[發明專利]基于二維碲化鎵材料場效應管的真空退火方法

在審

• 申請號: 201710235701.7
• 申請日: 2017-04-12
• 公開（公告）號: CN107123599A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 王濤;趙清華;介萬奇;李潔;謝涌;張穎菡;王維;張香港;董赟達
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H01L21/34
• 分類號: H01L21/34;H01L21/447;H01L29/778;H01L29/24
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及一種基于二維碲化鎵(GaTe)材料器件的退火方法，特別涉及一種基于二維碲化鎵材料場效應管的真空退火方法。

背景技術

文獻1“Liu F,Shimotani H,Shang H,et al.High-sensitivity photodetectors based on multilayer GaTe flakes[J].ACS Nano,2014,8(1):752-760.”公開了一種基于微機械剝離法制備的二維GaTe材料構筑場效應管的方法，該方法基于塊體GaTe材料，采用思高膠帶制備二維GaTe材料，將其轉移至SiO₂/Si襯底表面后，再采用光刻和熱蒸鍍方法進行電極制備。該文獻中報道的空氣中器件遷移率為0.2cm²V^-1s^-1。

該文獻雖然成功制備了基于二維GaTe材料的場效應管，但其器件遷移率較低，尚不能滿足高遷移率二維GaTe場效應管的制備要求。

發明內容

為了克服現有方法制備的基于二維GaTe材料場效應管的遷移率低的不足，本發明提供一種基于二維碲化鎵材料場效應管的真空退火方法。該方法在現有二維GaTe場效應管構筑工藝的基礎上，在器件構筑結束后，補充引入高真空退火過程(10^-5Pa，150℃-200℃)，去除溝道材料表面以及溝道材料與金屬電極之間吸附的氣體分子，降低表面吸附分子的散射作用，促進溝道材料與電極之間的有效接觸，可以提高器件的遷移率。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：一種基于二維碲化鎵材料場效應管的真空退火方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、采用傳統的光刻-金屬化-剝離工藝，在潔凈的10mm×10mm 300nm SiO₂/Si襯底表面制備場效應管的柵極、源極及漏極，其中柵極、源極及漏極的材料為5nm Ti/30nm Au，溝道寬度為2μm-10μm。

步驟二、選取表面光滑無褶皺的GaTe材料，并沿自然解理面將GaTe材料分離為多塊。

步驟三、使用思高膠帶從GaTe塊體材料表面撕離一塊厚度為6-8μm的GaTe薄片。

步驟四、將帶有GaTe薄片的思高膠帶多次粘合分離，直至膠帶表面不再光亮，成功附著密集的數百納米厚度的GaTe片層。為了保護GaTe材料平整的表面，剝離時應使GaTe表面與思高膠帶表面充分接觸。思高膠帶分離時，需要單方向緩慢進行。

步驟五、將帶有GaTe片層的思高膠帶貼合在厚度為0.5±0.03mm的PDMS薄膜表面，并用棉簽均勻按壓思高膠帶表面使思高膠帶與PDMS充分貼合。再迅速將思高膠帶與PDMS分離。

步驟六、使用金相顯微鏡觀察PDMS表面，選取厚度均勻的二維GaTe材料進行拍照，并記下二維GaTe材料在PDMS表面的位置。

步驟七、將標記的二維GaTe材料通過對準-轉移平臺搭接到300nm SiO₂/Si表面的源極與漏極之間。

步驟八、將構筑完畢的二維GaTe場效應管放到內徑為15±1mm的石英坩堝中，并使用真空泵機組將石英坩堝內抽真空至10^-5Pa量級，并用氫氧焰將石英坩堝口烤實密封。

步驟九、將密封后的石英坩堝置于150℃-200℃恒溫退火爐中保溫100-140分鐘，然后在空氣中進行冷卻，完成退火過程。

本發明的有益效果是：該方法在現有二維GaTe場效應管構筑工藝的基礎上，引入高真空退火過程(10^-5Pa，150℃-200℃)。由于在高真空環境下氣體分子濃度極低，促使吸附在溝道材料表面以及溝道材料與金屬電極界面處的氧氣分子、水分子向環境中擴散，有效阻止了化學吸附導致的溝道材料本征物性的退化以及表面吸附分子對載流子的散射，能夠有效地提高二維GaTe場效應管的遷移率，而保溫階段加速了這一過程的進行；另一方面退火環境溫度較高，促進了金屬電極中的金屬原子與二維GaTe材料之間的互擴散，使金屬電極與二維GaTe材料邊緣形成更有效的接觸，能夠顯著降低材料與金屬電極之間的接觸勢壘。經測試，本發明制備的基于二維GaTe材料場效應管的遷移率由背景技術的0.2cm²V^-1s^-1提高至3.4-4.5cm²V^-1s^-1，成功率為60％-90％。