[發明專利]場效應晶體管以及制備方法

在審

• 申請號: 201610210348.2
• 申請日: 2016-04-06
• 公開（公告）號: CN105789323A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 盧琪;伍曉明;吳華強;張進宇;余志平;錢鶴
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L29/786
• 分類號: H01L29/786;H01L29/16;H01L21/04
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 李志東

技術領域

本發明涉及半導體技術以及半導體制造領域，具體而言，本發明涉及場效應晶體管以 及制備方法。

背景技術

石墨烯由于具有高電子遷移率、高導熱的性能以及獨特的電子結構，被廣泛應用于各 類半導體器件中。在場效應晶體管中，在溝道區使用石墨烯材料能夠利用其較高的電子遷 移率，提高場效應晶體管的性能。

然而，目前基于石墨烯的場效應晶體管以及制備方法仍有待改進。

發明內容

本申請是基于發明人對以下事實和問題的發現和認識做出的：

目前基于石墨烯的場效應晶體管，普遍存在器件開關比(on/offratio)不理想，器件性 能不穩定或難以大規模生產等問題。發明人經過深入研究發現，這是由于石墨烯雖然具有 較為優異的電學性能，然而由于石墨烯的禁帶寬度為0，因此在將石墨烯用于場效應晶體 管的溝道區材料時，需要對石墨烯進行摻雜，或引入其他材料與來調節溝道區材料的禁帶 寬度。然而，利用摻雜來調節石墨烯的禁帶寬度，難以保證能夠準確調控摻雜后的石墨烯 的電子能級，因此難以擴大生產規模；通過引入其他材料制備復合結構，極易在制備復合 結構的過程中引入缺陷而破壞石墨烯的結構，從而對器件的性能造成影響。

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個 目的在于提出一種場效應晶體管，該場效應晶體管利用層狀材料與單層石墨烯構成異質結， 實現對石墨烯禁帶寬度的調節；且該場效應晶體管具有埋柵結構，能夠有效避免柵極形成 過程中對異質結中的石墨烯結構造成破壞。該場效應晶體管具有較大的開關比，且制備簡 便，成本低廉，能夠實現溝道材料禁帶寬度的準確調節，有利于實現大規模生產。

在本發明的一個方面，本發明提出了場效應晶體管。根據本發明的實施例，該場效應 晶體管包括：襯底；柵極，所述柵極嵌在所述襯底中；異質結，所述異質結設置在所述襯 底的上表面，所述異質結包括單層石墨烯以及層狀材料；源極，所述源極設置在所述異質 結的上表面；以及漏極，所述漏極設置在所述異質結的上表面。利用單層石墨烯以及層狀 材料形成異質結以調節石墨烯的禁帶寬度，從而可以提高該場效應晶體管的開關比；嵌在 襯底中的柵極結構有利于保護單層石墨烯結構不在制備柵極的過程中被破壞，也有利于制 備出高深寬比的柵結構，降低柵電阻，從而可以提高該場效應晶體管的性能。

根據本發明的實施例，所述層狀材料是二硫化鉬、二硫化錸、二硒化鎢、二硒化鉬、 二硒化錸、二硫化鎢以及六方氮化硼的至少之一形成的。上述材料均為二維材料，具有二 維層狀結構，且層數不同時，材料具有不同的禁帶寬度。上述材料均可以通過對合成條件、 轉移、處理方法以及條件的控制，精確控制獲得的層狀材料的層數，從而可以精確調控利 用上述材料與單層石墨烯構成的異質結的禁帶寬度。并且，可以通過調節層狀材料與單層 石墨烯晶格之間的角度來對能帶進行調整。

根據本發明的實施例，所述層狀材料為單層、雙層或者三層結構。由此，可以將利用 上述材料與單層石墨烯構成的異質結的禁帶寬度調節至適當的范圍，以調高場效應晶體管 的器件開關比。

根據本發明的實施例，所述柵極包括：第一條狀電極，所述第一條狀電極嵌在所述襯 底中，并且與所述襯底的上表面平行；第二條狀電極，所述第二條狀電極嵌在所述襯底中， 并且與所述第一條狀電極平行設置并且位于相同的橫截面中；以及介質層，所述介質層至 少覆蓋所述第一條狀電極和所述第二條狀電極的上表面，所述介質層是由高k介質構成的， 所述高k介質包括選自Al₂O₃、HfO₂以及TiO₂的至少之一。具有上述結構的柵極，能夠提 高柵極對場效應晶體管器件性能的調控能力，從而可以提高該場效應晶體管的性能。

根據本發明的實施例，該場效應晶體管進一步包括：金屬塊，所述金屬塊分別與所述 第一條狀電極和所述第二條狀電極電連接。由此，可以簡便地利用該金屬塊實現柵極與外 界電源的電連接。

根據本發明的實施例，所述介質層的下表面覆蓋在所述第一條狀電極和所述第二條狀 電極的上表面，并且所述介質層的上表面與所述層狀材料接觸。由此，可以降低柵極漏電， 從而可以進一步提高該場效應晶體管的性能。