CN109755307A - 一种基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管及测量装置，晶体管包括绝缘层、金属电极层、二维材料薄膜层、二维材料薄膜层和二维材料薄膜层；金属电极层包括漏电极层，源电极层和栅电极层；二维材料薄膜层和二维材料薄膜层铺设在绝缘层上，二维材料薄膜层位于两者堆叠部位之间，源电极层覆盖在二维材料薄膜层的非堆叠部位，漏电极层覆盖在堆叠部位上方或者二维材料薄膜层的非堆叠部位，栅电极层与绝缘层连接。本发明测量装置，包括前述基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管、电压源及电流表。本发明的晶体管降低了场效应晶体管的亚阈值摆幅＜1mV/dec，实现低功耗，此外，减小器件尺寸，提高器件稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及晶体管及测量装置，特别涉及一种基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管及测量装置。
背景技术
信息技术的快速发展依赖于晶体管数目的不断增加和晶体管尺寸的不断缩小。然而，硅基晶体管在进一步小型化时遇到了两个致命的瓶颈。一个是器件尺寸的缩小导致栅极电压失去了对晶体管的控制，无法完全关闭晶体管。另一个问题是功耗无法降低，原因是热发射模型限制了室温下场效应晶体管的亚阈值摆幅小于60mV/dec。这限制了晶体管的电压的进一步降低，也就限制了低功耗的实现。为了降低操作电压，器件的亚阈值摆幅必须打破热激发模型的限制，因此需要新原理器件的研发。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，该晶体管降低了场效应晶体管的亚阈值摆幅＜1mV/dec，实现低功耗，此外，减小器件尺寸，提高器件稳定性。
本发明的另一目的是提供一种雪崩场效应的测量装置。
技术方案：本发明的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，包括绝缘层、金属电极层、第一二维材料薄膜层、第二二维材料薄膜层和第三二维材料薄膜层；金属电极层包括漏电极层、源电极层和栅电极层；第一二维材料薄膜层和第三二维材料薄膜层铺设在绝缘层上，第二二维材料薄膜层位于两者堆叠部位之间，源电极层覆盖在第一二维材料薄膜层的非堆叠部位，漏电极层覆盖在堆叠部位上方或者第三二维材料薄膜层的非堆叠部位，栅电极层与绝缘层连接。
进一步地，所述栅电极层位于绝缘层下方。
进一步地，所述栅电极层位于绝缘层上方，并通过另一绝缘层与所述漏电极层、源电极层和第三二维材料薄膜层连接。
进一步地，所述栅电极层为两个，一个位于绝缘层下方，另一个位于绝缘层上方，并通过另一绝缘层与所述漏电极层、源电极层和第三二维材料薄膜层连接。
进一步地，所述第一二维材料薄膜层为石墨烯。
进一步地，所述第二二维材料薄膜层为p型二维单晶材料，第三二维材料薄膜层为n型二维单晶材料。
进一步地，所述第二二维材料薄膜层为n型二维单晶材料，第三二维材料薄膜层为p型二维单晶材料。
进一步地，所述绝缘层为二氧化硅层、氧化铝层或氧化铪层。
进一步地，所述漏电极层覆盖在第三二维材料薄膜层的非堆叠部位。
所述第一二维材料薄膜层用作电极材料，第二二维材料薄膜层用作沟道材料，第三二维材料薄膜层用作沟道材料和电极材料。
所述雪崩场效应的测量装置，包括前述基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管、电压源及电流表；源电极层连接电压源的负极并接地，电压源的正极通过电流表连接漏电极层，栅电极层连接另一个电压源的正极，两个电压源的负极连接在一起并接地。
有益效果：本发明在水平方向的尺寸不受限制，实现器件的小型化；实现了直接跳变5个电流量级亚阈值摆幅小于1mV/dec，能耗低；具有极好的重复性和极小的回置特性，稳定性好，器件重复10000次后仍旧可以正常工作，回置电压小于0.5V，回置电压不到所加栅极电压的1％；晶体管的沟道长度低至十纳米左右，沟道长度小于载流子的平均自由程。
附图说明
图1为实施例1晶体管的正视图；
图2为实施例1晶体管的俯视图；
图3为实施例1晶体管的右视图；
图4为实施例1晶体管的超低亚阈值摆幅图；
图5为实施例1晶体管的可重复性测试图；
图6为实施例2探测器的正视图；
图7为实施例3探测器的正视图。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2及图3所示，本实施例基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，包括绝缘层2、金属电极层、第一二维材料薄膜层4、第二二维材料薄膜层5和第三二维材料薄膜层6；金属电极层包括漏电极层31、源电极层32和栅电极层33；第一二维材料薄膜层4和第三二维材料薄膜层6铺设在绝缘层2上，第二二维材料薄膜层5位于两者堆叠部位之间，源电极层32覆盖在第一二维材料薄膜层4的非堆叠部位，漏电极层31覆盖在堆叠部位上方或者第三二维材料薄膜层6的非堆叠部位，栅电极层33位于绝缘层2下方。
本实施例中，漏电极层31，源电极层32及栅电极层33均由5nm厚的钛及50nm厚的金组成，可以根据实际生产情况调整厚度。
如图1所示，基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管还包括基底1，该基底1设置在绝缘层2下面，起到支撑的作用，基底1可以为硅等绝缘性材料，本实施例仅以硅为例进行说明。
二维材料薄膜层4，5和6为本实施例核心部分。二维材料薄膜层4为石墨烯等不会完全屏蔽电场的电极材料。二维材料薄膜层5为黑磷(BP)等p型材料，其厚度优选为2-20纳米。二维材料薄膜层6为硒化铟(InSe)等n型材料，其厚度优选为2-20纳米。该垂直雪崩场效应晶体管的沟道长度优选为十纳米左右，沟道长度小于载流子的平均自由程。因此该垂直雪崩场效应晶体管中的雪崩机制是弹道雪崩。该垂直雪崩场效应晶体管有利于进一步实现器件的小型化，因为该器件在水平方向的尺寸不受限制。
如图4所示，该垂直雪崩场效应晶体管实现了直接跳变5个电流量级亚阈值摆幅小于1mV/dec。该垂直雪崩场效应晶体管还表现出了极好的重复性和极小的回置特性，如图5所示，器件重复10000次后仍旧可以正常工作，回置电压小于0.5V，回置电压不到所加栅极电压的1％。
本实施例中的n型二维材料薄膜层可以为硒化铟、过渡金属硫族化物，过渡金属硫族化物可以为硫化钼及锡化钼等，p型二维材料薄膜层可以为黑磷、硒化锡等，并非用于限定。“透明”(不会完全屏蔽背栅的场效应)材料可以是少层石墨烯，也可以是其它材料。
本实施例的绝缘层2可以是绝缘材料及介电材料，绝缘材料可以是二氧化硅层、氧化铝或氧化铪等，本实施例仅以二氧化硅层作为绝缘层进行说明，并非用于限定。
下面结合具体的例子简单介绍基于二维材料的垂直异质结雪崩场效应晶体管的制作过程：
(1)二维材料石墨烯、硒化铟和黑磷的获得方法：
a、在手套箱中在加工完后的氧化硅片上机械剥离出硒化铟薄膜晶体；
b、在手套箱中在加工完后的氧化硅片上机械剥离出黑磷薄膜晶体；
c、在手套箱中在加工完后的氧化硅片上机械剥离出石墨烯薄膜晶体。
(2)二维材料异质结(为三层二维材料堆叠部分)的获得方法：
在手套箱中用PPC将硒化铟从硅片上粘起来，然后再用PPC上的硒化铟将黑磷薄膜单晶从硅片上粘起来，最后再将PPC上的硒化铟和黑磷异质结释放到解离好的少层石墨烯上。器件制作过程全部在手套箱中进行，保证材料和界面的干净，转移为全干法转移。
(3)通过电子束曝光和电子束蒸镀的方法制作金属电极层：
将转移好的二维材料异质结迅速旋涂一层PMMA，并快速转移到电子束曝光系统中，利用电子束在光刻胶上写下特定的形状，被电子束写过的光刻胶性质发生改变，在显影液中浸泡后被去除，没有被电子束写过的光刻胶则没有发生变化。根据样品的形状制作出图1所示的电极31和32，将电子束曝光之后的样品连同氧化硅片和基底一起浸入显影液中将曝光的图形显影出来，然后迅速放入电子束蒸镀系统，在高真空下先蒸镀5nm钛，再蒸镀50nm金。蒸镀完金属电极后将样品放入丙酮溶液中，去除剩余的PMMA以及附着在上面的金属，这样相应的金属电极层就制作完成了。
将上述各组件采用常规的组装方法制成本实施例的晶体管。
本实施例的雪崩场效应的测量装置，包括前述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管、电压源及电流表；源电极层32连接电压源的负极并接地，电压源的正极通过电流表连接漏电极层31，栅电极层33连接另一个电压源的正极，两个电压源的负极连接在一起并接地。
测量过程中，漏电极层31施加一个可以使异质结发生雪崩的反向偏压，调节栅极电压33可使雪崩场效应晶体管的雪崩开关状态发生改变。
本发明不同于传统的场效应晶体管，具体阐述如下：
(1)二维层状材料垂直异质结雪崩场效应晶体管的材料是基于二维材料的，厚度低至10纳米左右，雪崩发生在黑磷垂直方向的沟道中，完全有别于传统的水平场效应晶体管。
(2)基于二维层状材料垂直异质结的雪崩场效应晶体管开关比达到5个量级的平均亚阈值摆幅小于1mV/dec，而传统的场效应晶体管的亚阈值摆幅大于60mV/dec，如图4所示。
(3)基于二维材料垂直异质结的雪崩场效应晶体管的工作原理与传统的雪崩不一样，基于二维材料异质结的雪崩场效应晶体管雪崩是垂直方向上的弹道雪崩，而传统的雪崩是水平方向上的声子散射的雪崩。该垂直雪崩场效应晶体管还表现出了极好的重复性和极小的回置特性，器件重复10000次后仍旧可以正常工作，回置电压小于0.5V，回置电压不到所加栅极电压的1％。基于二维材料异质结的雪崩场效应晶体管的详细结构与图1至图3中描述相同，请参见图1至图3及上述对应的描述，不再赘述。
实施例2
如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于：栅电极层33位于绝缘层2上方，并通过另一绝缘层2与所述漏电极层31、源电极层32和第三二维材料薄膜层6连接。第三二维材料薄膜层5为n型二维单晶材料，第二二维材料薄膜层6为p型二维单晶材料。
实施例3
如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于：栅电极层33为两个，一个位于绝缘层2下方，另一个位于绝缘层2上方，并通过另一绝缘层2与所述漏电极层31、源电极层32和第三二维材料薄膜层6连接。
Claims (10)
1.一种基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，其特征在于：包括绝缘层(2)、金属电极层、第一二维材料薄膜层(4)、第二二维材料薄膜层(5)和第三二维材料薄膜层(6)；金属电极层包括漏电极层(31)、源电极层(32)和栅电极层(33)；第一二维材料薄膜层(4)和第三二维材料薄膜层(6)铺设在绝缘层(2)上，第二二维材料薄膜层(5)位于两者堆叠部位之间，源电极层(32)覆盖在第一二维材料薄膜层(4)的非堆叠部位，漏电极层(31)覆盖在堆叠部位上方或者第三二维材料薄膜层(6)的非堆叠部位，栅电极层(33)与绝缘层(2)连接。
2.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，其特征在于：所述栅电极层(33)位于绝缘层(2)下方。
3.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，其特征在于：所述栅电极层(33)位于绝缘层(2)上方，并通过另一绝缘层(2)与所述漏电极层(31)、源电极层(32)和第三二维材料薄膜层(6)连接。
4.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，其特征在于：所述栅电极层(33)为两个，一个位于绝缘层(2)下方，另一个位于绝缘层(2)上方，并通过另一绝缘层(2)与所述漏电极层(31)、源电极层(32)和第三二维材料薄膜层(6)连接。
5.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，其特征在于：所述第一二维材料薄膜层(4)为石墨烯。
6.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，其特征在于：所述第二二维材料薄膜层(5)为p型二维单晶材料，第三二维材料薄膜层(6)为n型二维单晶材料。
7.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，其特征在于：所述第二二维材料薄膜层(5)为n型二维单晶材料，第三二维材料薄膜层(6)为p型二维单晶材料。
8.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，其特征在于：所述绝缘层(2)为二氧化硅层、氧化铝层或氧化铪层。
9.根据权利要求1所述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管，其特征在于：所述漏电极层(31)覆盖在第三二维材料薄膜层(6)的非堆叠部位。
10.一种雪崩场效应的测量装置，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的基于二维层状材料的雪崩场效应晶体管、电压源及电流表；源电极层(32)连接电压源的负极并接地，电压源的正极通过电流表连接漏电极层(31)，栅电极层(33)连接另一个电压源的正极，两个电压源的负极连接在一起并接地。
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