CN108987483A - 一种MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用。所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，包括：一复合基底，由下层Si层和上层SiO2层复合组成；一MoTe2纳米片，位于SiO2层表面；一源极，位于MoTe2纳米片表面；一漏极，位于MoTe2纳米片表面；一栅极，位于SiO2层表面；一离子胶体层，覆盖于MoTe2纳米片、源极、漏极及栅极。本发明用机械剥离方法，获取MoTe2纳米片并转移到硅/氧化硅衬底上，通过电子束曝光、热蒸镀金电极、转移离子胶体等工艺获得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管。本发明所获得MoTe2场效应晶体管为N型，其开关比高，开启电流可达微安级别。同时本发明所述方法制备工艺简单，可用于半导体器件制备相关领域。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用。
背景技术
由于超薄的厚度、良好的机械性能、可精确调控的能带间隙及其与硅基技术高度的兼容性，二维层状材料在场效应晶体管、存储器和光电探测器等领域展示出巨大的应用前景。
二碲化钼(MoTe2)是一种重要的二维层状材料，MoTe2薄层具有近0.9eV的间接带隙，它对电子和空穴都具有良好的传输能力，常见的MoTe2场效应晶体管显示为双极性。
然而对于许多电子器件，具有单极传输曲线的沟道材料是必要的。为了实现单极MoTe2的传输特性，现有研究已经发现了一些方法，如对材料的表面进行修饰，但这些方法制备过程相对复杂，不利于工业化生产。因此，如何通过简单方法获得具有单极性传输性能以及低功耗的MoTe2器件仍是目前亟待解决的技术问题之一。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用。本发明通过在MoTe2场效应晶体管上覆盖离子胶体层，从而在离子材料和晶体管通道的界面处形成双电层(EDL)，进而调控器件传输过程，获得单极性传输器件，同时界面处的高电容可实现MoTe2通道高电荷密度的累积，提高器件性能。所得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管显示为N型，可实现单极性传输、开关比可达6个数量级，开启电流可达微安级别。本发明所述制备方法步骤简单、成本相对较低。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，包括：
一复合基底，由下层Si层和上层SiO2层复合组成；
一MoTe2纳米片，位于SiO2层表面；
一源极，位于MoTe2纳米片表面；
一漏极，位于MoTe2纳米片表面；
一栅极，位于SiO2层表面；
一离子胶体层，覆盖于MoTe2纳米片、源极、漏极及栅极。
所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管显示为N型，具有单极性传输特性，其开关比达到6个数量级，开启电流可达微安级别。
优选地，所述SiO2层的厚度为50～500纳米，进一步优选厚度为300-310nm。
优选地，所述MoTe2纳米片的厚度为5-15nm，优选10-11nm，呈不规则图案，最长边达10-20微米。
优选地，所述源极、漏极、栅极的材质为金、铬两种；所述源极、漏极、栅极的层结构为下层铬薄层，上层金薄层；所述铬薄层厚度为5～20纳米，优选8-9纳米；所述金薄层厚度为50～100纳米，优选60-62纳米。
本发明还提供一种MoTe2场效应晶体管制备方法，包括：
(1)通过机械剥离的方法获取MoTe2纳米片，并将其转移至复合基底中SiO2层的表面；
(2)通过标准电子束曝光、金属沉积方法在MoTe2纳米片表面形成源极、漏极，在SiO2层表面形成栅极；
(3)将离子胶体旋涂于SiO2层表面，并覆盖MoTe2纳米片、源极、漏极、栅极，得到离子胶体门控制的场效应晶体管。
其中，步骤(1)中，所述机械剥离优选利用胶带反复粘贴MoTe2块体材料，并通过粘贴次数控制纳米片厚度。
所述胶带选自3M透明胶带、普通透明胶带、绝缘胶带中的一种；优选地，所述胶带为3M透明胶带。
所述MoTe2纳米片的转移具体包括：在光学显微镜辅助下，将胶带上的MoTe2纳米片转移至复合基底的SiO2层表面，然后将胶带薄膜揭下即可。
步骤(2)中，所述金属沉积顺序为先铬后金。
步骤(3)中，所述离子胶体由离子液体与有机聚合物在室温下充分搅拌混合所得；所述离子液体为高氯酸锂(LiClO4)的甲醇溶液，所述有机聚合物为聚环氧乙烷(PEO)；优选地，所述离子胶体由聚环氧乙烷、高氯酸锂、甲醇按质量比(0.1-2)：(0.01-0.5)：(10-100)混合；优选质量比为1:0.12:40。
步骤(3)中，所述旋涂的操作条件为：第一阶段为500-510rpm，5-10秒；第二阶段5000-5100rpm，50-80秒；所述旋涂的操作条件为：第一阶段为500rpm，5秒；第二阶段5000rpm，60秒。
本发明还提供上述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管在场效应晶体管、存储器和光电探测器等领域中的应用。
与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在MoTe2场效应晶体管上覆盖离子胶体层，从而在离子材料和晶体管通道的界面处形成双电层(EDL)，从而调控器件传输过程获得单极性传输器件；同时界面处的高电容实现MoTe2通道高电荷密度的累积，提高器件性能。本发明所得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管显示为N型，可实现单极性传输、开关比可达6个数量级，开启电流可达微安级别。
附图说明
图1为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的结构模型图；
图2为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管光学显微镜(OM)图，器件电极为Cr/Au(8nm/60nm)；
图3为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的转移曲线图；
图4为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的输出曲线图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备
(1)利用透明胶带反复粘贴相应的块体材料，得到MoTe2纳米片；直接将透明胶带上的MoTe2纳米片放在带有300纳米厚二氧化硅层的硅基底上；在光学显微镜的辅助下，选取10纳米厚的MoTe2纳米片。
(2)利用标准电子束曝光和金属沉积法制得金属电极。金属沉积顺序为8纳米厚的铬和60纳米厚的金。
(3)将5μL离子胶旋涂在基本表面覆盖整个器件范围。离子胶体混合物为聚环氧乙烷、高氯酸锂、甲醇，其质量比为：1:0.12:40，通过搅拌均匀获得。离子胶旋涂过程第一阶段为500rpm，5秒，第二阶段5000rpm，60秒。
以下部分简要阐明其性能指标：
图1为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的结构模型图。
图2为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管光学显微镜(OM)图。
由图2可以看出，机械剥离MoTe2纳米片呈不规则形状，一个金属电极放在MoTe2纳米片上作为漏极，一个金属电极放在MoTe2纳米片另一边上作为源极，一个金属放在SiO2/Si基底上上作为栅极，另有一备用电极在MoTe2纳米片上。离子胶体覆盖三个电极范围。
效果验证
对实施例1制备离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管进行传输性能检测。
图3为实施例1所得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管转移曲线，偏压设置为0.5伏特，扫描栅极电压为-3～3伏特，器件展现出超高电流开关比(1×108)和高开启电流1微安，实现低功耗。
图4为实施例1所得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的输出曲线图，栅极电压为1伏特，扫描源漏极两端偏压为-1～1伏特，最大输出电流为1微安。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，包括：
一复合基底，由下层Si层和上层SiO2层复合组成；
一MoTe2纳米片，位于SiO2层表面；
一源极，位于MoTe2纳米片表面；
一漏极，位于MoTe2纳米片表面；
一栅极，位于SiO2层表面；
一离子胶体层，覆盖于MoTe2纳米片、源极、漏极及栅极。
2.根据权利要求1所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管显示为N型，具有单极性传输特性，其开关比达到6个数量级，开启电流达微安级别。
3.根据权利要求1或2所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述SiO2层的厚度为50～500纳米，进一步优选厚度为300-310nm。
4.根据权利要求1-3任一所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述MoTe2纳米片的厚度为5-15nm，优选10-11nm，呈不规则图案，最长边达10-20微米。
5.根据权利要求1-4任一所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述源极、漏极、栅极的材质为金、铬两种；
所述源极、漏极、栅极的层结构为下层铬薄层，上层金薄层；
所述铬薄层厚度为5～20纳米，优选8-9纳米；
所述金薄层厚度为50～100纳米，优选60-62纳米。
6.一种MoTe2场效应晶体管制备方法，其特征在于，包括：
(1)通过机械剥离的方法获取MoTe2纳米片，并将其转移至复合基底中SiO2层的表面；
(2)通过标准电子束曝光、金属沉积方法在MoTe2纳米片表面形成源极、漏极；在SiO2层表面形成栅极；
(3)将离子胶体旋涂于SiO2层表面，并覆盖MoTe2纳米片、源极、漏极、栅极，得到离子胶体门控制的场效应晶体管。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述机械剥离利用胶带反复粘贴MoTe2块体材料，并通过粘贴次数控制纳米片厚度；
所述胶带选自3M透明胶带、普通透明胶带、绝缘胶带中的一种；优选地，所述胶带为3M透明胶带。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述离子胶体由离子液体与有机聚合物在室温下搅拌混合所得；
所述离子液体为高氯酸锂的甲醇溶液，所述有机聚合物为聚环氧乙烷；
优选地，所述离子胶体由聚环氧乙烷、高氯酸锂、甲醇按质量比(0.1-2)：(0.01-0.5)：(10-100)混合；优选质量比为1:0.12:40。
9.根据权利要求6-8任一所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述旋涂的操作条件为：第一阶段为500-510rpm，5-10秒；第二阶段5000-5100rpm，50-80秒；
优选地，所述旋涂的操作条件为：第一阶段为500rpm，5秒；第二阶段5000rpm，60秒。
10.权利要求1-5任一所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管在场效应晶体管、存储器和光电探测器领域中的应用。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109727846A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-05-07 | 北京大学 | 大面积制备金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结的方法及应用 |
| CN109727846B (zh) * | 2018-12-19 | 2020-07-28 | 北京大学 | 大面积制备金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结的方法及应用 |
| CN111584612A (zh) * | 2019-04-12 | 2020-08-25 | 北京纳米能源与系统研究所 | 全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列 |
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| CN113555435A (zh) * | 2020-04-26 | 2021-10-26 | 中国科学院物理研究所 | 一种具有离子液体栅极的器件及其制备方法和应用 |
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| CN108987483B (zh) | 2021-11-23 |
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