[發(fā)明專利]一種石墨烯為源漏電極的二維薄膜晶體管及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011163303.7
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112349593B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設計）人: 李文武;高彩芳;聶倩帆;李夢姣;胡志高;褚君浩
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: H01L21/34
• 分類號: H01L21/34;H01L29/786;H01L29/43;H01L29/417;H01L29/24
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發(fā)明公開了一種石墨烯為源漏電極的二維薄膜晶體管及制備方法，所述二維晶體管屬于底柵頂接觸型晶體管。其制備方法首先使用機械剝離法用英格蘭藍色膠帶從二維材料塊材上剝離薄膜到Gelpak機械剝離專用PF凝膠膜，選擇合適厚度且表面均勻的材料轉移到硅/二氧化硅襯底上作為N型半導體溝道層。再剝離兩塊石墨烯薄膜分別轉移到半導體層兩端作為源、漏電極，最后利用掩模版通過熱蒸發(fā)法蒸鍍金電極，由此制備得到所述二維薄膜晶體管。本發(fā)明區(qū)別于其他二維器件制備工藝，無需復雜昂貴的電子束光刻，所用材料安全環(huán)保，成本低廉，不僅得到了以二維材料為源漏電極和溝道的微電子器件，而且從遷移率、開關比等方面優(yōu)化了現(xiàn)有的二維晶體管。

技術領域

本發(fā)明涉及二維薄膜晶體管制備技術領域，具體地說，是采用二維材料石墨烯作為晶體管的源漏電極，從而優(yōu)化傳統(tǒng)的二維薄膜晶體管。

背景技術

近年來，以二硫化物、石墨烯和黑磷(BP)等為代表的二維層狀半導體材料由于具有優(yōu)異的電學性能受到了廣泛關注。科研人員已經研制出基于二維半導體的高性能電子器件，但其實際應用卻受到半導體材料自發(fā)氧化的嚴重影響。例如，少層黑磷在室溫下具有高的p型載流子遷移率(1000cm²V^-1S^-1)，由于在空氣中不穩(wěn)定，限制了其在電子器件和電路方面的應用。為了解決器件穩(wěn)定性問題，研究人員已研發(fā)出多種方案對溝道材料進行保護以避免自發(fā)氧化，包括剝離后的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂層、原子層沉積(ALD)生長的Al₂O₃涂層、h-BN封裝，以及選擇使用隔離水氧的手套箱進行材料制備等。當然由于其不穩(wěn)定問題，導致二維晶體管中半導體層與金屬電極之間的接觸問題也尤為重要，嚴重影響了二維器件的進一步發(fā)展。

另一方面，HfS₂具有獨特的結構且?guī)犊捎蓪訑?shù)調控，是一種具有超高電學性能的二維材料，有望在電子/光電子器件領域實現(xiàn)應用，盡管二硫化鉿具有許多吸引人的電學和光電特性，但是二硫化鉿的水氧性很差，在空氣中暴露數(shù)小時后，二硫化鉿薄膜會由于吸附水分和氧而嚴重的自發(fā)氧化，從而致使器件的電學性能出現(xiàn)嚴重退化。并且由于二維材料與金屬電極之間存在接觸問題，嚴重影響到二維薄膜晶體管的電學性能。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種以石墨烯為源/漏電極的N型二維薄膜晶體管及其制備方法。其制備方法適用的二維薄膜晶體管為底柵頂接觸結構，晶體管由下至上依次是柵極、介電層、N型半導體有源層、源/漏電極。該方法在二維薄膜晶體管半導體層制備完畢后，通過同樣的機械剝離方法制備并轉移得到二維材料源/漏電極，通過該方法既可以改善二維材料只能用電子束光刻和尺寸較小的銅網進行掩膜制備的限制，又可以改善二維材料與金電極之間的接觸，從而提升了N型二維薄膜半導體的電學性能。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術方案是：

一種石墨烯為源漏電極的二維薄膜晶體管的制備方法，該制備方法包括以下具體步驟：

步驟1：二維材料薄膜的制備

A1：二硫化鉿半導體薄膜的制備

將二硫化鉿晶體塊材置于英格蘭藍色膠帶上，對折膠帶，按壓，然后撕開；在撕開的英格蘭膠帶上會自然黏附一層二硫化鉿薄片，將所述膠帶在新鮮膠帶表面對撕3-5次，減薄二硫化鉿薄片后，貼附到附在載玻片上的Gelpak機械剝離專用PF凝膠膜上再輕輕揭起，用光學顯微鏡觀察所述PF凝膠膜，通過顏色判斷二硫化鉿薄膜的厚度，選擇藍色半透明、厚度為10-15nm、表面均勻且長度15-200μm的材料標記備用；

A2：石墨烯薄膜材料的制備