[發明專利]一種二維材料/半導體異質結垂直隧穿晶體管及制備方法

有效

• 申請號: 201710452796.8
• 申請日: 2017-06-15
• 公開（公告）號: CN107248530B
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發明（設計）人: 黃如;賈潤東;黃芊芊;趙陽;王慧敏;陳誠
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L29/66
• 分類號: H01L29/66;H01L21/331
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 賈曉玲

1.一種垂直隧穿場效應晶體管，其特征在于包括一個半導體襯底(1)、一個高摻雜半導體區(2)、一個絕緣層(3)、一個二維材料層(4)、一個柵介質層(5)、一個控制柵電極(6)、一個金屬源電極(7)、一個金屬漏電極(8)；半導體襯底(1)上設有高摻雜半導體區(2)和絕緣層(3)，高摻雜半導體區(2)和絕緣層(3)的上表面齊平，二維材料層(4)位于絕緣層(3)和部分高摻雜半導體區(2)的上方，金屬源電極(7)位于高摻雜半導體區(2)的上方，且與二維材料層(4)間距大于100nm，金屬漏電極(8)位于部分二維材料層(4)的上方，柵介質層(5)位于二維材料層(4)和金屬漏電極(8)的上方，控制柵電極(6)位于柵介質層(5)的上方，二維材料層(4)和半導體襯底(1)之間形成異質結，實現直接隧穿。

2.如權利要求1所述的垂直隧穿場效應晶體管，其特征在于，對于N型器件來說，半導體襯底(1)的價帶頂和二維材料層(4)的導帶底位于k空間同一位置；對于P型器件來說，半導體襯底(1)的導帶底和二維材料層(4)的價帶頂位于k空間同一位置。

3.如權利要求1所述的垂直隧穿場效應晶體管，其特征在于，高摻雜半導體區(2)的摻雜濃度在1×10²⁰cm^-3至1×10²¹cm^-3之間。

4.如權利要求1所述的垂直隧穿場效應晶體管，其特征在于，絕緣層(3)的厚度在10nm至90nm之間。

5.如權利要求1所述的垂直隧穿場效應晶體管，其特征在于，二維材料層(4)的厚度在0.5nm至10nm之間。

6.權利要求1所述的垂直隧穿場效應晶體管的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用離子注入對整個半導體襯底進行高摻雜；

(2)光刻暴露出高摻雜半導體區以外的區域，通過刻蝕半導體襯底形成臺階，臺階高度為10nm至300nm之間；

(3)在步驟(2)刻蝕形成臺階之后，保留光刻膠，通過低壓力化學氣相淀積、等離子增強化學氣相淀積或者原子層淀積方法全片淀積絕緣層，厚度與步驟(1)中刻蝕得到的臺階高度一致，然后通過剝離得到平整的半導體襯底和絕緣層表面；

(4)光刻暴露出金屬源電極區，全片帶膠蒸發金屬后剝離形成金屬源電極，合金退火形成歐姆接觸；

(5)通過化學氣相淀積或者原子層淀積方法得到位于高摻雜半導體區和絕緣層上方的二維材料層，厚度為0.5nm至10nm之間；

(6)光刻暴露出高摻雜半導體區以及金屬源電極上方的二維材料，采用濕法腐蝕或者干法刻蝕的方法去除該處的二維材料，暴露出高摻雜半導體區和金屬源電極；

(7)光刻暴露出金屬漏電極區，全片蒸發金屬后剝離形成金屬漏電極；

(8)全片生長厚度均勻的柵介質層；

(9)光刻暴露出控制柵電極區，全片蒸發金屬后剝離形成控制柵電極。

7.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中的半導體襯底材料選自Si、Ge、SiGe、GaAs或其他III-V和IV-IV族的二元或三元化合物半導體。

8.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中的絕緣層材料選自SiO₂、高K絕緣介質。

9.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中的金屬源電極選自與半導體有粘附性，且能夠形成歐姆接觸的金屬，所述步驟(7)中的金屬漏電極選自與二維材料有粘附性，且能夠形成歐姆接觸的金屬。

10.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(8)中的生長柵介質層的方法為原子層淀積。

11.如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(9)中的控制柵電極選自金屬Ni、Au、Pt或者混合金屬Pd/Au、Ti/Au或Ti/Ni。

12.如權利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述高K絕緣介質為BN二維材料絕緣體。