CN108206218A - 一种MoS2基金属半导体场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子器件的技术领域，公开了一种MoS2基金属半导体场效应晶体管及其制备方法。MoS2基金属半导体场效应晶体管自下至上依次包括衬底、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN层、MoS2层；MoS2层的上方设有源电极、漏电极和栅电极；MoS2层是由多个掺杂层和未掺杂层交替叠加而成，掺杂层为掺杂Se的MoS2层，未掺杂层为未掺杂的MoS2层，MoS2层的首尾层为掺杂层；未掺杂层的层数≥2。本发明采用脉冲激光沉积法制备AlN缓冲层，金属有机化合物无气相外延法制备AlGaN缓冲层和GaN缓冲层。本发明的方法提高缓冲层的晶体质量；MoS2层的结构改善了晶体管转移特性的线性度。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件领域，涉及半导体器件及其制备工艺，具体涉及一种MoS2基金属半导体场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
近年来，随着微电子技术的迅猛发展，以及航空航天、电子对抗和雷达通讯等相关领域的迫切需求，发展新型高频、高功率半导体器件受到人们越来越多的关注。双极性晶体管(BJF)和功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)已经被广泛应用在高功率用途上。BJF是少子器件，其功率处理能力在较高工作频率下不会受到限制。与金属半导体场效应晶体管(MESFET)相比，MOSFET山脊电容较大，影响了其频率特性，并且MOSFET的制造工艺复杂。而制造工艺简单的MESFET由于其栅极采用肖特基结构，能更好地应用于高频微波领域。
高频MESFET主要采用III-V族化合物半导体材料，如砷化镓，但其相对较低的领结击穿电场和热导率限制了他们在大功率领域的应用。而二维过渡金属硫族化合物因其丰富的电学、光学、力学、化学物理性质，已受到广泛的关注。尤其是二硫化钼(MoS2)，作为一种宽带隙(单层为1.8eV)、低维度的半导体材料，MoS2在低静态功耗、高开关比器件上有很好的应用，是一种有潜力的后硅时代材料。
在此背景下，制备高性能的MoS2基金属半导体场效应晶体管尤为重要。在基本的MESFET结构中，有源层需要用外延工艺生长在半绝缘衬底上，这意味着半绝缘层内的缺陷会对有源层以及整个器件性能产生显著的影响，因此，如何制备高质量的半绝缘层是制备高性能的MoS2基金属半导体场效应晶体管所面临的难题之一。同时，在实际应用中，常常要求晶体管的转移特性有好的线性度。因此如何改善晶体管的转移特性的线性度，是制备高性能的MoS2基金属半导体场效应晶体管所面临的又一难题之一。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种MoS2基金属半导体场效应晶体管。
本发明的另一目的在于提供上述MoS2基金属半导体场效应晶体管的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种MoS2基金属半导体场效应晶体管，自下至上依次包括衬底、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN层、MoS2层；所述MoS2层的上方设有源电极、漏电极和栅电极；栅电极设置在源电极和漏电极之间。所述MoS2层是由多个掺杂层和未掺杂层交替叠加而成，掺杂层的层数为未掺杂层+1，所述掺杂层为掺杂Se的MoS2层，所述未掺杂层为未掺杂的MoS2层。所述MoS2层的首尾层为掺杂层。
GaN层的上方为MoS2层中的掺杂层。
所述未掺杂层的层数≥2。
掺杂层的厚度为0～5nm且不为0，未掺杂层的厚度为0～4nm且不为0。
所述AlN缓冲层由脉冲激光沉积法(PLD)制备，AlGaN缓冲层和GaN缓冲层由金属有机化合物无气相外延法(MOCVD)制备。
所述衬底包括蓝宝石、Si、SiC、GaN、ZnO、LiGaO2、LaSrAlTaO6、Al或Cu。
所述源电极和漏电极为Ti/Al/Ni/Au四金属层或Ti/Au两金属层，Ti靠近MoS2层；所述栅电极为Ni/Au两金属层或Cr/Pt/Au三金属层。
掺杂层中Se浓度为1×1017～1×1019cm-3。
AlN缓冲层的厚度为100-250nm；AlGaN缓冲层的厚度为300～500nm，Al/N摩尔比＝0.1～0.9；GaN层的厚度为400～1500nm。
所述MoS2基金属半导体场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底上通过脉冲激光沉积法生长一层AlN缓冲层；
(2)通过金属有机化合物无气相外延法，在AlN缓冲层上依次生长AlGaN缓冲层和GaN层；
(3)通过分子束外延法，在GaN层上生长MoS2层，MoS2层由多个掺杂层和未掺杂层交替叠加而成，掺杂层的层数为未掺杂层+1，所述掺杂层为掺杂Se的MoS2层，所述未掺杂层为未掺杂的MoS2层；所述MoS2层的首尾层为掺杂层，掺杂Se的MoS2层中Se掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3；
(4)通过电子束蒸发法和剥离技术，在MoS2层上沉积金属层，形成欧姆接触电极，作为源/漏电极；
(5)通过电子束蒸发法和剥离技术，在MoS2层上沉积金属层，形成肖特基接触电极，作为栅电极。
在GaN层上生长MoS2层具体步骤为：
(a)以MoO3、S粉末和Se粉末为源，在GaN层上生长掺杂Se的MoS2掺杂层，厚度为0～5nm且不为0，Se掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3；
(b)以MoO3和S粉末为源，在掺杂Se的MoS2掺杂层上生长不掺杂的MoS2层，厚度为0～4nm且不为0；
(c)依次循环重复步骤(a)和(b)，重复的次数为x次，之后再重复步骤(a)一次，得到MoS2层；x≥2。
步骤(4)中所述在MoS2层上沉积金属层是指在MoS2层上依次沉积Ti/Al/Ni/Au四层金属或Ti/Au两层金属，高温退火，形成欧姆接触电极。所述高温退火的温度为700～900℃.
步骤(5)中所述在MoS2层上沉积金属层是指在MoS2层上依次沉积Ni/Au两层金属或Cr/Pt/Au三层金属，形成肖特基接触电极，作为栅电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过PLD与MOCVD结合的方法制备AlN和AlGaN缓冲层，有利于减少缓冲层内部的晶体缺陷，提高缓冲层的晶体质量，为后续生长高质量的GaN层和MoS2层提供了保证；MoS2层是由多个掺杂层和未掺杂层交替叠加而成，可改善晶体管转移特性的线性度，提高器件的性能。
附图说明
图1为本发明的MoS2基金属半导体场效应晶体管的结构示意图；其中：1-衬底；2-AlN缓冲层；3-AlGaN缓冲层；4-GaN层；5-MoS2层；6-源电极；7-漏电极；8-栅电极；
图2为本发明的MoS2基金属半导体场效应晶体管中的MoS2层的结构示意图；其中，A-掺杂层；B-未掺杂层；5表示的是图1中MoS2层。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的MoS2基金属半导体场效应晶体管的结构示意图如图1所示，自下至上依次包括衬底1、AlN缓冲层2、AlGaN缓冲层3、GaN层4、MoS2层5；所述MoS2层的上方设有源电极6、漏电极7和栅电极8；栅电极8设置在源电极6和漏电极7之间。所述衬底为Si衬底。
所述MoS2层的结构示意图如图2所示，是由多个掺杂层A和未掺杂层B交替叠加而成，掺杂层A的层数为未掺杂层+1，所述掺杂层A为掺杂Se的MoS2层，所述未掺杂层B为未掺杂的MoS2层。所述MoS2层的首尾层为掺杂层。
GaN层的上方为MoS2层中的掺杂层。所述未掺杂层的层数≥2。
掺杂层的厚度为0～5nm且不为0，未掺杂层的厚度为0～4nm且不为0。
AlN缓冲层的厚度为100-250nm；AlGaN缓冲层的厚度为300～500nm，Al/N摩尔比＝0.1～0.9；GaN层的厚度为400～1500nm。
实施例1
本实施例的MoS2基金属半导体场效应晶体管，自下至上依次包括衬底、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN层、MoS2层；所述MoS2层的上方设有源电极、漏电极和栅电极；栅电极设置在源电极和漏电极之间。所述衬底为Si衬底。
所述MoS2层是由多个掺杂层和未掺杂层交替叠加而成，掺杂层为掺杂Se的MoS2层，未掺杂层为未掺杂的MoS2层；MoS2层的首尾层为掺杂层；GaN层的上方为MoS2层中的掺杂层；未掺杂层的层数为6，掺杂层的层数为7；掺杂层的厚度为3nm，未掺杂层的厚度为2nm。
AlN缓冲层的厚度为100nm；AlGaN缓冲层的厚度为300nm，Al/N摩尔比＝0.7；GaN层的厚度为400nm。
所述MoS2基金属半导体场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、在室温下，将单晶Si(111)衬底放入体积百分数为10％氢氟酸溶液中超声清洗30秒，再用去离子水超声清洗60秒，最后用高纯干燥氮气吹干备用；
步骤2、将步骤1中单晶Si(111)衬底送入PLD反应室中，在反应室温度为850℃、反应室的压力为3.0×10-5Pa、激光能量密度为2.0J/cm2的条件下生长100nm厚的AlN缓冲层，获得外延片；
步骤3、将步骤2的外延片转移至MOCVD反应室内，反应室温度保持为1000℃，气压保持为100Torr，通入氨气、氢气、三甲基镓和三甲基铝，在步骤2的AlN缓冲层上生长Al0.7Ga0.3N缓冲层，厚度为300nm；
步骤4、反应室温度保持为800℃，气压保持为200Torr，通入氨气、氮气和三甲基镓，在步骤3的AlGaN缓冲层上生长GaN层，厚度为400nm；
步骤5、将步骤4生长有GaN层的外延片转移至分子束外延(MBE)反应腔中，衬底温度保持在600℃，在反应室的压力为8.0×10-5Pa、生长速度为0.8ML/s条件下，以MoO3、S粉末和Se粉末为源，在步骤4的GaN层上生长掺杂层(掺杂Se的MoS2层)，厚度为3nm，Se掺杂浓度为1×1018cm-2；
步骤6、衬底温度保持在600℃，在反应室的压力为8.0×10-5Pa、生长速度为0.8ML/s条件下，以MoO3和S粉末为源，在步骤5的掺杂层上生长未掺杂层(未掺杂的MoS2层)，厚度为2nm；
步骤7、依次循环重复步骤5和步骤6各六次，之后再重复步骤5一次，得到完成的MoS2层；
步骤8、在步骤7的MoS2层上光刻源/漏电极图案后，将其转移至电子束蒸发反应腔中，依次蒸镀Ti(0.3nm)/Al(1.5nm)/Ni(0.5nm)/Au(0.6nm)，去胶清洗后，在850℃快速退火30s，得到源电极和漏电极；
步骤9、在步骤7的MoS2层表面光刻栅电极图案，依次热蒸镀Ni(0.6nm)/Au(1.6nm)，去胶清洗，得到栅电极。
本发明的源/漏电极还可以为Ti(2nm)/Au(0.6nm)；本发明的栅电极的结构还可以为Cr(0.3nm)/Pt(0.5nm)/Au(1.6nm)。
本实施例先采用PLD工艺在Si衬底上生长一层AlN缓冲层，紧接着采用MOCVD工艺在AlN缓冲层上生长AlGaN缓冲层和GaN层的改进方法，较之于采用MOCVD工艺生长AlN缓冲层、AlGaN缓冲层和GaN层的常规方法而言，AlN缓冲层的内部缺陷大幅减少，晶体质量显著提高，为后续生长高质量GaN层和MoS2层提供了保证。同时，本实施例采用多个掺杂层和未掺杂层交替叠加而成的MoS2有源层，可明显改善晶体管转移特性的线性度，进而提高了器件性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种MoS2基金属半导体场效应晶体管，其特征在于：自下至上依次包括衬底、AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN层、MoS2层；所述MoS2层的上方设有源电极、漏电极和栅电极；栅电极设置在源电极和漏电极之间；所述MoS2层是由多个掺杂层和未掺杂层交替叠加而成，掺杂层的层数为未掺杂层+1，所述掺杂层为掺杂Se的MoS2层，所述未掺杂层为未掺杂的MoS2层；所述MoS2层的首尾层为掺杂层；所述未掺杂层的层数≥2。
2.根据权利要求1所述MoS2基金属半导体场效应晶体管，其特征在于：掺杂层的厚度为0～5nm且不为0，未掺杂层的厚度为0～4nm且不为0。
3.根据权利要求1所述MoS2基金属半导体场效应晶体管，其特征在于：掺杂层中Se浓度为1×1017～1×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述MoS2基金属半导体场效应晶体管，其特征在于：
AlN缓冲层的厚度为100-250nm；AlGaN缓冲层的厚度为300～500nm，Al/N摩尔比＝0.1～0.9；GaN层的厚度为400～1500nm。
5.根据权利要求1所述MoS2基金属半导体场效应晶体管，其特征在于：AlN缓冲层由脉冲激光沉积法制备，GaAlN缓冲层和GaN缓冲层由金属有机化合物无气相外延法制备。
6.根据权利要求1所述MoS2基金属半导体场效应晶体管，其特征在于：所述衬底包括蓝宝石、Si、SiC、GaN、ZnO、LiGaO2、LaSrAlTaO6、Al或Cu。
7.根据权利要求1～6任一项所述MoS2基金属半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在衬底上通过脉冲激光沉积法生长一层AlN缓冲层；
(2)通过金属有机化合物无气相外延法，在AlN缓冲层上依次生长AlGaN缓冲层和GaN层；
(3)通过分子束外延法，在GaN层上生长MoS2层；MoS2层由多个掺杂层和未掺杂层交替叠加而成，掺杂层的层数为未掺杂层+1，所述掺杂层为掺杂Se的MoS2层，所述未掺杂层为未掺杂的MoS2层；所述MoS2层的首尾层为掺杂层，掺杂Se的MoS2层中Se掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3；
(4)通过电子束蒸发法和剥离技术，在MoS2层上沉积金属层，形成欧姆接触电极，作为源/漏电极；
(5)通过电子束蒸发法和剥离技术，在MoS2层上沉积金属层，形成肖特基接触电极，作为栅电极。
8.根据权利要求7所述MoS2基金属半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于：在GaN层上生长MoS2层具体步骤为：
(a)以MoO3、S粉末和Se粉末为源，在GaN层上生长掺杂Se的MoS2掺杂层，厚度为0～5nm，Se掺杂浓度为1×1017～1×1019cm-3；
(b)以MoO3和S粉末为源，在掺杂Se的MoS2掺杂层上生长不掺杂的MoS2层，厚度为0～4nm；
(c)依次循环重复步骤(a)和(b)，重复的次数为x次，重复的次数为x次，之后再重复步骤(a)一次，得到MoS2层；x≥2。
9.根据权利要求7所述MoS2基金属半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述在MoS2层上沉积金属层是指在MoS2层上依次沉积Ti/Al/Ni/Au四金属层或Ti/Au两金属层，高温退火，形成欧姆接触电极；
步骤(5)中所述在MoS2层上沉积金属层是指在MoS2层上依次沉积Ni/Au两层金属或Cr/Pt/Au三金属层，形成肖特基接触电极，作为栅电极。
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