CN109727846B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种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。该方法是先在衬底上生长二维钼薄膜，通过化学气相沉积法使之转变为半导体相碲化钼薄膜，再通过光刻和刻蚀图形化半导体相碲化钼薄膜，然后生长钼薄膜，剥离得到金属钼和半导体相碲化钼相间的薄膜，进一步通过化学气相沉积法使金属钼薄膜转变为金属相碲化钼薄膜，从而得到金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结。通过该方法制备的金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结场效应晶体管阵列具有低的接触电阻，提高了载流子的注入效率，提高了器件的电学性能。同时该方法为二维半导体材料在集成电路以及柔性器件方面的应用提供了基础。

Description

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
技术领域
本发明涉及基于二维材料的薄膜晶体管的制备，具体涉及一种大面积制备二维金属相与半导体相接触的薄层碲化钼面内异质结的方法及应用。
背景技术
随着集成电路的发展，传统的硅基互补型金属氧化物半导体场效应晶体管工艺已经接近其物理极限，需要新的材料来延续摩尔定律。二维半导体材料由于其只有一个或几个原子层厚度的特点，可以有效地抑制由于器件沟道尺寸缩小所带来的短沟道效应。但是，由于二维半导体材料表面没有悬挂键，使得传统金属电极与二维半导体材料接触之间会形成隧穿层，从而形成比较大的接触电阻，严重影响了载流子的注入，限制了器件的性能。同时传统的通过重掺杂降低接触电阻的工艺对于二维材料并不适用。制备金属相与半导体相二维材料的面内异质结构并将金属电极与金属相二维材料接触的方法被证明可以有效地降低器件的接触电阻，从而获得高性能的电子器件。但是目前实现该结构的方法主要使用一些不能大规模制备的工艺，仅限于制备单个器件，因此发明一种大面积制备金属相与半导体相接触的二维材料面内异质结构的方法极为重要。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提出一种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，并以此为基础制备了大面积场效应晶体管阵列。
本发明的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，包括以下步骤：
1)在衬底上生长一层1-10nm厚的钼薄膜；
2)以碲单质为碲源，通过化学气相沉积法在衬底上形成半导体相碲化钼薄膜；
3)通过光刻和刻蚀的方法图形化半导体相碲化钼薄膜，然后生长一层1-10nm厚的钼薄膜，剥离光刻胶后得到金属钼和半导体相碲化钼相间的薄膜；
4)以碲单质为碲源，通过化学气相沉积法使步骤3)生长的钼薄膜转变为金属相碲化钼薄膜，从而在衬底上形成金属相碲化钼和半导体相碲化钼相间的薄膜，得到金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结。
上述步骤1)在衬底上生长钼薄膜的方法可以是磁控溅射法、电子束蒸发镀膜等。
上述步骤1)中所述衬底通常是下层为导电层、上层为绝缘层的衬底，例如p+-硅/氧化硅衬底。
上述步骤2)可以在常压管式炉中进行，将表面生长了钼薄膜的衬底和适量碲粉末放入石英舟中，再将石英舟置于管式炉内进行化学气相沉积。
上述步骤2)进行化学气相沉积的温度控制在620～680℃，时间为2～4h，得到半导体相碲化钼。
上述步骤3)刻蚀的方法优选为反应离子刻蚀，刻蚀气体为六氟化硫；生长钼薄膜的方法可以是磁控溅射法、电子束蒸发镀膜等。
上述步骤4)可以在常压管式炉中进行，将步骤3)处理后的样品和适量碲粉末放入石英舟中，再将石英舟置于管式炉内进行化学气相沉积。
上述步骤4)进行化学气相沉积的温度控制在500～530℃，时间在0.5h以上，得到金属相碲化钼。
进一步的，对上述步骤4)得到的金属相碲化钼和半导体相碲化钼相间的薄膜进行光刻和刻蚀，得到金属相-半导体相-金属相结构的二维碲化钼面内异质结的阵列，再通过光刻和蒸发(热蒸发或电子束蒸发)的方法在金属相碲化钼部分制备金属接触电极，即可获得金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结场效应晶体管阵列。
本发明的技术优势主要体现在：
通过本发明方法制备的金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结场效应晶体管阵列具有低的接触电阻，提高了载流子的注入效率，提高了器件的电学性能。同时该方法可以实现集成化的场效应晶体管阵列的制备，为实现基于二维材料的复杂的逻辑电路提供了基础。由于二维材料本身所具有的柔性的特点，该方法制备的器件还可以通过转移到柔性衬底以制备柔性电子器件。该方法为二维半导体材料在集成电路以及柔性器件方面的应用提供了基础。
附图说明
图1.实施例中使用化学气相沉积的方法生长半导体相碲化钼以及金属相碲化钼的示意图，其中：1-管式炉，2-石英管，3-石英舟，4-碲粉，5-衬底；
图2.实施例制备大面积金属相与半导体相接触的薄层碲化钼面内异质结的流程中的薄膜照片，其中：(a)是步骤3)得到的大面积半导体相碲化钼薄膜的光学照片；(b)是步骤4)半导体相碲化钼薄膜经过光刻、刻蚀、蒸镀钼薄膜以及剥离之后的光学照片；(c)是步骤5)经过第二次化学气相沉积生长之后的金属相与半导体相碲化钼相间的结构的光学照片；(d)是经过第二次光刻、刻蚀以及剥离之后的金属相-半导体相-金属相的阵列的光学照片。
图3.实施例步骤6)得到的金属相-半导体相-金属相的碲化钼阵列中金属相(下)和半导体相(上)碲化钼的拉曼光谱。
图4.实施例步骤7)通过光刻、电子束蒸发镀膜以及剥离之后得到的金属相接触的场效应晶体管阵列。
图5.实施例制备的金属相接触的场效应晶体管的电学表征图，其中：(a)是器件的输出曲线；(b)是器件的转移特性曲线；(c)是100个器件的迁移率的统计；(d)是器件的接触电阻随背栅的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例子，进一步阐述本发明。
本实施例大面积制备金属相与半导体相接触的薄层碲化钼面内异质结的方法包括以下步骤：
1)提供衬底，衬底包括下层的导电层以及上层的绝缘层，下层为重掺杂p型Si，上层为SiO2，SiO2厚度为285nm。
2)在衬底上通过磁控溅射的方法蒸镀一层厚度2纳米左右的钼薄膜。
3)参见图1，将碲粉4及蒸有钼薄膜的衬底5放到石英舟3中，然后放置到管式炉1的石英管2中。经过15分钟升温，管式炉温区加热至680℃，保持2小时后自然降温至室温，期间保持5sccm氢气和5sccm氩气的气流，可以得到大面积的薄层半导体相的碲化钼薄膜，如图2中(a)图所示。
4)大面积的半导体相碲化钼薄膜通过光刻、反应离子刻蚀图形化，然后磁控溅射蒸镀厚度2纳米左右的钼薄膜，剥离之后得到了半导体相与钼薄膜条状相间的结构，如图2中(b)图所示。其中反应离子刻蚀使用的气体是30sccm的六氟化硫气体和5sccm的氩气，刻蚀功率为70W，刻蚀压强10Pa，刻蚀时间1.5分钟。
5)将步骤4)得到的衬底放到管式炉中进行第二次化学气相沉积生长。生长方法如步骤3)所述，管式炉加热的温度降为530℃，生长时间降为0.5小时，其他条件保持不变，即可得到半导体相与金属相碲化钼条状相间的结构，如图2中(c)图所示。
6)将步骤5)得到的样品通过光刻、刻蚀及剥离的步骤得到金属相-半导体相-金属相碲化钼的阵列，如图2中(d)图所示。经过图5中拉曼光谱的确认，我们确实得到了金属相碲化钼接触半导体相碲化钼的结构。
7)将步骤6)得到的阵列再次经过光刻、刻蚀、电子束蒸发镀膜以及剥离的步骤即可得到金属相接触的场效应晶体管阵列，如图4所示。
对得到的场效应晶体管进行了室温下的电学测量，包括输出曲线和转移特性曲线，分别如图5中(a)、(b)图所示。对100个器件进行测量后，统计了器件的迁移率，如图5中(c)图所示，表明通过该方法得到的器件具有相对较高的迁移率。同时对器件的接触电阻进行测量后，发现通过该方法得到的器件在开态下的接触电阻仅为1.7kΩμm，如图5中(d)图所示。
最后需要注意的是，公布实施例子的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例子所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种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，包括以下步骤：
1)在衬底上生长一层1-10nm厚的钼薄膜；
2)以碲单质为碲源，通过化学气相沉积法在衬底上形成半导体相碲化钼薄膜；
3)通过光刻和刻蚀的方法图形化半导体相碲化钼薄膜，然后生长一层1-10nm厚的钼薄膜，剥离光刻胶后得到金属钼和半导体相碲化钼相间的薄膜；
4)以碲单质为碲源，通过化学气相沉积法使步骤3)生长的钼薄膜转变为金属相碲化钼薄膜，从而在衬底上形成金属相碲化钼和半导体相碲化钼相间的薄膜，得到金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)和步骤3)中生长钼薄膜的方法是磁控溅射法或电子束蒸发镀膜。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述衬底是下层为导电层、上层为绝缘层的衬底。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)和步骤4)在常压管式炉中进行，将前一步骤处理后的样品和适量碲粉末放入石英舟中，再将石英舟置于管式炉内进行化学气相沉积。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)进行化学气相沉积的温度控制在620～680℃，时间为2～4h，得到半导体相碲化钼。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)刻蚀的方法为反应离子刻蚀，刻蚀气体为六氟化硫。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)进行化学气相沉积的温度控制在500～530℃，时间在0.5h以上，得到金属相碲化钼。
8.一种制备金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结场效应晶体管阵列的方法，其特征在于，根据权利要求1～7任一所述的方法在衬底上形成金属相碲化钼和半导体相碲化钼相间的薄膜，然后进行光刻和刻蚀，得到金属相-半导体相-金属相结构的二维碲化钼面内异质结的阵列，再通过光刻和蒸发的方法在金属相碲化钼部分制备金属接触电极，即可获得金属相与半导体相接触的二维碲化钼面内异质结场效应晶体管阵列。
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