一种突变NN型结型场效应晶体管及其制备方法

摘要

本发明涉及一种突变NN型结型场效应晶体管及其制备方法，包括硅衬底、第一N型半导体薄膜、第二N型半导体薄膜和金属电极；第一N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜，第二N型半导体薄膜为β型氧化镓薄膜；或第一N型半导体薄膜为β型氧化镓薄膜，第二N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜；第一N型半导体薄膜和第二N型半导体薄膜设于所述硅衬底上；第一N型半导体薄膜和第二N型半导体薄膜交叉设置；第一N型半导体薄膜和第二N型半导体薄膜相交位置形成突变NN型异质结；第一N型半导体薄膜和第二N型半导体薄膜的两端均设有金属电极；构成了适合应用于逻辑电路中且性能稳定的结型场效应晶体管。

权利要求

1.一种突变NN型结型场效应晶体管，其特征在于，包括：硅衬底、第一N型半导体薄膜、第二N型半导体薄膜和金属电极；所述第一N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜，所述第二N型半导体薄膜为 型氧化镓薄膜；或所述第一N型半导体薄膜为 型氧化镓薄膜，所述第二N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜；

所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜设于所述硅衬底上；

所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜交叉设置；

所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜相交位置形成突变NN型异质结；

所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜的两端均设有所述金属电极；

所述 型氧化镓薄膜两端的任意一个所述金属电极作为晶体管的顶部栅极，所述二维的二硫化钼薄膜两端的所述金属电极分别作为所述晶体管的源极和漏极，所述硅衬底作为所述晶体管的背部栅极；

所述第一N型半导体薄膜的厚度为1‑10nm，宽度为2‑5 ；所述第二N型半导体薄膜的厚度为100‑300nm。

2.根据权利要求1所述的结型场效应晶体管，其特征在于，所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜采用十字交叉设置。

3.根据权利要求1所述的结型场效应晶体管，其特征在于，所述硅衬底为预先热氧化形成二氧化硅层的P型掺杂硅片。

4.根据权利要求1所述的结型场效应晶体管，其特征在于，所述金属电极设于所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜两端的上表面，各所述金属电极间隔分布。

5.根据权利要求4所述的结型场效应晶体管，其特征在于，所述金属电极包括第一层电极和第二层电极，所述第一层电极和所述第二层电极层叠设置，所述第一层电极与所述第一N型半导体薄膜或所述第二N型半导体薄膜接触。

6.根据权利要求5所述的结型场效应晶体管，其特征在于，所述第一层电极的材料为铬，所述第二层电极的材料为金。

7.一种突变NN型结型场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：在第一衬底上设置第一N型半导体薄膜；

在第二衬底上设置第二N型半导体薄膜；所述第一N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜，所述第二N型半导体薄膜为 型氧化镓薄膜；或所述第一N型半导体薄膜为 型氧化镓薄膜，所述第二N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜；

利用物理转移法将所述第二N型半导体薄膜转移至所述第一N型半导体薄膜的上表面并与所述第一N型半导体薄膜交叉；

或利用物理转移法将所述第一N型半导体薄膜转移至所述第二N型半导体薄膜的上表面并与所述第二N型半导体薄膜交叉；

在所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜的两端通过覆胶、曝光形成电极区域；

利用热蒸发镀膜系统在所述电极区域蒸镀金属，形成金属电极；

所述 型氧化镓薄膜两端的任意一个所述金属电极作为晶体管的顶部栅极，所述二维的二硫化钼薄膜两端的所述金属电极分别作为所述晶体管的源极和漏极，所述第一衬底和所述第二衬底为硅衬底，所述硅衬底作为所述晶体管的背部栅极；

所述第一N型半导体薄膜的厚度为1‑10nm，宽度为2‑5 ；所述第二N型半导体薄膜的厚度为100‑300nm。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜采用十字交叉设置。

说明书

一种突变NN型结型场效应晶体管及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种应用于逻辑器件的突变NN型结型场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

[0002] 现代信息产业的发展往往朝着小型化与高速低功耗的趋势发展，开发新型的高速低功耗晶体管是必要的。近年来，二维材料(例如石墨烯、二硫化钼(MoS2)、二硒化钨(WSe2)等)因其本身的原子厚度属性为制造超薄高性能的晶体管以及逻辑电子器件提供了一种新的解决方案。大多数逻辑器件采用的是MOSFET结构，而结型场效应晶体管在电路的逻辑器件设计中也起到不可替代的作用。

[0003] 现有技术中为制备新型异质结型场效应晶体管提出了许多解决方案，但是多数采用的是P型半导体材料和N型半导体材料结合构成PN结来实现结型场效应晶体管。然而，目前发现的P型半导体材料有限，而且以黑磷为典型代表的P型二维材料在空气中的不稳定性限制了结型场效应晶体管的进一步发展。因此，亟需一种性能稳定且应用于逻辑器件的异质结型场效应晶体管。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种突变NN型结型场效应晶体管及其制备方法，经过合理的能带结构设计，利用范德华异质集成技术实现能级突变的两个N型半导体材料结合，从而构成性能稳定的结型场效应晶体管；另外，增加了背部栅极实现了独立的双栅调控，能够实现逻辑器件功能化，从而适合应用于逻辑电路中。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0006] 一种突变NN型结型场效应晶体管，包括：硅衬底、第一N型半导体薄膜、第二N型半导体薄膜和金属电极；所述第一N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜，所述第二N型半导体薄膜为β型氧化镓薄膜；或所述第一N型半导体薄膜为β型氧化镓薄膜，所述第二N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜；

[0007] 所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜设于所述硅衬底上；

[0008] 所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜交叉设置；

[0009] 所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜相交位置形成突变NN型异质结；

[0010] 所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜的两端均设有所述金属电极；

[0011] 所述β型氧化镓薄膜两端的任意一个所述金属电极作为晶体管的顶部栅极，所述二维的二硫化钼薄膜两端的所述金属电极分别作为所述晶体管的源极和漏极，所述硅衬底作为所述晶体管的背部栅极。

[0012] 可选的，所述第一N型半导体薄膜的厚度为1‑10nm，宽度为2‑5μm；所述第二N型半导体薄膜的厚度为100‑300nm。

[0013] 可选的，所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜采用十字交叉设置。

[0014] 可选的，所述硅衬底为预先热氧化形成二氧化硅层的P型掺杂硅片。

[0015] 可选的，所述金属电极设于所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜两端的上表面，各所述金属电极间隔分布。

[0016] 可选的，所述金属电极包括第一层电极和第二层电极，所述第一层电极和所述第二层电极层叠设置，所述第一层电极与所述第一N型半导体薄膜或所述第二N型半导体薄膜接触。

[0017] 可选的，所述第一层电极的材料为铬，所述第二层电极的材料为金。

[0018] 一种突变NN型结型场效应晶体管的制备方法，包括：

[0019] 在第一衬底上设置第一N型半导体薄膜；

[0020] 在第二衬底上设置第二N型半导体薄膜；所述第一N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜，所述第二N型半导体薄膜为β型氧化镓薄膜；或所述第一N型半导体薄膜为β型氧化镓薄膜，所述第二N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜；

[0021] 利用物理转移法将所述第二N型半导体薄膜转移至所述第一N型半导体薄膜的上表面并与所述第一N型半导体薄膜交叉；

[0022] 或利用物理转移法将所述第一N型半导体薄膜转移至所述第二N型半导体薄膜的上表面并与所述第二N型半导体薄膜交叉；

[0023] 在所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜的两端通过覆胶、曝光形成电极区域；

[0024] 利用热蒸发镀膜系统在所述电极区域蒸镀金属，形成金属电极。

[0025] 可选的，所述第一N型半导体薄膜的厚度为1‑10nm，宽度为2‑5μm；所述第二N型半导体薄膜的厚度为100‑300nm。

[0026] 可选的，所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜采用十字交叉设置。

[0027] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

[0028] 本发明提供一种突变NN型结型场效应晶体管及其制备方法，包括硅衬底、第一N型半导体薄膜、第二N型半导体薄膜和金属电极；所述第一N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜，所述第二N型半导体薄膜为β型氧化镓薄膜；或所述第一N型半导体薄膜为β型氧化镓薄膜，所述第二N型半导体薄膜为二维的二硫化钼薄膜；所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜设于所述硅衬底上；所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜交叉设置；所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜相交位置形成突变NN型异质结；所述第一N型半导体薄膜和所述第二N型半导体薄膜的两端均设有所述金属电极；所述β型氧化镓薄膜两端的任意一个所述金属电极作为晶体管的顶部栅极，所述二维的二硫化钼薄膜两端的所述金属电极分别作为所述晶体管的源极和漏极，所述硅衬底作为所述晶体管的背部栅极。通过合理的能带结构设计，利用范德华异质集成技术实现能级突变的两个N型半导体材料结合构成结型场效应晶体管，同时，增加了背部栅极实现了独立的双栅调控，能够实现逻辑器件功能化，从而适合应用于逻辑电路中，因此，本发明能够得到性能稳定且应用于逻辑器件的异质结型场效应晶体管。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0030] 图1为本发明实施例1提供的一种突变NN型结型场效应晶体管结构图；

[0031] 图2为本发明实施例1提供的突变NN型结型场效应晶体管光学显微镜照片；

[0032] 图3为本发明实施例2提供的一种突变NN型结型场效应晶体管的制备方法流程图；

[0033] 图4为本发明实施例2提供的一种突变NN型结型场效应晶体管的特性曲线图；

[0034] 图5为本发明实施例2提供的结型场效应晶体管组装成逻辑反相器的测试结果；

[0035] 图6为本发明实施例2提供的结型场效应晶体管组装成逻辑与非门测试结果。

[0036] 符号说明：

[0037] 1：硅衬底；2：第一N型半导体薄膜；3：第二N型半导体薄膜；4：金属电极。

具体实施方式

[0038] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0039] 本发明的目的是提供一种突变NN型结型场效应晶体管及其制备方法，经过合理的能带结构设计，利用范德华异质集成技术实现能级突变的两个N型半导体材料结合，从而构成性能稳定的结型场效应晶体管；另外，增加了背部栅极实现了独立的双栅调控，能够实现逻辑器件功能化，从而适合应用于逻辑电路中。

[0040] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0041] 实施例1

[0042] 请参阅图1，本实施例提供一种突变NN型结型场效应晶体管，包括：硅衬底1、第一N型半导体薄膜2、第二N型半导体薄膜3和金属电极4；所述第一N型半导体薄膜2为二维的二硫化钼薄膜，所述第二N型半导体薄膜3为β型氧化镓薄膜；或所述第一N型半导体薄膜2为β型氧化镓薄膜，所述第二N型半导体薄膜3为二维的二硫化钼薄膜。

[0043] 所述第一N型半导体薄膜2和所述第二N型半导体薄膜3设于所述硅衬底1上；

[0044] 其中，所述硅衬底1为预先热氧化形成二氧化硅层的P型掺杂硅片。具体的，所述硅衬底1为预先热氧化形成具有厚度为300nm二氧化硅层的P型掺杂硅片。需要说明的是，衬底的材料还可以为其他类型的硅衬底，具体不做任何限制。另外，硅衬底1的厚度可以为350μm‑550μm；

[0045] 所述第一N型半导体薄膜2和所述第二N型半导体薄膜3交叉设置；

[0046] 特殊的，为了便于晶体管工艺制备，可以要求所述第一N型半导体薄膜2和所述第二N型半导体薄膜3采用十字交叉设置。二硫化钼薄膜与β型氧化镓薄膜之间通过分子间作用力连接。

[0047] 所述第一N型半导体薄膜2和所述第二N型半导体薄膜3相交位置形成能级突变的NN型异质结；

[0048] 所述第一N型半导体薄膜2和所述第二N型半导体薄膜3的两端均设有所述金属电极4；

[0049] 所述第一N型半导体薄膜2两端的任意一个所述金属电极4作为晶体管的顶部栅极，所述第二N型半导体薄膜3两端的所述金属电极4分别作为所述晶体管的源极和漏极，所述硅衬底1作为所述晶体管的背部栅极。这样第一N型半导体薄膜2的电极作为顶部栅极、第二N型半导体薄膜3作为载流子传输层，衬底最底部的P型高掺杂硅作为背部栅极。其中，图2示出了突变NN型结型场效应晶体管实物的光学显微镜图片。

[0050] 为了使得晶体管的性能更佳，可以对薄膜的厚度做进一步研究，具体的可以要求所述第一N型半导体薄膜2的厚度为1‑10nm，宽度为2‑5μm；所述第二N型半导体薄膜3的厚度为100‑300nm。

[0051] 作为一种可选的实施方式，所述金属电极4设于所述第一N型半导体薄膜2和所述第二N型半导体薄膜3两端的上表面，各所述金属电极4间隔分布，各金属电极4之间互不导电。

[0052] 所述金属电极4包括第一层电极和第二层电极，所述第一层电极和所述第二层电极层叠设置，所述第一层电极与所述第一N型半导体薄膜2或所述第二N型半导体薄膜3接触。

[0053] 其中，所述第一层电极的材料为铬，所述第二层电极的材料为金。

[0054] 由金(Au)构成的第二层电极的厚度为50‑70nm，而由铬(Cr)构成的第一层电极的厚度为10‑15nm，第一层电极与二硫化钼薄膜以及β型氧化镓薄膜相接触。这种结构可以确保形成良好的类欧姆接触。

[0055] 本实施例中，利用两种N型半导体薄膜进行交叉构成能带结构，形成了突变NN型氧化镓与二硫化钼异质结，利用异质结形成耗尽层，构建了以β型氧化镓薄膜作为顶部栅极、P型高掺杂硅作为背部栅极、二硫化钼薄膜作为载流子传输层的结型场效应晶体管，可以实现高性能的基本逻辑器件功能，性能优越，工艺简单，可控性强。

[0056] 实施例2

[0057] 如图3所示，本实施例提供一种突变NN型结型场效应晶体管的制备方法，包括：

[0058] S1：在第一衬底上设置第一N型半导体薄膜2；

[0059] 在第二衬底上设置第二N型半导体薄膜3；所述第一N型半导体薄膜2为二维的二硫化钼薄膜，所述第二N型半导体薄膜3为β型氧化镓薄膜；或所述第一N型半导体薄膜2为β型氧化镓薄膜，所述第二N型半导体薄膜3为二维的二硫化钼薄膜；

[0060] 其中第一衬底和第二衬底可以为同一种硅衬底1，具体可以选用预先热氧化形成300纳米厚二氧化硅层的P型高掺杂硅片作为衬底。将预先热氧化形成300纳米厚二氧化硅层的P型高掺杂硅片作为衬底，放置在丙酮溶液中超声清洗5min,以清除其表面的有机杂质及固体颗粒物，然后用纯度为99.99％的氮气吹干，接着将之放置于乙醇溶液中，以去除残留的丙酮，最后用上述氮气吹干。

[0061] 第一N型半导体薄膜2和第二N型半导体薄膜3是通过机械剥离得到的。其中，为了获得机械剥离的二硫化钼薄膜，可以将二硫化钼块状晶体粘粘到胶带上(例如可以选用3M公司生产的scotch胶带)，反复对折胶带，使得二硫化钼块状晶体在胶带的反复粘粘过程中被撕裂变薄，之后将胶带按压在上述衬底的上表面，静置几分钟后去除胶带即可在衬底上形成二硫化钼薄膜。对于β型氧化镓薄膜的机械剥离过程与二硫化钼薄膜机械剥离过程相似，这里不再赘述。

[0062] 所述第一N型半导体薄膜2的厚度为1‑10nm，宽度为2‑5μm；所述第二N型半导体薄膜3的厚度为100‑300nm。

[0063] S2‑1：利用物理转移法将所述第二N型半导体薄膜3转移至所述第一N型半导体薄膜2的上表面并与所述第一N型半导体薄膜2交叉；

[0064] S2‑2：或利用物理转移法将所述第一N型半导体薄膜2转移至所述第二N型半导体薄膜3的上表面并与所述第二N型半导体薄膜3交叉；

[0065] 所述第一N型半导体薄膜2和所述第二N型半导体薄膜3采用十字交叉设置。

[0066] 具体的，在光学显微镜下寻找合适厚度的β型氧化镓薄膜(或二硫化钼薄膜)后将之用PVA胶膜粘起，之后利用物质转移平台，将其定点转移至二硫化钼薄膜(或β型氧化镓薄膜)上方并与之交叉，例如使其呈现“十字”垂直形态，并以分子间作用力连接。

[0067] S3：在所述第一N型半导体薄膜2和所述第二N型半导体薄膜3的两端通过覆胶、曝光形成电极区域；

[0068] 在该步骤中，进行电子束曝光，显影后，二硫化钼薄膜和β型氧化镓薄膜的部分区域裸露在外，形成电极区域。

[0069] 具体的，将步骤S2‑1或S2‑2得到的样品放置匀胶机上覆胶，在表面涂覆光刻胶。可以设置转速为1000r/min，持续5s后继续设置转速为4000r/min，持续60s；然后将之放置温度为150℃的热板上加热5min；在该步骤中，采用电子束曝光正胶工艺，光刻胶为495型号的PMMA。将加热好的样品进行曝光后，用MIBK:IPA＝1:3的显影液进行显影30s，然后用IPA溶液冲洗干净后用纯度为99.99％的氮气吹干，使得二硫化钼薄膜和β型氧化镓薄膜的部分区域裸露在外，裸露的区域代表金属电极4的形状，未被裸露的区域即代表未被曝光，从而形成裸露的电极区域。

[0070] S4：利用热蒸发镀膜系统在所述电极区域蒸镀金属，形成金属电极4。

[0071] 具体的，用热蒸发镀膜系统对步骤S3得到的样品进行蒸镀金属，在本实施例中，首先蒸发10nm厚度的Cr，接着蒸发50nm厚度的Au以确保形成良好的类欧姆接触。然后将沉积完后的样品放置丙酮溶液中以去除光刻胶后，最后用去离子水冲洗，氮气吹干后即得到了突变NN型结型场效应晶体管。

[0072] 对该实施例制备的结型场效应晶体管的特性进行电学测量，如图4所示，从图4a的转移特性可以看出，晶体管的开关比大于8次方，能够适用于后续的数字逻辑器件，且阈值电压在‑4V左右，代表晶体管能够在小于5V的小电压范围内工作，从而降低器件的功耗。从图4b的输出特性可以看出，晶体管有明显的饱和特性，在施加1V的栅极电压时，晶体管的电流密度达到了3μA/μm以上，该输出电流可以为逻辑器件提供强大的电流驱动保障。图4c统计了在背部栅极的影响下，阈值电压可以线性调控，开态电流也会有影响，证明了适用于逻辑器件。将该实施例制备的结型场效应晶体管组装成逻辑反相器，测试结果如图5所示，图5a是反相器的电压传输特性曲线，极性发生了反转，实现了反相器的基本功能。图5b统计了不同电源电压下的增益，在施加5V电源电压时，实现了‑28的电压增益，这在同类型中是比较好的性能。图5c显示出了逻辑反相器的抗噪声能力，噪声容限达到百分之90.4，说明抗噪声的能力很强，适合应用于多级电路中。将该实施例制备的结型场效应晶体管组装成逻辑与非门，两个输入分别是顶部栅极和背部栅极，测试结果如图6所示，图6a是输入输出电压关系图；图6b是与非门的真值表，和输出的电压相对应，说明制备的结型场效应晶体管适合应用于逻辑与非门之中。

[0073] 本实施例提出的应用于逻辑器件的突变NN型结型场效应晶体管不需要复杂的介电层沉积技术，所有工艺均在低温下进行，工艺及其简单。并且突变NN型结型场效应晶体管无需硅基掺杂工艺，避免了因掺杂剂随机波动的问题。这一方法在保持高可靠性的同时，采用了范德华异质集成技术，规避了晶格失配问题，可以与传统的硅基工艺兼容，为下一代高性能电子器件的发展提供了新的思路。

[0074] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。