《Nanoscale Advances》：Raised or recessed? Finding the optimal gate architecture for improving the static performance of graphene transistors
编辑推荐：
这篇研究通过直接对比抬升式与凹陷式局部埋栅两种栅极堆叠结构，系统性研究了栅极架构对以六方氮化硼（hBN）为栅介质的石墨烯场效应晶体管（GFET）性能、良率和器件间差异性的影响。研究结果表明，采用化学机械抛光（CMP）实现的凹陷式铝栅架构，凭借其更平滑的过渡和更低的界面缺陷，能显著降低狄拉克电压（VDirac）、提高空穴迁移率（μ）和器件良率，有效改善了器件的一致性与制造可行性，为面向可制造、高性能石墨烯电子器件的开发提供了关键的工艺指导。
引言：寻求石墨烯晶体管迈向实用的关键
随着硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术逐渐逼近其尺寸缩放的物理极限，以石墨烯为代表的二维材料因其极高的载流子迁移率和原子级厚度所带来的卓越静电控制能力，成为下一代高性能、特别是模拟应用领域晶体管沟道材料的理想候选。然而，器件间的性能差异、高接触电阻、不理想的介电界面以及石墨烯质量的非均匀性等问题，严重制约了石墨烯场效应晶体管（GFET）的实际应用。为了克服这些障碍，研究需要在材料和器件层面双管齐下，例如改进石墨烯转移工艺，以及探索更为优化的栅极架构。本研究聚焦于后者，旨在通过一种可控的并行工艺分割，直接对比两种具体的GFET结构：抬升式与凹陷式局部埋入式栅极，以评估栅极堆叠架构的影响。两种结构均采用六方氮化硼（hBN）作为栅介质。评估将从器件性能和器件间差异性两个维度进行。虽然两种架构下的最佳“英雄器件”性能相近，但在所研究的两个器件群体中，其统计性能与良率存在显著差异。本研究对每种栅极架构下的256个相同器件进行了电学测试与表征，以确保统计比较的有效性。
理论与方法：评估性能的基石
石墨烯独特的二维蜂窝状晶格结构赋予了其高达25万cm2V?1s?1的理论载流子迁移率。与依赖体硅沟道的传统硅基MOSFET不同，GFET利用石墨烯原子级薄的表面导电特性。在介电材料选择上，六方氮化硼（hBN）虽然相对介电常数（~4）与二氧化硅（SiO2）相近，但其原子级平整且化学惰性的表面能最大程度减少电荷陷阱和介电诱导扰动，从而稳定狄拉克电压（VDirac）并提升器件均匀性。相比之下，氧化铝（Al2O3）等氧化物介质常会引入俘获电荷和表面粗糙度，导致无意掺杂和性能波动。
在关键参数提取方法上，本研究采用了一种基于单极漏电流模型的方法来提取每个独立晶体管的接触电阻（RC），该方法通过分析器件在两个相近漏极偏压（VDS）下的转移特性曲线来实现，能够捕捉传统传输线测量法（TLM）可能忽略的、由石墨烯-金属界面范德华力相互作用导致的局部变化。迁移率（μ）的提取则通过一个修正的Y函数法，从Y2与VGCO2图的斜率中获取跨导参数β，再结合单位面积氧化层电容Cox计算得出，此方法消除了接触电阻的影响。
在器件制备方面，研究采用了并行的工艺分割。两种结构均始于在硅衬底上热生长300 nm的SiO2。对于凹陷式栅极结构，首先在SiO2中干法刻蚀出100 nm深的沟槽以定义栅电极图形，然后溅射150 nm铝，并通过化学机械抛光（CMP）去除场区多余的铝，仅在沟槽内形成凹陷式栅极。对于抬升式栅极，则是在平整的SiO2上直接图案化并湿法刻蚀铝层，形成抬升的栅电极。此后，两种晶圆经历相同的后续步骤：通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助工艺转移商业化学气相沉积（CVD）生长的单层hBN和石墨烯，并最终通过热蒸发和剥离工艺形成镍/金（Ni/Au）源漏电极。
表征与测试手段全面而系统。扫描电子显微镜（SEM）用于检查石墨烯沟道的连续性；白光干涉仪和原子力显微镜（AFM）用于观测表面形貌和粗糙度；拉曼光谱用于分析处理后石墨烯的质量。电学测试在半导体参数分析仪上完成，提取狄拉克电压、迁移率和接触电阻等关键性能指标（KPM）。此外，还通过电容-电压（C-V）测量获取Cox值，并通过滞回曲线扫描评估界面陷阱。最后，使用统计软件对两组数据（抬升式与凹陷式铝栅）进行独立的双样本t检验分析。
结果分析：凹陷式栅极展现全面优势
物理表征结果清晰地揭示了两类结构的差异。SEM图像显示，抬升式铝栅结构存在约110 nm的明显过渡台阶，石墨烯会“悬垂”在栅极边缘；而经过CMP处理的凹陷式栅极，其过渡台阶被控制在3 nm以下，表面更为平坦。AFM测量进一步证实，凹陷式铝栅电极表面的平均粗糙度（Ra）约为0.566 nm，仅为抬升式栅极（Ra=1.3 nm）的一半。然而，拉曼光谱分析表明，三种结构（石墨烯在SiO2上、在抬升/凹陷铝栅的hBN上）的光谱质量相似，说明石墨烯本身的质量并未因基底平滑度差异而受到显著影响。
电学性能的统计分析更具说服力。在测试的256个器件中，抬升式栅极结构的良率为54.4%（137/256），而凹陷式结构提升至65.1%（175/256）。就关键性能指标而言：
- 1.
狄拉克电压（VDirac）：凹陷式结构将狄拉克电压的平均值从1.2 V显著降低至0.7 V，更接近0 V，这对于低功耗模拟应用至关重要。t检验p值小于0.0001，表明差异极显著。
- 2.
空穴迁移率（μ）：凹陷式结构不仅将平均空穴迁移率从3383 cm2V?1s?1提升至4794 cm2V?1s?1（提升42%），更将数据分布的标准偏差从36%大幅降低至18%，显著改善了器件间的一致性。统计p值同样小于0.0001。
- 3.
接触电阻（RC）：由于两种结构的接触材料和工艺相同，其平均接触电阻值相近（抬升式0.75 kΩ，凹陷式0.67 kΩ），但凹陷式结构的标准偏差略低（37% vs. 42%）。p值为0.025，表明存在统计上的显著差异，但不如前两个参数显著。
转移特性曲线叠加图直观展示了这种统计差异。虽然两者的“英雄器件”性能（图中绿色曲线）在最大电流驱动和提取的迁移率上相似，但抬升式结构的曲线分散度明显更高，而凹陷式结构的曲线更加集中，平均电流驱动也从4.8 μA μm?1提升至6.6 μA μm?1。箱线图进一步汇总了这些关键性能指标的统计分布。
深度讨论：性能提升的物理机制与比较
性能提升的根源可归结于凹陷式栅极结构带来的物理界面优化。更平滑的栅极表面（更低的Ra）和几乎消除的过渡台阶，减少了石墨烯在悬垂区域可能产生的应变缺陷、电子-空穴洼地以及分子杂质吸附，这些都会导致狄拉克点偏移。同时，平滑的表面为载流子输运提供了更洁净的通道，降低了散射，从而提升了迁移率并降低了其波动性。
滞回测试结果为此提供了有力证据。对代表性器件的测试表明，抬升式栅极GFET在无脉冲测试下显示出240 mV的滞回窗口，而凹陷式结构仅为90 mV。当施加0 V脉冲以减小陷阱影响时，两者的滞回窗口分别降至30 mV和50 mV。脉冲与非脉冲方法下滞回窗口的差值（抬升式210 mV，凹陷式40 mV）表明，抬升式结构的界面陷阱密度远高于凹陷式结构，这直接导致了更大的器件间差异性。
研究还将本工作的结果与已发表的、包含类似统计数据的文献进行了对比。例如，与Martini等人于2023年报道的使用平坦背栅结构（可视为凹陷式结构的理想情况）的研究数据相比，本工作中凹陷式结构的空穴迁移率数值略低，狄拉克点处的垂直电场（Efield）则相近。这证实了我们的沟道并非完全平坦，在栅极与场区的过渡区域仍有改进空间。但更重要的是，无论是平坦背栅还是我们的凹陷式架构，在空穴迁移率和Efield方面均优于抬升式架构，验证了平面化架构的优越性。
结论：为可制造的石墨烯电子学指明方向
与以往大多聚焦于“英雄器件”或评估迥异器件结构的研究不同，本工作系统性地集成了单层hBN作为栅介质，并在统一的工艺平台上直接对比了抬升式与CMP凹陷式铝栅架构，实现了跨越设计变量的直接、可控比较。通过对完整器件分布而非峰值数据的分析，本研究深刻揭示了栅极拓扑结构对器件可重复性的关键影响。
研究以统计方式证明，凹陷式铝栅拓扑结构不仅提升了狄拉克电压和空穴迁移率等关键性能指标，还显著降低了器件间差异并提高了良率。得益于更平滑的表面、沟道-栅极过渡区以及更少的界面陷阱，与抬升式栅极相比，凹陷式铝栅将石墨烯空穴迁移率的标准偏差从36%降至18%，同时将器件良率从54.4%提升至65.1%。此外，狄拉克点更接近0 V（从约1.2 V移至0.7 V），接触电阻也从0.75 kΩ降至0.67 kΩ。
最终，这些发现为构建可扩展、高性能的石墨烯电子器件提供了实用的设计与工艺指南，有助于弥合孤立的技术突破与可制造、晶圆级技术之间的鸿沟。所观察到的性能一致性表明，采用hBN介质的凹陷式铝栅结构，是构建可扩展、高性能GFET制造平台的一个强有力的候选方案。
