CN110212025A - 一种基于二硒化铂半导体的场效应管阵列及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二硒化铂半导体的场效应管阵列及制备方法，该方法首先利用离子束溅射，结合金属掩模版在有氧化层的硅衬底上镀一层图案化的超薄铂金属层；然后将金属铂层置于高温管式炉中硒化，生成图案化的二硒化铂；随后利用光刻技术，结合剥离工艺在图案化的二硒化铂上制备金属源极和漏极，形成基于二硒化铂半导体的场效应晶体管阵列，其中单个场效应管可随二硒化铂半导体薄膜的厚度不同表现为P型或双极性的输出特性。本方法可用于研制基于大面积二维半导体薄膜的大规模集成器件，工艺简单，受环境影响小，可有效提高器件电学性能及可靠性，为二维材料器件的功能化应用提供了有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于二硒化铂的阵列型器件及制备方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术
自2004年发现石墨烯以来，二维原子晶体材料开始进入人们的视野，并因其在电、力、热、磁等方面的奇异特性，快速引起了二维原子晶体材料的研究热潮。石墨烯作为第一个二维原子晶体材料，它具有超高的电子迁移率，高的机械强度，高的透光率，但由于它的零带隙特征，限制了它在半导体行业的发展；随后过渡金属硫化物的出现给半导体行业带来了契机，与石墨烯相比，这类材料的迁移率有所降低，但具有1eV左右的禁带宽度，而且其禁带宽度还随着厚度、压力、原子掺杂等因素发生改变，故这类二维材料在半导体行业中具有广泛的应用，比如光电探测器、发光器件、生物传感器等。
二维的二硒化铂材料最早是于2015年被制备出来的[Nano letters,15,6(2015)]。根据理论计算，单层1T相的二硒化铂具有高达4000cm2V-1s-1的迁移率，且它的电子能带可以从随厚度增加而逐渐从半导体转变为半金属[Nature Communicatio,9,919(2018)]。目前关于二硒化铂材料生长和器件制备的研究主要分为两类，第一类是利用机械剥离法从块状的二硒化铂材料上剥离出少层的二硒化铂，这种方法制备的材料质量高，电学性能优越，迁移率可达200cm2V-1s-1以上[Advanced Materials,29,5(2017)]，但却限制于尺寸，仅适用于基础研究；第二类则是利用化学气相沉积法制备大面积的二硒化铂薄膜，但目前制备的二硒化铂薄膜质量均较差，基于此类二硒化铂制备的电学器件缺乏调控，必须与其他材料共同作用，一定程度上掩盖了二硒化铂的本身电学特性。基于上述分析，针对二硒化铂材料在电学方面的出色能力以及它在半导体行业的应用需求，迫切需要一种方法制备大面积的具有出色电学性质的二硒化铂，且制备出相应的电学器件用于应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于二硒化铂半导体的场效应管阵列及制备方法，该方法综合利用了双离子束溅射技术，化学气相沉积技术和场效应管器件制备工艺，能制备出高质量的二硒化铂薄膜和基于该薄膜的阵列型器件。
该方法首先利用金属掩模版制备图案化的铂层，再使铂和硒在高温下反应生成二硒化铂，二硒化铂的厚度可由铂层的厚度精确控制。在制备过程中，高温结晶、重结晶和退火过程大大减少了二硒化铂的缺陷，增大了二硒化铂的晶畴，提高了二硒化铂薄膜的质量，从而制备了大面积且电学性质优异的二硒化铂半导体薄膜。而且，本方法的器件制备工艺可以直接在图案化的二硒化铂薄膜上进行，无需将对材料进行刻蚀、转移等工艺，避免了外界环境因素对材料和器件性能的影响，保障了器件的良率和性能。本发明制备的场效应管还可根据二硒化铂厚度的不同表现为P型或双极性的输出特性，其中二硒化铂薄膜较厚时场效应管表现为P型输出特性，薄膜较薄时场效应管表现为双极性输出特性。
本发明是一种基于二硒化铂半导体的场效应管阵列及制备方法，其特征在于，器件从上到下依次包括：
金层1、钛层2、二硒化铂3、氧化层4、衬底5，
其中金层1为厚度45纳米的金电极；
其中钛层2为厚度为15纳米的接触金属；
其中二硒化铂3为图案化的二硒化铂半导体薄膜，其厚度为1.6-4.7纳米；
其中氧化层4为二氧化硅，厚度为285纳米；
其中衬底5为重掺杂的硅衬底。
本发明是一种基于二硒化铂半导体的场效应管阵列及制备方法，其特征在于，列阵型器件的制备包括：
1)利用紫外光刻技术，结合热蒸发及剥离工艺制备场效应器件的源极和漏极，电极的接触金属为钛，从而形成背栅结构的二硒化铂半导体薄膜场效应管阵列。
2)单个场效应器件的沟道长度为5-12微米，宽度为100-180微米。
本发明是一种基于二硒化铂半导体的场效应管阵列及制备方法，其特征在于，二硒化铂半导体薄膜的制备包括以下步骤：
1)使用金属掩模版，结合离子束溅射的方法在氧化层上溅射一层图案化的金属铂层，厚度为1.1-2.5纳米；
2)将溅射有铂的衬底倒扣在陶瓷舟里的硒粉上，铂与硒粉之间留有一定间距；
3)陶瓷舟随着管式炉升温，60分钟内将管式炉加热到650度，并保持10分钟；
4)将陶瓷舟快速拉出加热区域并降至常温；
5)再次将陶瓷舟加热至250度并保持20分钟；
6)结束后，再次将陶瓷舟快速拉出加热区域并降至常温，得到图案化的二硒化铂半导体薄膜，其厚度为1.6至4.6纳米。
本发明专利的优点在于：发明了利用金属掩模版制备图案化二硒化铂半导体薄膜的技术，并基于此制备了二硒化铂半导体的场效应管阵列，减少了器件制备工艺中转移和刻蚀的工艺，实现了材料生长和器件制备的一体化。同时，本发明制备的场效应管还可根据二硒化铂薄膜厚度的不同表现为P型或双极性的输出特性，为二维二硒化铂材料的功能化应用提供了有效途径。
附图说明
图1为制备的基于二硒化铂半导体薄膜的场效应管阵列截面示意图。图中：1金层、2钛层、3二硒化铂、4氧化层、5衬底。
图2为基于1.6纳米厚度的二硒化铂半导体场效应管的输出特性。
图3为基于4.1纳米厚度的二硒化铂半导体场效应管的输出特性。
图4为基于4.7纳米厚度的二硒化铂场半导体效应管的输出特性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
1)利用金属掩模版，结合离子束溅射的方法在氧化层上镀一层1.1纳米厚的图案化铂金属层；
2)称取500毫克的硒粉，放置于陶瓷舟内，并将步骤1中的铂金属层倒扣在陶瓷舟里的硒粉上，铂与硒粉之间保持一定间距；
3)陶瓷舟放置于石英管内，将石英管抽真空至25毫托以下，通入氮气至一个大气压，重复抽真空和充氮气三次，排除石英管内空气，调节针形阀，使管内气压维持在750托，保持氮气流速为50标准毫升每分钟；
4)陶瓷舟与管式炉同时升温，10分钟内从常温升到100度，保持10分钟，再于60分钟内将管式炉升温到650度，保持10分钟；
5)结束后，将步骤4中陶瓷舟快速拉出加热区域，20分钟降至常温，同时将管式炉温度降至250度；
6)将步骤5中陶瓷舟送入加热区域加热20分钟，结束后将陶瓷舟快速拉出加热区域并自然降至常温，取出样品，得到图案化的二硒化铂，厚度为1.6纳米。
7)利用紫外光刻技术，结合双离子束溅射以及剥离技术在步骤6的二硒化铂上制备金属电极，其中下层接触电极为15纳米的钛，上层电极为45纳米的金，从而形成背栅结构的二硒化铂半导体场效应器件阵列，单个沟道的长度为5微米，宽度为100微米。
8)电学测试表明步骤7中制得的二硒化铂场效应器件为双极性的输出特性，其性能测试结果如图2所示。
实施例2
1)利用金属掩模版，结合离子束溅射的方法在氧化层上镀一层2纳米厚的图案化铂金属层；
2)称取500毫克的硒粉，放置于陶瓷舟内，并将步骤1中的铂金属层倒扣在陶瓷舟里的硒粉上，铂与硒粉之间保持一定间距；
3)陶瓷舟放置于石英管内，将石英管抽真空至25毫托以下，通入氮气至一个大气压，重复抽真空和充氮气三次，排除石英管内空气，调节针形阀，使管内气压维持在750托，保持氮气流速为50标准毫升每分钟；
4)陶瓷舟与管式炉同时升温，10分钟内从常温升到100度，保持10分钟，再于60分钟内将管式炉升温到650度，保持10分钟；
5)结束后，将步骤4中陶瓷舟快速拉出加热区域，20分钟降至常温，同时将管式炉温度降至250度；
6)将步骤5中陶瓷舟送入加热区域加热20分钟，结束后将陶瓷舟快速拉出加热区域并自然降至常温，取出样品，得到图案化的二硒化铂，厚度为4.1纳米。
7)利用紫外光刻技术，结合双离子束溅射以及剥离技术在步骤6的二硒化铂上制备金属电极，其中下层接触电极为15纳米的钛，上层电极为45纳米的金，从而形成背栅结构的二硒化铂半导体场效应器件阵列，单个沟道的长度为8微米，宽度为150微米。
8)电学测试表明步骤7中制得的二硒化铂场效应器件为P型输出特性，其性能测试结果如图3所示。
实施例3
1)利用金属掩模版，结合离子束溅射的方法在氧化层上镀一层2.5纳米厚的图案化铂金属层；
2)称取500毫克的硒粉，放置于陶瓷舟内，并将步骤1中的铂金属层倒扣在陶瓷舟里的硒粉上，铂与硒粉之间保持一定间距；
3)陶瓷舟放置于石英管内，将石英管抽真空至25毫托以下，通入氮气至一个大气压，重复抽真空和充氮气三次，排除石英管内空气，调节针形阀，使管内气压维持在750托，保持氮气流速为50标准毫升每分钟；
4)陶瓷舟与管式炉同时升温，10分钟内从常温升到100度，保持10分钟，再于60分钟内将管式炉升温到650度，保持10分钟；
5)结束后，将步骤4中陶瓷舟快速拉出加热区域，20分钟降至常温，同时将管式炉温度降至250度；
6)将步骤5中陶瓷舟送入加热区域加热20分钟，结束后将陶瓷舟快速拉出加热区域并自然降至常温，取出样品，得到图案化的二硒化铂，厚度为4.7纳米。
7)利用紫外光刻技术，结合双离子束溅射以及剥离技术在步骤6的二硒化铂上制备金属电极，其中下层接触电极为15纳米的钛，上层电极为45纳米的金，从而形成背栅结构的二硒化铂半导体场效应器件阵列，单个沟道的长度为12微米，宽度为180微米。
8)电学测试表明步骤7中制得的二硒化铂场效应器件为P型输出特性，其性能测试结果如图4所示。
Claims (3)
1.一种基于二硒化铂半导体的场效应管阵列，包括金层(1)、钛层(2)、二硒化铂(3)、氧化层(4)、衬底(5)，其特征在于，
所述的场效应管的结构从上到下依次为：金层(1)、钛层(2)、二硒化铂(3)、氧化层(4)、衬底(5)，其中:
所述的金层(1)，为厚度45纳米的金电极；
所述的钛层(2)，为厚度为15纳米的接触金属；
所述的二硒化铂(3)，为图案化的二硒化铂半导体薄膜，其厚度为1.6-4.7纳米；
所述的氧化层(4)，为二氧化硅，厚度为285纳米；
所述的衬底(5)，为重掺杂的硅衬底。
2.根据权利要求1所述的基于二硒化铂半导体的场效应管阵列，其特征在于：所述的二硒化铂(3)制备方法步骤如下：
1)使用金属掩模版，结合离子束溅射的方法在氧化层(4)上溅射一层图案化的金属铂层，厚度为1.1至2.5纳米；
2)将溅射有铂的衬底倒扣在陶瓷舟里的硒粉上，铂与硒粉之间留有一定间距；
3)陶瓷舟随着管式炉升温，60分钟内将管式炉加热到650度，并保持10分钟；
4)将陶瓷舟快速拉出加热区域并降至常温；
5)再次将陶瓷舟加热至250度并保持20分钟；
6)结束后，再次将陶瓷舟快速拉出加热区域并降至常温，得到图案化的二硒化铂半导体薄膜，厚度为1.6至4.7纳米。
3.一种制备如根据权利要求1所述的基于二硒化铂半导体的场效应管阵列的方法，其特征在于步骤如下：
1)利用紫外光刻技术，结合热蒸发及剥离工艺制备场效应管的源极和漏极，电极的接触金属为钛(2)，从而形成背栅结构的二硒化铂半导体场效应管阵列；
2)单个场效应器件的沟道长度为5-12微米，宽度为100-180微米。
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