[發明專利]一種垂直單分子場效應晶體管集成器件及制備方法

有效

• 申請號: 202011410903.9
• 申請日: 2020-12-06
• 公開（公告）號: CN112563330B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 賈傳成;李佩慧;郭雪峰
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L21/336;H01L29/06;H01L29/423
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 張耀

一種基于二維材料納米孔的垂直單分子場效應晶體管集成器件及制備方法,屬于新材料和分子場效應晶體管領域。由二維材料模板條帶陣列、超平金屬電極、二維材料支撐絕緣納米孔陣列、自組裝單分子膜、二維材料漏端電極條帶、絕緣二維材料介質層以及導電二維材料柵電極條帶構成。本發明采用新型二維材料替代傳統場效應晶體管中的柵極和介電層材料，引入二維材料絕緣層對電極間距進行原子級厚度的精準控制，引入二維材料模板層對金屬電極平整度進行改善，使得器件達到原子級平整并且原子層厚度可控，實現了具有可集成能力的在室溫下可以穩定工作的固態柵極調控的并且具有超平金屬電極的垂直單分子場效應晶體管，提高了器件穩定性以及大規模集成可能性。

技術領域

本發明屬于新材料以及分子場效應晶體管領域，特別涉及一種以二維材料為超平金屬電極生長模板、絕緣支撐層、柵電極層、介質層、漏端電極的垂直單分子場效應晶體管集成器件。

背景技術

分子場效應晶體管具備分子級尺寸，可以在量子隧穿狀態下工作，是未來集成電路中最有可能的電子元件。通常，通過在分子異質結中施加柵壓就可以調控分子的能級位置，從而改變分子能級與電極費米能級的相對位置，進一步調控分子的導電特性。

一般情況下，分子場效應晶體管的制造方法是在分子結的一側放置一個固態背柵或電化學柵極，以調整中心分子的能級。然而，這種基于固態柵極產生的電場調控分子的能級的器件柵調控強度弱，調控效率低，制備效率低，穩定性較差。具體地，這樣的器件對介電層厚度敏感，然而目前的介電層多是二氧化硅和二氧化鉿材料，想要制備出與分子尺寸匹配的厚度的固態介電層在工藝實施上是極為困難的。同樣地，也是材料問題，目前的柵極使用的材料多為摻雜硅，不易做得特別小，無法精準對單個分子異質結施加柵壓，漏電流對器件的影響較大。又由于柵極和介質層與分子直接接觸，導致分子異質結極不穩定，既降低了柵調控的強度，又降低了器件的穩定性。以上種種原因都使得分子場效應晶體管制造工藝復雜，穩定性低，制備成功率低，難以集成。

近年報告的新型垂直分子隧穿晶體管（Sci. Adv. 2018，4, eaat8237），基于離子液體柵極/石墨烯/自組裝單層分子膜（SAMs）/金膜跨平面垂直異質結構，在一定程度上解決了分子場效應晶體管存在的部分問題，比如說柵介電層都不與分子產生直接接觸，且通過離子液體雙電層，在分子上下兩側原子級別距離內形成柵電場，這就解決了以往分子場效應晶體管室溫下不穩定，制備效率低，柵調控弱等問題，使之可以在室溫下穩定運行。但這樣的結構還是沒能很好解決集成的問題，并且也帶來了幾方面問題：1：采用的是離子液體柵極，與現有加工工藝不兼容，難以集成； 2：直接用Si基底，也為大面積集成帶來挑戰；3：絕緣支撐層使用氧化硅材料，厚度難以控制；4：由于是垂直結構，底部的金電極的平整度對分子結的形成和穩定性有著決定性的影響，而在這個器件中，金膜是直接在Si襯底上的，達不到原子級別的平整度。最重要的是，該器件是分子膜體系，如果做成集成器件，那么我們無法保證每個器件單元中的分子個數相同，因此，開發一種具有可集成能力的在室溫下能穩定工作的固態柵極調控的并且具有超平金屬電極的垂直單分子場效應晶體管是十分必要的。