自20世纪60年代以来，摩尔定律推动了硅基集成电路技术的快速发展，深刻影响了现代生活[1,2]。随着芯片技术的进步，器件尺寸持续缩小，提升了器件性能和芯片集成度。然而，硅基晶体管的尺寸微缩正逼近材料和制造工艺的物理极限。此外，制造工艺日益复杂，导致设计和工艺成本不断攀升。功耗墙[3]、存储墙[4]和微缩问题等挑战正在阻碍摩尔定律的持续推进[5]。为克服这些局限，科学界已将研究焦点转向碳基材料[6]。石墨烯[[7],[8],[9],[10]]和碳纳米管[11,12]因其高载流子迁移率、超薄沟道以及与现有硅基CMOS技术的兼容性，被认为有望成为新一代高性能、低功耗芯片的基础材料[13,14]。
当前全碳电路主要采用石墨烯或碳纳米管作为沟道和/或功能材料。对于电极和互连，则采用各种技术制备多层石墨烯或非晶碳等导电碳材料[[15],[16],[17],[18]]。然而，这些电路中的介电层仍主要依赖从硅基CMOS工艺改造而来的传统材料[19,20]，包括Al2O3等无机氧化物[21]和某些聚合物介电材料[22,23]。在碳基沟道上传统介电材料生长存在严重的兼容性和性能退化问题，而聚合物替代方案也面临严格的要求[[24],[25],[26],[27],[28]]。这些局限阻碍了全碳系统本征优势的充分发挥，最显著的是同质或相似碳材料之间形成的高质量、低缺陷界面，有利于实现高效载流子输运[29]。因此，推动全碳电路的发展，亟需建立一种简便、稳定且材料兼容的碳基介电材料制备工艺。
在现有碳基材料合成方法中，电子束直写因其高分辨率、低功耗和图形化能力而脱颖而出[30,31]。具体而言，电子束直写的分辨率可达数纳米，能够满足器件微缩化和高集成度的需求。此外，与替代技术相比，电子束直写显著缩短了碳基材料的加工时间并简化了电极制备。该技术还提供了"边写边检测"功能，将材料沉积与原位表征相结合。在电子束辐照下，光刻胶可根据处理条件遵循不同的转变路径[32]。现有研究主要集中在脱氢脱氧以获得导电的非晶或石墨碳[[33],[34],[35]]。相比之下，形成具有绝缘性且兼容器件的碳基介电材料——全碳单片集成电路的关键使能技术——却鲜有关注。
本工作中，我们提出了一种通过电子束直写AZ5214光刻胶制备碳基介电材料的方法，并系统研究了关键工艺参数的影响。优化后的介电层表现出低漏电流，远低于大多数电子设备应用的典型耐受水平。采用该碳基介电材料作为栅绝缘层的石墨烯顶栅场效应管（FET，金属接触和栅电极）实现了高载流子迁移率，在绝缘性能与输运性能之间取得了良好平衡，使其成为实用的石墨烯基顶栅FET的有前景的候选材料，并进一步表明其具有作为未来全碳集成电路优良绝缘层的潜力。
