CN112968055B - 二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管及其制备方法，二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，包括绝缘衬底，绝缘衬底上设置有石墨烯栅极，石墨烯栅极上分别设置有二维铁电介电层和金属栅极，二维铁电介电层上设置有二维铁电半导体沟道，二维铁电半导体沟道上分别设置有相互分隔的金属源极和金属漏极。本发明还包括上述二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管的制备方法。本发明通过将两种铁电体相互结合，在其界面处两者的束缚电荷会对退极化场进行电荷屏蔽，可以延长铁电体的剩余极化，有效解决了现有技术中难以实现稳定的非易失性存储和无法兼容硅基半导体制程等问题。
Description
技术领域
本发明属于效应管技术领域，具体涉及到一种二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管及其制备方法。
背景技术
随着人工智能进一步发展，海量的数据对当前计算机的存储能力提出了新的挑战。针对如何进行快速、高效、低功耗、抗干扰的数据存储，利用可翻转电偶极子实现数据写入的铁电场效应晶体管颇具潜力，铁电场效应管与当前商品化的FeRAM相比，具备快速、低功耗、非破坏性读取数据的优势。
而二维材料作为未来纳米电子器件和大规模集成电路的基础，其自身具备诸多优良的物理特性。二维材料本身即为原子级厚度，天然就具备高度集成化的优势，其良好的机械性能，还可以用其搭建柔性器件。此外，因为二维材料的层间作用力为范德瓦尔斯力，在其表面没有悬挂键以及其他缺陷，即二维材料具有极高清洁质量的界面，因此，利用二维材料有望降低因界面缺陷造成的剩余极化流失。近年来对二维铁电场效应晶体管的研究已经广泛开展，也获得了一些成功，比如叶培德课题组利用CuInP2S6作为铁电晶体管介电层实现了较大的铁电回滞窗口。
但当前铁电晶体管由于受到退极化场的影响，作为栅极电介质的铁电体剩余极化难以长时间维持，导致传统铁电晶体管的难以实现稳定的非易失性存储。且传统铁电材料自身的临界尺寸效应，导致其无法兼容硅基半导体制程，难以提升器件集成化水平。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管及其制备方法，通过将两种铁电体相互结合，在其界面处两者的束缚电荷会对退极化场进行电荷屏蔽，可以延长铁电体的剩余极化，有效解决了现有技术中难以实现稳定的非易失性存储和无法兼容硅基半导体制程等问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，包括绝缘衬底，绝缘衬底上设置有石墨烯栅极，石墨烯栅极上分别设置有二维铁电介电层和金属栅极，二维铁电介电层上设置有二维铁电半导体沟道，二维铁电半导体沟道上分别设置有相互分隔的金属源极和金属漏极，金属源极设置在金属漏极右侧，二维铁电介电层和二维铁电半导体沟道均为正极在上。
进一步，绝缘衬底为任意厚度的二氧化硅、三氧化二铝或二氧化铪，石墨烯栅极厚度为1-15层。
进一步，二维铁电介电层材质为任意绝缘的宽带隙范德华层状铁电材料，二维铁电半导体沟道材质为任意的窄带隙范德华层状铁电半导体材料。
进一步，二维铁电介电层厚度为4-100nm，二维铁电半导体沟道厚度为1-10层。
进一步，二维铁电介电层材质为铜铟磷硫。
进一步，二维铁电半导体沟道材质为α相三硒化二铟、二碲化钨或d1T相的二碲化钼。
进一步，金属源极、金属漏极和金属栅极为金和铬构成的双层金属电极，且上层金厚度为20-50nm，下层铬厚度为4-8nm。
上述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)通过机械剥离法在绝缘衬底上制备石墨烯栅极；
(2)通过机械剥离法制备二维铁电介电层和二维铁电半导体沟道，然后采用干法转移搭建异质结器件，得二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管；
(3)通过光刻在器件的源极、漏极和栅极处设置掩膜板图形，在
速率下通过电子束蒸发镀膜沉积金属电极，最后浸入N-甲基吡咯烷酮溶液中进行脱胶处理，使器件的源极、漏极和栅极分别与金属电极连接。
进一步，步骤(1)中制备石墨烯栅极时，采用scotch胶带将石墨样品进行对撕若干次，然后剥离在绝缘衬底上，得石墨烯栅极。
进一步，步骤(2)中的具体步骤为：采用scotch胶带将宽带隙铁电材料和窄带隙铁电材料对撕若干次，然后剥离在聚二甲基硅氧烷上，选定厚度并通过干法转移到石墨烯栅极上，得二维铁电介电层和二维铁电半导体沟道。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明通过将两种铁电体相互结合，在其界面处两者的束缚电荷会对退极化场进行电荷屏蔽，可以延长铁电体的剩余极化，铁电材料具备高介电常数，采用铁电材料作为介电层，可以实现铁电半导体的完全极化，提升铁电晶体管的非易失性。此外，全二维铁电晶体管有利于降低器件功耗，提升器件集成化水平，减少器件中的缺陷数量，提升器件稳定性，二维材料优异的机械性能，还可以将其应用至柔性可穿戴设备上，具有良好的应用前景。有效解决了现有技术中难以实现稳定的非易失性存储和无法兼容硅基半导体制程等问题。
2、制备过程中，首先是将二维窄带隙铁电半导体材料作为场效应晶体管的沟道材料，利用铁电半导体中移动的自由载流子进行良好的电荷屏蔽；然后将绝缘的二维宽带隙铁电材料作为场效应晶体管的介电层，铁电介电层作为高K介质，可以提供足够的电场对铁电沟道进行充分极化，此外铁电介电层中的束缚电荷与铁电沟道中的束缚电荷可以相互耦合，进一步减弱退极化场，从而实现良好的非易失铁电场效应管。
3、采取全二维材料搭建铁电场效应管，利用二维材料表面没有悬挂键以及其他带电缺陷的优势，降低因界面缺陷造成的剩余极化流失，此外二维材料本身即为原子级厚度，天然就具备高度集成化的优势，使其能够兼容硅基半导体制程，提高器件集成化水平。
附图说明
图1为二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管的示意图；
图2为二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管电学测试结果；
其中，1、绝缘衬底；2、石墨烯栅极；3、二维铁电介电层；4、二维铁电半导体沟道；5、金属源极；6、金属漏极；7、金属栅极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1
一种二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，包括绝缘衬底1，绝缘衬底1上设置有石墨烯栅极2，石墨烯栅极2上分别设置有二维铁电介电层3和金属栅极7，二维铁电介电层3上设置有二维铁电半导体沟道4，二维铁电半导体沟道4上分别设置有相互分隔的金属源极5和金属漏极6，金属源极5设置在金属漏极6右侧，二维铁电介电层3和二维铁电半导体沟道4均为正极在上。
其中，绝缘衬底为厚度为285nm的二氧化硅；石墨烯栅极厚度为单层。二维铁电介电层材质为铜铟磷硫，二维铁电半导体沟道材质为二碲化钨。金属源极、金属漏极和金属栅极为金和铬构成的双层金属电极，且上层金厚度为40nm，下层铬厚度为4nm。
上述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)采用scotch胶带将石墨样品进行对撕若干次，然后剥离在绝缘衬底上，得石墨烯栅极；
(2)采用scotch胶带将宽带隙铁电材料和窄带隙铁电材料对撕若干次，然后剥离在聚二甲基硅氧烷上，选定厚度并通过干法转移到石墨烯栅极上，得二维铁电介电层和二维铁电半导体沟道；
(3)通过光刻在器件的源极、漏极和栅极处设置掩膜板图形，在
速率下通过电子束蒸发镀膜沉积金属电极，最后浸入N-甲基吡咯烷酮溶液中进行脱胶处理，使器件的源极、漏极和栅极分别与金属电极连接。
实施例2
一种二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，包括绝缘衬底1，绝缘衬底1上设置有石墨烯栅极2，石墨烯栅极2上分别设置有二维铁电介电层3和金属栅极7，二维铁电介电层3上设置有二维铁电半导体沟道4，二维铁电半导体沟道4上分别设置有相互分隔的金属源极5和金属漏极6，金属源极5设置在金属漏极6右侧，二维铁电介电层3和二维铁电半导体沟道4均为正极在上。
其中，绝缘衬底为厚度为285nm的二氧化硅；石墨烯栅极厚度为单层。二维铁电介电层材质为铜铟磷硫，二维铁电半导体沟道材质为碲化锡。金属源极、金属漏极和金属栅极为金和铬构成的双层金属电极，且上层金厚度为50nm，下层铬厚度为8nm。
上述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)采用scotch胶带将石墨样品进行对撕若干次，然后剥离在绝缘衬底上，得石墨烯栅极；
(2)采用scotch胶带将宽带隙铁电材料和窄带隙铁电材料对撕若干次，然后剥离在聚二甲基硅氧烷上，选定厚度并通过干法转移到石墨烯栅极上，得二维铁电介电层和二维铁电半导体沟道；
(3)通过光刻在器件的源极、漏极和栅极处设置掩膜板图形，在
速率下通过电子束蒸发镀膜沉积金属电极，最后浸入N-甲基吡咯烷酮溶液中进行脱胶处理，使器件的源极、漏极和栅极分别与金属电极连接。
实施例3
一种二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，包括绝缘衬底1，绝缘衬底1上设置有石墨烯栅极2，石墨烯栅极2上分别设置有二维铁电介电层3和金属栅极7，二维铁电介电层3上设置有二维铁电半导体沟道4，二维铁电半导体沟道4上分别设置有相互分隔的金属源极5和金属漏极6，金属源极5设置在金属漏极6右侧，二维铁电介电层3和二维铁电半导体沟道4均为正极在上。
其中，绝缘衬底为厚度为280nm的二氧化硅；石墨烯栅极厚度为5层。二维铁电介电层材质为铜铟磷硫，二维铁电半导体沟道材质为α相硒化铟。金属源极、金属漏极和金属栅极为金和铬构成的双层金属电极，且上层金厚度为30nm，下层铬厚度为6nm。
上述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)采用scotch胶带将石墨样品进行对撕若干次，然后剥离在绝缘衬底上，得石墨烯栅极；
(2)采用scotch胶带将宽带隙铁电材料和窄带隙铁电材料对撕若干次，然后剥离在聚二甲基硅氧烷上，选定厚度并通过干法转移到石墨烯栅极上，得二维铁电介电层和二维铁电半导体沟道；
(3)通过光刻在器件的源极、漏极和栅极处设置掩膜板图形，在
速率下通过电子束蒸发镀膜沉积金属电极，最后浸入N-甲基吡咯烷酮溶液中进行脱胶处理，使器件的源极、漏极和栅极分别与金属电极连接。
对实施例1所得二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管进行电学测试，其结果见图2。
由图2可知，通过对器件栅极施加不同脉冲电压，器件实现了不同组态的切换，并且保持了一定的非易失性。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (10)
1.二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，其特征在于，包括绝缘衬底，所述绝缘衬底上设置有石墨烯栅极，所述石墨烯栅极上分别设置有二维铁电介电层和金属栅极，所述二维铁电介电层上设置有二维铁电半导体沟道，所述二维铁电半导体沟道上分别设置有相互分隔的金属源极和金属漏极，所述金属源极设置在所述金属漏极右侧，所述二维铁电介电层和所述二维铁电半导体沟道均为正极在上。
2.如权利要求1所述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，其特征在于，所述绝缘衬底为二氧化硅、三氧化二铝或二氧化铪，所述石墨烯栅极厚度为1-15层。
3.如权利要求1所述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，其特征在于，所述二维铁电介电层材质为绝缘的宽带隙范德华层状铁电材料，所述二维铁电半导体沟道材质为窄带隙范德华层状铁电半导体材料。
4.如权利要求1或3所述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，其特征在于，所述二维铁电介电层厚度为4-100nm，所述二维铁电半导体沟道厚度为1-10层。
5.如权利要求1或3所述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，其特征在于，所述二维铁电介电层材质为铜铟磷硫。
6.如权利要求1或3所述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，其特征在于，所述二维铁电半导体沟道材质为α相三硒化二铟、二碲化钨或d1T相的二碲化钼。
7.如权利要求1所述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管，其特征在于，所述金属源极、所述金属漏极和所述金属栅极为金和铬构成的双层金属电极，且上层金厚度为20-50nm，下层铬厚度为4-8nm。
8.权利要求1-7任一项所述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
(1)通过机械剥离法在绝缘衬底上制备石墨烯栅极；
(2)通过机械剥离法制备二维铁电介电层和二维铁电半导体沟道，然后采用干法转移搭建异质结器件，得二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管；
(3)通过光刻在器件的源极、漏极和栅极处设置掩膜板图形，在
速率下通过电子束蒸发镀膜沉积金属电极，最后浸入N-甲基吡咯烷酮溶液中进行脱胶处理，使器件的源极、漏极和栅极分别与金属电极连接。
9.如权利要求8所述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管的制备方法，其特征在于，步骤(1)中制备石墨烯栅极时，采用scotch胶带将石墨样品进行对撕若干次，然后剥离在绝缘衬底上，得石墨烯栅极。
10.如权利要求8所述的二维铁电半导体沟道铁电介电层场效应管的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的具体步骤为：采用scotch胶带将宽带隙铁电材料和窄带隙铁电材料对撕若干次，然后剥离在聚二甲基硅氧烷上，选定厚度并通过干法转移到石墨烯栅极上，得二维铁电介电层和二维铁电半导体沟道。
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