[發明專利]一種基于二維層間滑移鐵電半導體的場效應晶體管器件及其制備方法

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• 申請號: 202210197028.3
• 申請日: 2022-03-01
• 公開（公告）號: CN114709257A
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 劉富才;馬博文;卞仁吉
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/423
• 分類號: H01L29/423;H01L29/10;H01L29/16;H01L29/78;H01L21/336
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 葉盛

本發明提出一種基于Ⅲ?Ⅵ族材料(GaSe)層間滑移鐵電場效應晶體管器件，利用該類材料中電場控制層間滑移實現極化翻轉的特性，可以實現對溝道費米能級和電導率的調控，與傳統鐵電場效應晶體管相比，二維超薄鐵電體可以顯著縮小器件尺寸，增加有效柵電場，翻轉或極化所需的電壓可以進一步降低，從而可以實現低功耗存儲。這種外加電場調控層間滑移的新型鐵電場效應晶體管器件為實現高性能的鐵電存儲及高集成度的存儲芯片提供了新平臺。

技術領域：

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種基于二維層間滑移鐵電半導體的場效應晶體管器件及其制備方法。

背景技術：

在如今的大數據時代，面對迫切高性能計算需求，尤其是在處理復雜的實時的圖形識別以及自然語言處理程序時，當前的馮·諾依曼(Von?Neumann)體系性能很難與平均人腦水平匹配。器件的縮小可以驅動計算能力的提升，同時設備尺寸的減小使得速度和功率得以改善。伴隨著摩爾定理的終結，制造成本的增加和基本物理原理的局限性，使得器件縮小本身不能再提供所期望的性能改善。所以，創新性的器件變得尤為重要，更是滿足我們對不斷增長的數據和信息的強烈需求。

石墨烯的發現為科學家和半導體工程師們開拓了一個全新的二維材料的世界，自此，二維材料如雨后春筍般蓬勃發展，包括過渡金屬硫族化物、黑鱗和氮化硼等許多體系，為了發現更多的現象和實現更好的器件性能，通常不僅研究單個的材料，還將不同的二維材料組合到一起，搭建出范德華異質結。由于基于二維材料的范德華異質結不受晶格失配的限制，因此，可以任意組合成多種多樣的異質結構。異質結構被廣泛應用于電子器件中，在現代半導體工業中起著重要作用，如場效應晶體管、光探測器以及發光二極管等,為新功能、高性能的新型光電子器件的發展提供了一種全新的思路。而二維鐵電材料具有兩種可切換的穩定極化狀態，十分適用于隨機存取存儲器的應用，這就要求其在兩種穩定態之間容易切換以實現存儲。近年來，人們對二維鐵電場效應晶體管的微型化和低功耗進行了大量的研究，在一些二維范德華鐵電材料中存在著較強的面外極化，有望能夠大幅提高極化翻轉的次數，增加二維鐵電場效應晶體管的使用壽命。

發明內容：

本發明提供了一種基于二維層間滑移鐵電半導體的場效應晶體管器件及其制備方法，利用Ⅲ-Ⅵ族化合物GaSe作為鐵電介質層，通過電場調控層間滑移的方法實現鐵電極化和翻轉，從而實現對溝道電導率的調控，實現室溫下低功耗存儲；

利用室溫干法轉移能有效避免空氣氧化的影響，極大地保留GaSe的物性，保證了器件的性能。

本發明的技術解決措施如下：一種基于二維層間滑移鐵電半導體的場效應晶體管器件，包括由下至上依次疊置的支撐襯底、背柵電極、鐵電介質層、絕緣介質層和源漏電極，所述源漏電極包括源極電極和漏極電極，所述源極電極和漏極電極之間設置有導電溝道，所述導電溝道為石墨烯材料，所述鐵電介質層為層狀二維層間滑移鐵電半導體材料GaSe,所述絕緣介質層為h-BN材料，所述源極電極和漏極電極分別與導電溝道兩端連接，并形成含有潔凈范德華界面的肖特基接觸或歐姆接觸。

一種基于二維層間滑移鐵電半導體的場效應晶體管器件的制備方法，其具體加工步驟如下：

S1、絕緣介質層材料h-BN的制備：選用PDMS為支撐襯底，采用機械剝離法從h-BN晶體中獲得少層的h-BN樣品；

S2、鐵電介質層材料GaSe的制備：從GaSe晶體中獲得少層的GaSe樣品,在顯微鏡輔助下找到合適的樣品并做好位置標記；

S3、導電溝道材料石墨烯的制備：選用SiO₂為支撐襯底，采用機械剝離法從層狀石墨晶體中獲得少層及單層的石墨烯樣品，在顯微鏡輔助下找到合適樣品并做好標記；

S4、鐵電介質層的轉移：室溫下，在顯微鏡和三維位移臺輔助下，將帶有GaSe的PDMS襯底緩慢均勻地貼附到SiO₂襯底的少層石墨烯上，并使GaSe對準少層石墨烯的相應位置，并緩慢抬起玻璃片，實現鐵電介質層GaSe到SiO₂襯底的轉移；