CN107464847A - 基于碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管及制备方法，主要解决现有二硫化钼晶体管接触电阻过高的问题。该晶体管结构包括底栅(1)、介电层(2)、源电极(3)、漏电极(4)、半导体层(5)。其中：介质层(2)设置于底栅(1)上方，半导体层(5)设于介质层(2)上方，源电极(3)与漏电极(4)设于半导体层(5)的两端，半导体层(5)与源电极(3)之间的接触区域设为源掺杂区域(6)，半导体层(5)与漏电极(4)之间的接触区域设为漏掺杂区域(7)，这两个掺杂区均采用浓度为10％‑30％的氢氧化钾水溶液进行掺杂。本发明降低了二硫化钼晶体管的接触电阻，提高了晶体管的迁移率和开关比，可用于数字电路。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种二硫化钼晶体管及制备方法，可用于数字电路。
背景技术
近年来，二维层状结构材料由于在热学、光学和电子器件上其独特的物理特性引起了人们的极大兴趣。其中，半导体过渡金属硫化物TMDS材料已被公认为最有可能应用于固态器件的另一种类型的二维材料。二硫化钼是一种典型的层状结构过渡金属硫化物，其由共价键硫-钼-硫(S-Mo-S)结合的薄片通过弱范德华力而组成，它以大于1eV的较大的带隙和合理的载流子迁移率优势在器件应用方面具有潜在的应用前景。此外，它的二维性质在减少器件尺寸对短沟道影响的同时，增加了力学上的柔韧性。MoS2单层的场效应晶体管在首次成功展示后不久，单层或多层的MoS2数字电路的构建模块，如逻辑门，静态随机存取存储器和环形振荡器已经实现。由于这些设备都是基于单个MOSFET，这对于MoS2单个晶体管的性能要求越来越高。为了提高器件的性能，近年来对MoS2场效应晶体管FET的研究已主要集中在以下几个方面：1)缩小器件尺寸；2)使用高介电常数材料的顶栅器件；3)降低接触电阻；4)研究MoS2场效应晶体管在不同衬底上的传输行为。
由于迄今所报道的大部分MoS2场效应晶体管通常受到金属/半导体界面肖特基势垒的限制，因此其电学性能受到的阻碍主要来源于接触电阻而不是本身固有的材料特性。通过对MoS2掺杂从而降低界面接触电阻是一种有效的提高MoS2场效应晶体管器件性能的方法，但是由于MoS2层状晶体其本身超薄的性质，通过掺杂的方法提高电子性能仍然研究的比较少。MoS2的超薄体性质决定了不能采用传统的掺杂方法如离子注入对它进行掺杂，若采用面内取代等方法进行掺杂又存在制作工艺复杂、成本高昂的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对目前MoS2场效应晶体管接触电阻过高的不足，提供一种基于碱金属溶液掺杂的MoS2场效应晶体管及制备方法，以在提高MoS2场效应晶体管载流子迁移率的同时，简化制作工艺，降低成本。
为实现上述目的，本发明基于碱金属溶液掺杂的MoS2的场效应晶体管，包括自下而上依次设置的底栅和介电层，介质层上方设置有源电极、漏电极和半导体层，其特征在于：半导体层与源电极之间设有源掺杂区域，半导体层与漏电极之间设有漏掺杂区域，这两个掺杂区均采用10％-30％氢氧化钾水溶液进行掺杂。
为实现上述目的，本发明基于碱金属溶液掺杂的MoS2的场效应晶体管制备方法，包括
1)将带有200-300nm SiO2的p型重掺杂硅片衬底清洗干净后用氮气枪吹干；
2)采用胶带撕拉剥离的方法从MoS2固体上获取MoS2薄膜，粘在吹干后的硅片上，去掉胶带，将MoS2薄膜转移到硅片上；
3)在覆盖有MoS2薄膜的硅片衬底上旋涂180-300nm厚的聚甲基丙烯酸甲脂光刻胶，采用电子束光刻的方法在光刻胶上刻出电极的图形，去掉电极区域的光刻胶，暴露出需要掺杂部分的MoS2薄膜；
4)将刻有电极图形的MoS2薄膜置于浓度为10％-30％的KOH溶液中浸泡5-30分钟，完成对已刻有电极图案的MoS2薄膜的表面掺杂；
5)在已刻有电极图形的MoS2薄膜上淀积50-100nm厚的Au，再将其置于丙酮中浸泡5-12小时，以去除电极图形以外多余的Au薄膜，形成器件的源漏电极。
本发明具有以下有益效果：
1.降低了二硫化钼与源漏电极的接触电阻，提高了器件的性能
本发明采用浓度为10-30％的氢氧化钾水溶液作为掺杂剂，利用溶液中的钾离子对单层或多层MoS2进行有效地n型表面掺杂，从而降低了二硫化钼与源漏电极的接触电阻，增加了器件的源漏电流，降低了阈值电压降低，提高了载流子的迁移率。
2.降低了二硫化钼掺杂工艺的复杂性
本发明采用KOH溶液对二硫化钼进行表面掺杂，其操作简单，可以实现大面积掺杂；同时KOH水溶液的制备方法十分简单，成本低廉，且性质稳定，有利于降低碱金属掺杂的二硫化钼晶体管的成本。
附图说明
图1是本发明基于碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管的结构示意图；
图2是本发明制备碱金属溶液掺杂的二硫化钼场效应晶体管的流程图；
图3是本发明制备的碱金属钾掺杂的二硫化钼晶体管的源漏电流-栅电压曲线图；
图4是本发明在一片二硫化钼薄膜上同时制备碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管A与无掺杂的二硫化钼晶体管B的源漏电流-栅电压曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明基于碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管结构，包括底栅1、介电层2、源电极3、漏电极4、半导体层5。其中：底栅1为p型重掺杂硅，介质层2设置于底栅1上方，介质层2采用厚度为200-300nm的二氧化硅，半导体层5设于介质层2上方，半导体层5采用厚度为1-6nm的二硫化钼薄膜，源电极3与漏电极4设于半导体层5的两端，均采用厚度为50-100nm的Au，半导体层5与源电极3之间的接触区域设为源掺杂区域6，半导体层5与漏电极4之间的接触区域设为漏掺杂区域7，这两个掺杂区均采用浓度为10％-30％的氢氧化钾水溶液进行掺杂。
参见图2，本发明制备上述二硫化钼晶体管结构的方法，给出以下三个实施例：
实施例1，基于厚度为5.2nm的二硫化钼薄膜，制备碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管。
步骤1：清洗硅衬底。
将带有200nm厚的SiO2的p型重掺杂硅片依次置于丙酮和异丙醇中各超声清洗15min，去除表面污染物，清洗完成后用氮气枪吹干。
步骤2：在衬底上制备MoS2薄膜。
先使用透明胶带将MoS2薄膜从MoS2固体上剥离；再将粘有MoS2薄膜的胶带紧密的贴到步骤1中已经清洗好的硅衬底上，然后将透明胶带撕下，使MoS2薄膜留在硅片上。
步骤3：在MoS2薄膜上制备电极图形。
3a)在带有MoS2薄膜的硅片上旋涂180nm厚的聚甲基丙烯酸甲脂，其中旋涂转速为6000rpm，旋涂时间为60s，然后将衬底置于温度为130℃的烘箱里退火15min，形成光刻胶层；
3b)用光学显微镜在光刻胶层上找到所需的MoS2薄膜并标记位置；
3c)采用电子束光刻的方法在MoS2薄膜中的半边上制备2μm宽的带状电极图案；
3d)将甲基异丁基酮与异丙醇按1:3的体积比进行混合配置显影液，将衬底置于显影液中浸泡30秒，以去除电极区域的光刻胶，使MoS2薄膜暴露出来，形成带有电极图形的样品。
步骤4：对电极图案下的MoS2进行掺杂。
4a)将10mg的KOH颗粒溶解于90ml的去离子水中，形成浓度为10％的KOH水溶液；
4b)将步骤3所得的样品置于浓度为10％的KOH水溶液中，浸泡30分钟，取出样品，并用氮气枪吹干，得到电极区域已掺杂的样品。
步骤5：制备Au金属电极。
5a)将步骤4所得到的样品转入到金属蒸镀室中，在真空度小于5×10-4Pa，电流为38A的条件下热蒸发厚度为50nm的Au薄膜；
5b)将带有Au薄膜的样品浸泡在丙酮中5小时，以剥离掉电极图案以外的多余的Au薄膜，完成源漏电极的制作。
实施例2，基于厚度为4.5nm的二硫化钼薄膜，制备碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管。
步骤一：清洗硅衬底。
将带有270nm厚的SiO2的p型重掺杂硅片依次置于丙酮和异丙醇中各超声清洗15min，去除表面污染物，清洗完成后用氮气枪吹干。
步骤二：在衬底上制备MoS2薄膜。
本步骤与实施例1中的步骤2相同。
步骤三：在MoS2薄膜上制备电极图形。
首先在带有MoS2薄膜的硅片上旋涂240nm厚的聚甲基丙烯酸甲脂，其中旋涂转速为5500rpm，旋涂时间为55s，然后将衬底置于温度为140℃的烘箱里退火15min，形成光刻胶层；再用光学显微镜在光刻胶层上找到所需的MoS2薄膜并标记位置；之后采用电子束光刻的方法在MoS2薄膜中的半边上制备2.5μm宽的带状电极图案；然后将甲基异丁基酮与异丙醇按1:3的体积比进行混合配置显影液，将衬底置于显影液中浸泡35秒，以去除电极区域的光刻胶，使MoS2薄膜暴露出来，形成带有电极图形的样品。
步骤四：对电极图案下的MoS2进行掺杂。
首先将20mg的KOH颗粒溶解于80ml的去离子水中，形成浓度为20％的KOH水溶液；然后将步骤三所得的样品置于浓度为20％的KOH水溶液中，浸泡20分钟，取出样品，并用氮气枪吹干，得到电极区域已掺杂的样品。
步骤五：制备Au金属电极。
首先将步骤四所得到的样品转入到金属蒸镀室中，在真空度小于5×10-4Pa，电流为40A的条件下热蒸发厚度为70nm的Au薄膜；然后将带有Au薄膜的样品浸泡在丙酮中7小时，以剥离掉电极图案以外的多余的Au薄膜，完成源漏电极的制作。
实施例3，基于厚度为3.4nm的二硫化钼薄膜，制备碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管。
步骤A：清洗硅衬底。
将带有300nm厚的SiO2的p型重掺杂硅片依次置于丙酮和异丙醇中各超声清洗15min，去除表面污染物，清洗完成后用氮气枪吹干。
步骤B：在衬底上制备MoS2薄膜。
本步骤与实施例1中的步骤2相同。
步骤C：在MoS2薄膜上制备电极图形。
C1)在带有MoS2薄膜的硅片上旋涂300nm厚的聚甲基丙烯酸甲脂，其中旋涂转速为5000rpm，旋涂时间为50s，然后将衬底置于温度为150℃的烘箱里退火30min，形成光刻胶层；
C2)用光学显微镜在光刻胶层上找到所需的MoS2薄膜并标记位置；
C3)采用电子束光刻的方法在MoS2薄膜中的半边上制备3μm宽的带状电极图案；
C3)将甲基异丁基酮与异丙醇按1:3的体积比进行显影液的混合配置，再将衬底置于显影液中浸泡40秒，以去除电极区域的光刻胶，使MoS2薄膜暴露出来，形成带有电极图形的样品。
步骤D：对电极图案下的MoS2进行掺杂。
D1)将30mg的KOH颗粒溶解于70ml的去离子水中，形成浓度为30％的KOH水溶液；
D2)将步骤C所得的样品置于浓度为30％的KOH水溶液中，浸泡5分钟，取出样品，并用氮气枪吹干，得到电极区域已掺杂的样品。
步骤E：制备Au金属电极。
E1)将步骤D所得到的样品转入到金属蒸镀室中，在真空度小于5×10-4Pa，电流为42A的条件下热蒸发厚度为100nm的Au薄膜；
E2)将带有Au薄膜的样品浸泡在丙酮中12小时，以剥离掉电极图案以外的多余的Au薄膜，完成源漏电极的制作。
本发明的效果由实测结果进一步说明，
测试1，使用keithley4200系统对本发明实施例1制备的二硫化钼晶体管在不同的漏源电压下测试漏源电流随栅源电压的变化，测试结果如图3所示。
根据图3测试结果计算出载流子迁移率为38cm2V-1s-1,晶体管的阈值电压为-40V，晶体管的开关比为105。
测试2，使用keithley4200系统对本发明实施例3制备的二硫化钼晶体管A和现有未掺杂的二硫化钼晶体管B进行电学测试，结果如图4所示。其中：
图4(a)为在不同的漏源电压下测试两种器件的漏源电流随栅源电压的变化图，
图4(b)为在不同的漏源电压下测试两种器件的漏源电流的变化图，
图4(c)是图4(b)在漏源电压在0-0.5V范围内的局部放大图。
根据图4测试结果计算出，本发明器件A载流子的迁移率为66cm2V-1s-1,阈值电压为-24V，开关比为106；现有器件B载流子的迁移率为23cm2V-1s-1,阈值电压-36V，开关比为102。
测试结果表明，通过碱金属溶液对二硫化钼薄膜进行掺杂，可以有效降低二硫化钼晶体管的接触电阻，提供器件载流子的迁移率，降低阈值电压，提高器件的开关比。
Claims (9)
1.基于碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管，其特征在于，包括自下而上依次设置的底栅(1)和介电层(2)，介质层(2)上方设置有源电极(3)、漏电极(4)和半导体层(5)，其特征在于：半导体层(5)与源电极(3)之间设有源掺杂区域(6)，半导体层(5)与漏电极(4)之间设有漏掺杂区域(7)，这两个掺杂区均采用10％-30％氢氧化钾水溶液进行掺杂。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述底栅(1)采用P型重掺杂硅。
3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述介电层(2)采用二氧化硅，其厚度为200-300nm。
4.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述半导体层(5)采用二硫化钼，其厚度为1-6nm。
5.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述源电极(3)和漏电极(4)均采用厚度为50-100nm的Au。
6.基于碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将带有200-300nm SiO2的p型重掺杂硅片衬底清洗干净后用氮气枪吹干；
2)采用胶带撕拉剥离的方法从MoS2固体上获取MoS2薄膜，粘在吹干后的硅片上，去掉胶带，将MoS2薄膜转移到硅片上；
3)在覆盖有MoS2薄膜的硅片衬底上旋涂180-300nm厚的聚甲基丙烯酸甲脂光刻胶，采用电子束光刻的方法在光刻胶上刻出电极的图形，去掉电极区域的光刻胶，暴露出需要掺杂部分的MoS2薄膜；
4)将刻有电极图形的MoS2薄膜置于浓度为10％-30％的KOH溶液中浸泡5-30分钟，完成对已刻有电极图案的MoS2薄膜的表面掺杂；
5)在已刻有电极图形的MoS2薄膜上淀积50-100nm厚的Au，再将其置于丙酮中浸泡5-12小时，以去除电极图形以外多余的Au薄膜，形成器件的源漏电极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，采用胶带撕拉剥离的方法获取MoS2薄膜，是先使用透明胶带将MoS2薄膜从MoS2固体上剥离；再将粘有MoS2薄膜的胶带紧密的贴到已经清洗好的硅片上；然后将透明胶带撕下，使MoS2薄膜将留在硅片上。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，采用电子束光刻的方法在光刻胶上刻出电极的图形，按以下步骤进行：
8a)在带有MoS2薄膜的硅片上旋涂180-300nm厚的聚甲基丙烯酸甲脂，其中旋涂转速为5000-6000rpm，旋涂时间为50-60s；
8b)将涂有聚甲基丙烯酸甲酯的硅片衬底置于温度为130-150℃的烘箱里退火15-30min，形成光刻胶层；
8c)用光学显微镜在硅片衬底上找到所需的MoS2薄膜并标记位置；
8d)采用电子束光刻的方法在MoS2薄膜中的半边上制备2-3μm宽的带状电极图形；
8e)将甲基异丁基酮与异丙醇按1:3的体积比进行混合得到显影液，将衬底置于显影液中，浸泡30-40秒，去除电极区域的光刻胶，将MoS2薄膜暴露出来。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中淀积Au金属电极，是将已完成掺杂的样品转入到金属蒸镀室中，在真空度小于5×10-4Pa，电流为38A-42A的条件下热蒸发50-100nm厚的Au薄膜。
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