[發(fā)明專利]一種二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)垂直隧穿晶體管及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710452796.8
• 申請(qǐng)日: 2017-06-15
• 公開（公告）號(hào): CN107248530B
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃如;賈潤(rùn)東;黃芊芊;趙陽(yáng);王慧敏;陳誠(chéng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L29/66
• 分類號(hào): H01L29/66;H01L21/331
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 賈曉玲

本發(fā)明公開了一種二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)垂直隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管及制備方法，通過能帶設(shè)計(jì)使得關(guān)態(tài)時(shí)該器件形成交錯(cuò)式能帶結(jié)構(gòu)，即二維材料和半導(dǎo)體材料之間不存在隧穿窗口，能獲得極低的關(guān)態(tài)電流。施加?xùn)艍耗軌蛘{(diào)控二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)處的能帶對(duì)準(zhǔn)方式，使得器件在開態(tài)時(shí)形成錯(cuò)層式能帶結(jié)構(gòu)，有效隧穿勢(shì)壘高度為負(fù)值，同時(shí)，載流子從源區(qū)隧穿到溝道區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)直接隧穿，可以獲得大的開態(tài)電流。該器件采用高摻雜的三維半導(dǎo)體材料作為源區(qū)材料，其與金屬源電極等勢(shì)，同時(shí)由于二維材料的厚度超薄，柵壓可調(diào)控二維材料以及二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面處的能帶，所以可獲得理想的柵控能力。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝兼容性大。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的垂直隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著傳統(tǒng)MOSFET特征尺寸的減小，集成度的提高，器件的工作電壓和閾值電壓逐漸降低。隨之而來的短溝道效應(yīng)更加明顯，漏致勢(shì)壘降低和源-漏帶帶隧穿會(huì)引起器件的泄漏電流和功耗增大。另外，由于MOSFET熱發(fā)射的電流機(jī)制，其亞閾值斜率受熱電勢(shì)的限制，存在理論極限60mV/dec，且無法隨著器件尺寸的減小而降低，因此導(dǎo)致器件的泄漏電流進(jìn)一步增大，功耗問題加劇。目前，功耗問題已經(jīng)是小尺寸邏輯器件設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)心的方面，因而超陡亞閾值斜率器件等相關(guān)研究引起了廣泛關(guān)注。

作為一種超陡亞閾值斜率器件，隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFET)打破傳統(tǒng)MOSFET熱發(fā)射的電流機(jī)制，利用帶帶隧穿機(jī)制，可以突破亞閾值斜率60mV/dec的極限。同時(shí)TFET的P-I-N結(jié)構(gòu)使其具有低泄漏電流和工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)Si基TFET的隧穿勢(shì)壘較高，導(dǎo)致隧穿幾率較低，限制了TFET的廣泛應(yīng)用。采用異質(zhì)結(jié)能帶設(shè)計(jì)能夠獲得低的隧穿勢(shì)壘高度，有利于隧穿幾率的提高，從而改善TFET開態(tài)電流。二維半導(dǎo)體材料由于具有豐富的能帶結(jié)構(gòu)，可以通過材料選擇實(shí)現(xiàn)具有較小隧穿勢(shì)壘高度的異質(zhì)結(jié)，同時(shí)由于其原子級(jí)厚度可以實(shí)現(xiàn)理想柵控，引起了人們的廣泛研究。然而實(shí)驗(yàn)上二維材料難以實(shí)現(xiàn)高摻雜以形成P-I-N結(jié)構(gòu)，目前研究的物理化學(xué)摻雜存在穩(wěn)定性等問題，在實(shí)驗(yàn)制備中仍面臨較大挑戰(zhàn)。相比二維材料，傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體材料高摻雜的工藝已經(jīng)比較成熟，所以結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，利用高摻雜的三維半導(dǎo)體材料和二維材料形成異質(zhì)結(jié)，分別做為TFET的源區(qū)材料和溝道材料，在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的源區(qū)高摻雜的同時(shí)保持二維材料的理想柵控能力，能夠大幅度提高TFET的開態(tài)電流。同時(shí)通過材料選擇，能夠在異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)直接隧穿，即源區(qū)的價(jià)帶頂和溝道區(qū)的導(dǎo)帶底位于k空間的同一點(diǎn)，電子隧穿無需聲子參與，能夠?qū)崿F(xiàn)高的隧穿幾率，從而提高隧穿電流。那么如何有效實(shí)現(xiàn)二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)TFET就成為一個(gè)亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的垂直隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。通過能帶設(shè)計(jì)使得關(guān)態(tài)時(shí)該器件形成交錯(cuò)式能帶結(jié)構(gòu)，即二維材料和半導(dǎo)體材料之間不存在隧穿窗口，能夠獲得極低的關(guān)態(tài)電流。施加?xùn)艍耗軌蛘{(diào)控二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)處的能帶對(duì)準(zhǔn)方式，使得器件在開態(tài)時(shí)形成錯(cuò)層式能帶結(jié)構(gòu)，有效隧穿勢(shì)壘高度為負(fù)值；同時(shí)，載流子從源區(qū)隧穿到溝道區(qū)(電子從源區(qū)的價(jià)帶頂隧穿到溝道區(qū)的導(dǎo)帶底，空穴從源區(qū)的導(dǎo)帶底隧穿到溝道區(qū)的價(jià)帶頂)，位于k空間的同一點(diǎn)，無需聲子參與，能夠?qū)崿F(xiàn)直接隧穿，可以獲得大的開態(tài)電流。該器件采用高摻雜的三維半導(dǎo)體材料作為源區(qū)材料，其與金屬源電極等勢(shì)，同時(shí)由于二維材料的厚度超薄，柵壓可調(diào)控二維材料以及二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面處的能帶，所以可以獲得理想的柵控能力。最后該器件制備工藝簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝兼容性大。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：