極。該實(shí)施方式以低成本高產(chǎn)量提供使用半導(dǎo)體氧化石墨烯的具有大開/關(guān)比和簡單結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管。此外，另一實(shí)施方式以低成本高產(chǎn)量提供具有充分大帶隙&的半導(dǎo)體氧化石墨烯。本文描述了另外的特點(diǎn)和和優(yōu)點(diǎn)，并從以下詳細(xì)描述和附圖中變得顯而易見。


圖IA至圖IC是說明根據(jù)本公開第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法的截面圖；圖2是示出在根據(jù)本公開第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法中形成的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)的平面圖；圖3是示出在根據(jù)本公開第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法中形成的半導(dǎo)體氧化石墨烯結(jié)構(gòu)的平面圖；圖4是示出通過還原在基板上形成的氧化石墨烯而沒有形成包括具有氨基的分子的分子層而形成的還原半導(dǎo)體氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖5是根據(jù)本公開第二實(shí)施方式的場效應(yīng)晶體管的截面圖；圖6A至圖6C是說明根據(jù)本公開第二實(shí)施方式的場效應(yīng)晶體管的制造方法的截面圖；圖7是示出在實(shí)施例3中制造的場效應(yīng)晶體管的柵極電壓-漏電流特性的測量結(jié)果的示意圖；圖8是示出在實(shí)施例4中制造的場效應(yīng)晶體管的開/關(guān)比的測量結(jié)果的示意圖；圖9是示出在實(shí)施例4中制造的場效應(yīng)晶體管的開/關(guān)比和載流子遷移率之間關(guān)系的示意圖；圖10是示出根據(jù)本公開第三實(shí)施方式的場效應(yīng)晶體管的截面圖；圖IlA至圖IlC是說明根據(jù)本公開第三實(shí)施方式的場效應(yīng)晶體管的制造方法的截面圖；以及
圖12A至圖12C是說明根據(jù)本公開第三實(shí)施方式的場效應(yīng)晶體管的制造方法的截面圖。
具體實(shí)施例方式將參考附圖以下面的順序描述實(shí)施方式。以如下順序給出描述。1.第一實(shí)施方式(半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法)2.第二實(shí)施方式(場效應(yīng)晶體管和場效應(yīng)晶體管的制造方法)在下文中，將描述執(zhí)行本公開的模式(下文中稱為“實(shí)施方式”)。以如下順序給出描述。1.第一實(shí)施方式(半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法)2.第二實(shí)施方式(場效應(yīng)晶體管和場效應(yīng)晶體管的制造方法)3.第三實(shí)施方式(場效應(yīng)晶體管和場效應(yīng)晶體管的制造方法)<1.第一實(shí)施方式>[半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法]在第一實(shí)施方式中，首先，如圖IA所示，諸如SiO2膜等的絕緣膜12在基板11上形成，包括具有氨基的分子的分子層13在絕緣膜12上形成。例如，APTMS、APTES等可為具有氨基的分子。例如，基板11可包括硅基板、塑料基板、玻璃基板等。接下來，如圖IB所示，氧化石墨烯14在分子層13上形成。優(yōu)選地，氧化石墨烯14 通過使氧化石墨烯的分散液接觸分子層13而形成。更具體地，例如，氧化石墨烯的分散液涂布在分子層13上，或其上形成分子層13的基板11浸漬在氧化石墨烯的分散液中。例如， 氧化石墨烯的分散液的溶劑可包括水、二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇、丙酮、四氫呋喃(THF)、 二甲基亞砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、乙腈、二乙醚、甲苯或這些溶劑中兩種或多種的混合物?？墒褂眯糠?、澆鑄法、轉(zhuǎn)印法或其它各種印刷方法來涂布氧化石墨烯的分散液。在氧化石墨烯的分散液接觸分子層13時(shí)，分散液中氧化石墨烯粘附至分子層13，從而形成氧化石墨烯14。優(yōu)選地，氧化石墨烯14的厚度為0. 3nm以上IOnm以下。氧化石墨烯分散液的濃度或氧化石墨烯薄片的大小不特別限制，并可按需選擇。圖2是氧化石墨烯14的平面圖。如圖2所示，氧化石墨烯14包括由于諸如氧化、 點(diǎn)陣缺陷、拓?fù)淙毕莸冉Y(jié)晶性的混亂導(dǎo)致絕緣化的絕緣區(qū)域14a。接下來，熱或化學(xué)還原氧化石墨烯14。如圖IC所示，這形成半導(dǎo)體的還原氧化石墨烯15 (在下文中稱為“半導(dǎo)體氧化石墨烯”)。如果熱還原氧化石墨烯14，則氧化石墨烯 14在真空下、在惰性氣氛或在氧化氣氛中受到例如在100°C以上400°C以下的溫度的熱處理。從改善帶隙Eg的控制性的觀點(diǎn)來看，熱處理的溫度優(yōu)選為150°C以上300°C以下，更優(yōu)選為180°C以上280°C以下。該熱處理所需時(shí)間通常為1分鐘以上10小時(shí)以下，盡管它取決于熱處理溫度。如果化學(xué)還原氧化石墨烯14，則通過使氧化石墨烯14接觸諸如胼、NaBH4 等的氣態(tài)或液態(tài)還原劑來處理氧化石墨烯14。圖3示出通過還原氧化石墨烯14獲得的半導(dǎo)體氧化石墨烯15的平面圖。如圖3 所示，在半導(dǎo)體氧化石墨烯15中，例如，通過部分還原形成并包括通過Sp2雜化軌道結(jié)合的碳原子的若干nm大小的導(dǎo)電島1 埋入由于諸如氧化、點(diǎn)陣缺陷、拓?fù)淙毕莸鹊慕Y(jié)晶性混亂而絕緣化的絕緣區(qū)域15a。該半導(dǎo)體氧化石墨烯15具有例如0. 15eV以上的大帶隙Eg。在一個(gè)島1 和另一島1 之間生成隧道耦合，并且電子通過在一個(gè)島1 和另一島1 之間的漂移電導(dǎo)傳導(dǎo)的模型可認(rèn)為是該半導(dǎo)體氧化石墨烯15的導(dǎo)電模型。此外，由于島1 通過包括通過Sp2雜化軌道結(jié)合的碳原子的例如大約10nm(例如，從Inm到30nm)寬度的薄導(dǎo)電溝道互連，因此可形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且電子可能在一個(gè)島1 和其它島1 之間經(jīng)該導(dǎo)電溝道導(dǎo)電。為了比較，圖4示出通過在基板11上形成氧化石墨烯14而沒有形成包括具有氨基的分子的分子層13、然后熱或化學(xué)還原氧化石墨烯14獲得的還原氧化石墨烯16。如圖 4所示，在還原氧化石墨烯16中，被埋入絕緣區(qū)域16a并包括通過Sp2雜化軌道結(jié)合碳原子的導(dǎo)電島16b的大小顯著大于埋入在圖3中示出的半導(dǎo)體氧化石墨烯15的絕緣區(qū)域1 的島15b的大小。因此，該還原氧化石墨烯16的帶隙小于半導(dǎo)體氧化石墨烯15的帶隙。<實(shí)施例1>在其主面上形成有150nm厚SW2膜的p++Si基板用作基板11。APTMS用作具有氨基的分子。通過在APTMS(2. 7mM)甲苯溶液中浸漬具有在其主面上形成有SiA膜的P++Si基板15分鐘，使用APTMS修飾SW2膜的表面，從而形成APTMS層。制備0. lmg/ml的氧化石墨烯分散液(使用水作為溶劑)，并通過將具有在其上形成APTMS層的p++Si基板浸漬在氧化石墨烯分散液中5分鐘使氧化石墨烯粘附至APTMS層， 形成氧化石墨烯層。接下來，通過在氣氛(濕度60% )中在250°C加熱和還原具有在其上形成氧化石墨烯層的P++Si基板30分鐘來形成半導(dǎo)體氧化石墨烯層。作為基于阻抗值的溫度依存性測量的結(jié)果，半導(dǎo)體氧化石墨烯的帶隙Eg為0. 15eV。<實(shí)施例2>具有在其主面上形成150nm厚SW2膜的p++Si基板用作基板11。APTMS用作具有氨基的分子。通過在APTMS(2. 7mM)甲苯溶液中浸漬具有在其主面上形成SiA膜的P++Si基板15分鐘，使用APTMS修飾SW2膜的表面，從而形成APTMS層。制備0. lmg/ml的氧化石墨烯分散液(用水作為溶劑)，并通過將具有在其上形成 APTMS層的p++Si基板浸漬在氧化石墨烯分散液中5分鐘使氧化石墨烯粘附至APTMS層來形成氧化石墨烯層。接下來，通過在基本不包括水的氣氛(氧濃度為19%和露點(diǎn)為-30°C)中在250°C 加熱和還原具有在其上形成氧化石墨烯層的P++Si基板1小時(shí)，形成半導(dǎo)體氧化石墨烯。作為基于阻抗值的溫度依存性的測量的結(jié)果，半導(dǎo)體氧化石墨烯的帶隙Eg為0. 25eV。如上所述，根據(jù)第一實(shí)施方式，可通過在基板11上的絕緣膜12上形成分子層13、 在分子層上形成氧化石墨烯14、然后熱或化學(xué)還原氧化石墨烯14容易地形成半導(dǎo)體氧化石墨烯15。半導(dǎo)體氧化石墨烯15具有對于實(shí)際使用充分大的0. 15eV以上的帶隙Eg。另外， 由于氧化石墨烯14可大面積形成，因此可形成大面積半導(dǎo)體氧化石墨烯15。此外，由于作為半導(dǎo)體氧化石墨烯15的原料的氧化石墨烯14非常便宜，因此可低成本獲得半導(dǎo)體氧化石墨烯15。另外，由于不需要使石墨烯片變薄或使用兩層石墨烯，如在“Energy B and-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons”，Phys. Rev. Lett. 98，206805(2007),“Chemically Derived, Ultrasmooth Graphene Nanoribbon Semiconductors，，，Science 319,1229 (2008)和"Direct Observation of a Widely Tunable Bandgap in Bilayer Graphene，，，Nature 459,820(2009)中所公開的，可低成本高產(chǎn)量獲得大面積半導(dǎo)體氧化石墨烯15。此外，由于包括具有氨基的分子的分子層13和氧化石墨烯14可通過溶液處理形成，因此可能實(shí)現(xiàn)減少半導(dǎo)體氧化石墨烯15的生產(chǎn)成本。<2.第二實(shí)施方式>[場效應(yīng)晶體管]圖5示出根據(jù)第二實(shí)施方式的場效應(yīng)晶體管。示出的場效應(yīng)晶體管具有底柵結(jié)構(gòu)。如圖5所示，在場效應(yīng)晶體管中，柵極絕緣膜22在構(gòu)成柵電極的導(dǎo)電基板21上形成。例如，導(dǎo)電基板21可包括導(dǎo)電Si基板、導(dǎo)電塑料基板、金屬基板等。例如，柵極絕緣膜 22可包括諸如SiO2膜、氮化硅(SiN)膜等的無機(jī)絕緣膜，諸如聚苯酚等的聚合物絕緣膜。 包括具有氨基的分子的分子層23在柵極絕緣膜22上形成。例如，具有氨基的分子可包括 APTMS、APTES等。此外，半導(dǎo)體氧化石墨烯M在分子層23上形成為溝道層。半導(dǎo)體氧化石墨烯M具有與圖3所示的半導(dǎo)體氧化石墨烯15相同的結(jié)構(gòu)。源電極25和漏電極沈在半導(dǎo)體氧化石墨烯M上形成。源電極25和漏電極沈由諸如鈀(Pd)、鉬(Pt)、鎳(Ni)、鈦 (Ti)、鉻(Cr)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)等的金屬、石墨、石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電聚合物或其它各種導(dǎo)電材料構(gòu)成，并可按需選擇。[場效應(yīng)晶體管的制造方法]首先，如圖6A所示，包括具有氨基的分子的分子層23在形成在導(dǎo)電基板21上的柵極絕緣膜22上形成。接下來，如圖6B所示，在柵極絕緣膜22上的分子層23上形成氧化石墨烯27。與在第一實(shí)施方式中相同，可通過將氧化石墨烯的分散液接觸分子層23，然后將分散液中的氧化石墨烯粘附至分子層23來形成氧化石墨烯27。接下來，與在第一實(shí)施方式中相同，如圖6C所示，通過熱或化學(xué)還原氧化石墨烯 27形成半導(dǎo)體氧化石墨烯24。接下來，如圖5所示，源電極25和漏電極沈在半導(dǎo)體氧化石墨烯M上形成。可通過形成諸如金屬的導(dǎo)電層(未示出)、然后使用光刻和蝕刻工藝使導(dǎo)電層圖案化為預(yù)定形狀，或使用剝離法、印刷工藝等對具有預(yù)定形狀的導(dǎo)電層(未示出)進(jìn)行圖案化來形成源電極25和漏電極沈。以這種方式，可制造要求的場效應(yīng)晶體管。<實(shí)施例3>具有在其主面上形成150nm厚SW2膜的p++Si基板用作基板21。APTMS用作具有氨基的分子。通過在APTMS(2. 7mM)甲苯溶液中浸漬具有在其主面上形成SiA膜的P++Si基板15分鐘，使用APTMS修飾SW2膜的表面，從而形成APTMS層。制備氧化石墨烯分散液(0. lmg/ml)(用水作為溶劑)，并通過將具有在其上形成 APTMS層的p++Si基板浸漬在氧化石墨烯分散液中5分鐘使氧化石墨烯粘附至APTMS層來形成氧化石墨烯。接下來，通過在氣氛(濕度60% )中在250°C加熱和還原具有在其上形成氧化石墨烯層的P++Si基板30分鐘來形成半導(dǎo)體氧化石墨烯。
接下來，在半導(dǎo)體氧化石墨烯上使用光刻法形成具有預(yù)定形狀的抗蝕圖案(未示出)之后，使用真空沉積工藝形成Pd膜。接下來，使用剝離法除去過量的Pd膜和抗蝕劑， 從而形成由Pd膜構(gòu)成的源電極25和漏電極26。圖7示出具有由此制造的底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的柵極電壓-漏電流特性的測量結(jié)果(在室溫下)。這里，場效應(yīng)晶體管的溝道長度為6 μ m，并且其溝道寬度為900 μ m。 為了比較，圖7也示出具有以除氧化石墨烯27在柵極絕緣膜22上形成而沒有形成APTMS 層之外與上述方法相同的方式制造的底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的柵極電壓-漏電流特性在室溫下的測量結(jié)果。從圖7可以看出，具有通過沒有形成APTMS層制造的底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的開/關(guān)比較小，為2. 5，而具有通過形成在柵極絕緣膜22上的APTMS層制造的底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的開/關(guān)比非常大，為150。此外，作為基于漏電流的溫度依存性的測量的結(jié)果，半導(dǎo)體氧化石墨烯的帶隙Eg為0. 15eV。這樣的大開/關(guān)比是由于半導(dǎo)體氧化石墨烯的0. 15eV的大帶隙Eg引起的場效應(yīng)晶體管的斷電流Ioff顯著減小。即，由于半導(dǎo)體氧化石墨烯的Eg增加，熱激勵(lì)載流子減少， 并因此斷電流Ioff減小。更具體地，在斷電流Ioff和場效應(yīng)晶體管的帶隙Eg之間關(guān)系通過Ioff - exp (-Eg/2kBT)表示。這里，kB是波爾茲曼常數(shù)，T是溫度。<實(shí)施例4>具有在其主面上形成150nm厚SW2膜的p++Si基板用作基板21。APTMS用作具有氨基的分子。通過在APTMS(2. 7mM)甲苯溶液中浸漬具有在其主面上形成SiA膜的P++Si基板15分鐘，使用APTMS修飾SW2膜的表面，從而形成APTMS層。制備0. lmg/ml的氧化石墨烯分散液(用水作為溶劑)，并通過將具有在其上形成 APTMS層的p++Si基板浸漬在氧化石墨烯分散液中5分鐘使氧化石墨烯粘附至APTMS層，形成氧化石墨烯。接下來，通過在基本上不包括水的氣氛(氧濃度為19%并且露點(diǎn)為_30°C )中在 250°C加熱和還原具有在其上形成氧化石墨烯層的p++Si基板1小時(shí)，形成半導(dǎo)體氧化石墨火布。接下來，在半導(dǎo)體氧化石墨烯上使用光刻法形成具有預(yù)定形狀的抗蝕圖案(未示出)之后，使用真空沉積工藝順次形成Cr膜和Au膜。接下來，使用剝離法去除過量的Cr 膜、Au膜和抗蝕劑，從而形成由Cr/Au膜構(gòu)成的源電極25和漏電極26。根據(jù)上述工藝制造具有底柵結(jié)構(gòu)的多個(gè)場效應(yīng)晶體管。通過施加IV的漏極電壓和在IOOV至-100V的范圍中的柵極電壓測量這些場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性。圖8示出從測量的轉(zhuǎn)移特性獲得的開/關(guān)比的頻率分布。假設(shè)每個(gè)場效應(yīng)晶體管的溝道長度和寬度分別為6μπι和900μπι。為了比較，圖8也示出具有根據(jù)除通過在氣氛中(濕度60%，氧濃度19% )在250°C執(zhí)行加熱和還原處理1小時(shí)形成半導(dǎo)體氧化石墨烯之外與上述相同的工藝制造的底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的相同頻率分布。此外，圖8也示出具有根據(jù)除在胼氣氛中在90°C化學(xué)還原氧化石墨烯、然后在APTMS層上吸收之外與上述相同的工藝制造的底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的相同頻率分布。如圖8所示，盡管在氧化石墨烯在胼氣氛中在 90°C化學(xué)還原、然后在APTMS層上吸收時(shí)開/關(guān)比(平均值)較小，即3，在通過在空氣中在 250°C加熱和還原處理1小時(shí)形成半導(dǎo)體氧化石墨烯時(shí)開/關(guān)比(平均值)為139，即增加約48倍。此外，在通過在基本上不包括水的_30°C的露點(diǎn)的氣氛中在250°C加熱和還原處
11理1小時(shí)形成半導(dǎo)體氧化石墨烯時(shí)，開/關(guān)比(平均值)非常大，即733，這比通過在空氣中在250°C執(zhí)行加熱和還原處理1小時(shí)形成半導(dǎo)體氧化石墨烯時(shí)的開/關(guān)比(平均值)增加約五倍。注意，在通過在基本不包括水的_30°C露點(diǎn)的氣氛中在250°C執(zhí)行加熱和還原處理1小時(shí)形成半導(dǎo)體氧化石墨烯時(shí)獲得1000以上的顯著大的開/關(guān)比。在圖8中的曲線表示使用高斯函數(shù)的相關(guān)性。圖9是示出包括通過根據(jù)三個(gè)上述處理執(zhí)行氧化石墨烯還原形成的半導(dǎo)體氧化石墨烯或還原氧化石墨烯的開/關(guān)比和載流子遷移率之間關(guān)系的示圖。從圖9可以看出， 較小的載流子遷移率提供較大的開/關(guān)比。這可說明由于載流子大小和通過還原氧化石墨烯形成的導(dǎo)電島的大小成比例，并且較小島大小在一個(gè)島和另一個(gè)之間提供較大距離， 所以載流子遷移率變得更小，而由于半導(dǎo)體氧化石墨烯或還原氧化石墨烯包括更多絕緣部分，所以開/關(guān)比變得較大。此外，由于即使在加熱和還原時(shí)間從1小時(shí)改為5分鐘時(shí)特征也不顯著改變的事實(shí)，可看出在APTMS層上的氧化石墨烯的加熱和還原具有氧化石墨烯還原預(yù)定量之后不再還原的特殊狀態(tài)。由于還原量通過基層和APTMS層表面等的氣氛(氧氣氣氛等)確定，因此還原量提供良好的控制性。如上所述，根據(jù)第二實(shí)施方式，可通過在導(dǎo)電基板21上的柵極絕緣膜22上的分子層23上形成氧化石墨烯27，然后熱或化學(xué)還原氧化石墨烯27來形成半導(dǎo)體氧化石墨烯 24。半導(dǎo)體氧化石墨烯M具有對于實(shí)際使用充分大的0.15eV以上的帶隙。這使得可能實(shí)現(xiàn)由于斷電流Ioff減小其漏電流顯著減小的場效應(yīng)晶體管。在該場效應(yīng)晶體管用于邏輯電路時(shí)，可顯著減小邏輯電路的功耗。此外，由于該場效應(yīng)的晶體管的開/關(guān)比非常大，為 150以上，或1000以上，因此在該場效應(yīng)晶體管用于顯示器底板時(shí)，可實(shí)現(xiàn)具有大亮度對比率的顯示器。此外，由于半導(dǎo)體氧化石墨烯M可低成本大面積形成，因此可低成本制造場效應(yīng)晶體管。此外，通過使用具有非常大開/關(guān)比的場效應(yīng)晶體管，可實(shí)現(xiàn)具有非常高靈敏度的化學(xué)傳感器、生物傳感器等。<3.第三實(shí)施方式>[場效應(yīng)晶體管]圖10示出根據(jù)第三實(shí)施方式的場效應(yīng)晶體管。示出的場效應(yīng)晶體管具有頂柵結(jié)構(gòu)。如圖10所示，在場效應(yīng)晶體管中，諸如SW2膜等的絕緣膜32在基板31上形成， 并且包括具有氨基的分子的分子層33在絕緣膜32上形成。例如，基板31的可包括Si基板、塑料基板等。例如，具有氨基的分子可包括APTMS、APTES等。預(yù)定形狀的半導(dǎo)體氧化石墨烯34在分子層33上形成。半導(dǎo)體氧化石墨烯34具有與圖所示的半導(dǎo)體氧化石墨烯15 相同的結(jié)構(gòu)。形成柵極絕緣膜35以覆蓋半導(dǎo)體氧化石墨烯34。例如，柵極絕緣膜35可包括SiO2膜、SiN膜等。柵電極36在柵極絕緣膜35上形成。柵電極36可由例如鋁(Al)等構(gòu)成。開口 3 和3 分別在在半導(dǎo)體氧化石墨烯34的兩個(gè)端部上的柵極絕緣膜35中形成。源電極37和漏電極38分別通過在半導(dǎo)體氧化石墨烯34上的開口 3 和3 接觸半導(dǎo)體氧化石墨烯；34。源電極37和漏電極38由與源電極25和漏電極沈相同的導(dǎo)電材料構(gòu)成，并可按需選擇。[場效應(yīng)晶體管制造方法]首先，如圖IlA所示，包括具有氨基的分子的分子層33在基板31上形成的柵極絕
12緣膜32上形成。 接下來，如圖1IB所示，氧化石墨烯39在分子層33上形成。如在第一實(shí)施方式中， 可通過使氧化石墨烯的分散液接觸分子層33，然后使分散液中的氧化石墨烯粘附至分子層 33來形成氧化石墨烯39。接下來，如在第一實(shí)施方式中，如圖1IC所示，通過熱或化學(xué)還原氧化石墨烯39形成半導(dǎo)體氧化石墨烯34。接下來，如圖12A所示，使用光刻法和使用氧氣等的反應(yīng)離子蝕刻工藝將半導(dǎo)體氧化石墨烯34圖案化為預(yù)定形狀。接下來，如圖12B所示，形成柵極絕緣膜35以覆蓋半導(dǎo)體氧化石墨烯34的整個(gè)表接下來，如圖12C所示，在柵極絕緣膜35上形成柵電極36?？赏ㄟ^使用例如真空沉積工藝等、然后使用光刻法將該膜圖案化為預(yù)定形狀形成柵電極材料制成的膜來形成柵電極36。接下來，如圖10所示，蝕刻除去柵極絕緣膜35的預(yù)定部分以形成開口 3 和35b。此后，在整個(gè)表面上形成金屬等制成的導(dǎo)電層(未示出)之后，通過使用光刻法使導(dǎo)電層圖案化為預(yù)定形狀，在開口 3 和35b中形成源電極37和漏電極38。以這種方式，制造要求的場效應(yīng)晶體管。第三實(shí)施方式提供具有頂柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，該頂柵結(jié)構(gòu)具有與第二實(shí)施方式相同的優(yōu)點(diǎn)。盡管已具體示出并描述了本公開的示例性實(shí)施方式和實(shí)施例，但本公開不限于公開的實(shí)施方式和實(shí)施例。應(yīng)理解，在不背離本公開的范圍和精神的前提下，可進(jìn)行各種更改。例如，僅通過實(shí)施例給出在上述實(shí)施方式和實(shí)施例中引用的數(shù)值、結(jié)構(gòu)、配置、形狀、材料等，并且不同的數(shù)值、結(jié)構(gòu)、配置、形狀、材料等可根據(jù)需要選擇。此外，在一些情況下，可使用具有可結(jié)合諸如結(jié)合至氧化石墨烯表面的羥基、環(huán)氧基、羰基、羧基等的官能團(tuán)的官能團(tuán)的分子，取代具有氨基的分子。本申請包含分別于2010年6月1日和2010年11月26日向日本專利局提交的日本在先專利申請JP 2010-125653和JP 2010463171中公開的主題，其全部內(nèi)容結(jié)合與此
作為參考。
權(quán)利要求
1.一種膜，包括基層，具有氨基；以及還原氧化石墨烯層，在所述基層上形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中，所述基層的表面包括絕緣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜，其中，所述基層包括導(dǎo)電基板，所述導(dǎo)電基板具有在其上形成的絕緣膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的膜，其中，所述導(dǎo)電基板是導(dǎo)電硅基板，并且所述絕緣膜是二氧化硅膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中，所述基層是已經(jīng)過表面處理的絕緣膜，使得所述氨基附接至所述絕緣膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，還包括絕緣膜，其中，所述基層在所述絕緣膜上形成為分1 層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中，所述氨基為APTMS或APTES的形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中，所述還原氧化石墨烯層的厚度在約0.3nm至約 IOnm的范圍中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中，所述還原氧化石墨烯層包括多個(gè)島，所述島包括通過SP2雜化軌道結(jié)合的碳原子。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的膜，其中，所述島埋入所述還原氧化石墨烯層的絕緣區(qū)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的膜，其中，所述多個(gè)島通過多個(gè)導(dǎo)電溝道互連，從而在所述還原氧化石墨烯層內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的膜，其中，所述導(dǎo)電溝道具有約IOnm以下的寬度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜，其中，所述還原氧化石墨烯層具有約0.IeV以上的帶隙。
14.一種還原氧化石墨烯層，包括多個(gè)碳原子島，其中，所述多個(gè)島通過多個(gè)導(dǎo)電溝道互連以形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電溝道具有約IOnm以下的寬度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的還原氧化石墨烯層，其中，所述還原氧化石墨烯層的厚度在約0. 3nm至約IOnm的范圍中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的還原氧化石墨烯層，其中，所述還原氧化石墨烯層包括多個(gè)島，所述島包括通過Sp2雜化軌道結(jié)合的碳原子。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的還原氧化石墨烯層，其中，所述島埋入所述還原氧化石墨烯層的絕緣區(qū)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的還原氧化石墨烯層，其中，所述還原氧化石墨烯層具有約 0. IeV以上的帶隙。
19.一種半導(dǎo)體器件，包括 導(dǎo)電基板；絕緣膜，在所述導(dǎo)電基板上形成；基層，包括氨基；以及還原氧化石墨烯層，在所述基層上形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述導(dǎo)電基板是導(dǎo)電硅基板，并且所述絕緣膜是二氧化硅膜。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的半導(dǎo)體器件，還包括在所述還原氧化石墨烯層上形成的源電極和柵電極。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述半導(dǎo)體器件是場效應(yīng)晶體管。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件，還包括第二柵極絕緣膜，覆蓋所述還原氧化石墨烯層，所述第二柵極絕緣膜包括暴露部分的所述還原氧化石墨烯層的開口；源電極，在第一個(gè)所述開口中形成；漏電極，在第二個(gè)所述開口中形成；以及柵電極，在所述第二柵極絕緣膜上形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述氨基為APTMS或APTES的形式。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述還原氧化石墨烯層的厚度在約 0. 3nm至約IOnm的范圍中。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述還原氧化石墨烯層包括多個(gè)島，所述島包括通過SP2雜化軌道結(jié)合的碳原子。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述島埋入所述還原氧化石墨烯層的絕緣區(qū)。
28.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述多個(gè)島通過多個(gè)導(dǎo)電溝道互連以在所述還原氧化石墨烯層內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
29.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述導(dǎo)電溝道具有約IOnm以下的寬度。
30.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述還原氧化石墨烯層具有約0.IeV以上的帶隙。
31.一種膜的制造方法，所述方法包括形成包括氨基的基層；以及在所述基層上形成還原氧化石墨烯層。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的膜的制造方法，其中，所述還原氧化石墨烯層通過將氧化石墨烯熱或化學(xué)還原而形成。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的膜的制造方法，其中，通過在能夠還原所述氧化石墨烯的氣氛下、在100°c以上400°C以下的溫度下熱處理而還原氧化石墨烯來形成所述還原氧化石墨烯層。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的膜的制造方法，其中，所述基層的表面包括絕緣體。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的膜的制造方法，其中，所述基層包括導(dǎo)電基板，所述導(dǎo)電基板具有形成在其上的絕緣膜。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的膜的制造方法，其中，所述導(dǎo)電基板是導(dǎo)電硅基板，并且所述絕緣膜是二氧化硅膜。
37.根據(jù)權(quán)利要求31所述的膜的制造方法，其中，所述基層是絕緣膜，并且通過表面處理所述絕緣膜使得所述氨基附接至所述絕緣膜而形成。
38.根據(jù)權(quán)利要求31所述的膜的制造方法，還包含形成絕緣膜，并且在所述絕緣膜上將所述基層形成為分離層。
39.根據(jù)權(quán)利要求31所述的膜的制造方法，其中，形成所述還原氧化石墨烯層包括在所述基層上接觸氧化石墨烯的分散液以形成多個(gè)碳原子島。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的膜的制造方法，其中，形成所述還原氧化石墨烯層還包括熱或化學(xué)還原所述氧化石墨烯，從而通過導(dǎo)電溝道連接所述多個(gè)碳原子島。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的膜的制造方法，其中，所述導(dǎo)電溝道具有約IOnm以下的寬度。
42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述碳原子島埋入所述還原氧化石墨烯層的絕緣區(qū)。
43.根據(jù)權(quán)利要求36所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述還原氧化石墨烯層具有約0.IeV以上的帶隙。
44.一種還原氧化石墨烯層的形成方法，所述方法包括 形成多個(gè)碳原子島；以及使用多個(gè)導(dǎo)電溝道互連所述多個(gè)碳原子島以形成所述還原氧化石墨烯層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 其中，所述導(dǎo)電溝道具有約IOnm以下的寬度。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的還原氧化石墨烯層的形成方法，其中，所述還原氧化石墨烯層通過將氧化石墨烯熱或化學(xué)還原而形成。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的還原氧化石墨烯層的形成方法，其中，通過在能夠還原所述氧化石墨烯的氣氛下、在100°C以上400°C以下的溫度下熱處理而還原氧化石墨烯來形成所述還原氧化石墨烯層。
47.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法包括 提供導(dǎo)電基板；在所述導(dǎo)電基板上形成絕緣膜；在所述絕緣膜上形成包括氨基的層；以及在所述包括氨基的層上形成還原氧化石墨烯層。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中，所述還原氧化石墨烯層通過將氧化石墨烯熱或化學(xué)還原而形成。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中，通過在能夠還原所述氧化石墨烯的氣氛下、在100°C以上400°C以下的溫度下熱處理而還原氧化石墨烯來形成所述還原氧化石墨烯層。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中，所述導(dǎo)電基板是導(dǎo)電硅基板，并且所述絕緣膜是二氧化硅膜。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，還包括在所述還原氧化石墨烯層上形成源電極和漏電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了場效應(yīng)晶體管及其制造方法和半導(dǎo)體氧化石墨烯制造方法。半導(dǎo)體器件包括導(dǎo)電基板、在該導(dǎo)電基板上形成的絕緣膜、包括氨基的基層和在該基層上形成的還原氧化石墨烯層。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102270665SQ20111013772
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者小林敏之 申請人:索尼公司