CN115642184A - 一种双栅结型场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种双栅结型场效应晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高性能的双栅结型场效应晶体管及其制备方法，在一优选实施例中，其包括二维Te和二维MoS2组成的双P‑N结，其由三层结构组成，上下两层为二维MoS2层，中间一层为二维Te层，层与层之间成交叉结构，MoS2层之间共用电极作为栅极；Te层作为载流子沟道层，两端电极作为源漏。该器件结构，通过调控P‑N结的正反偏，调控Te沟道层的耗尽区宽度，实现JFET的开启和关断，由于本结构没有介电层，实现了接近理想的亚阈值摆幅，且二维Te的载流子浓度高，小的源漏电压下就能够实现大的电流响应。本发明所设计的JFET，具有极小的亚阈值摆幅和大的开态电流，对于要求低功耗和大电流设计的设备至关重要。

Description

一种双栅结型场效应晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子器件领域，一种双栅结型场效应晶体管(JFET)及其制备方法。
背景技术
低功耗对于未来的移动设备和物联网设备至关重要。为了继续减小功耗或电源电压VDD，应优化亚阈值摆幅SS，以避免在缩小设备尺寸的同时出现高泄漏电流。对于传统的金属氧化物-半导体场效应晶体管，在过去的介电工程中保持栅极可控性已经做出了巨大的努力，即实现较低SS，包括高介电常数氧化物、铁电材料、或负电容介电。然而，工程介质经常受到不均匀的介质表面的困扰，从而捕获电荷和铁电磁滞，以恶化电荷输运。JFET通过改变具有反偏置p-n结沟道中的耗尽区域来工作，因此没有电介质或涉及相关的挑战。
近年来对二维材料的研究揭示了多种二维半导体具有优异的电子性能。二维半导体对JFET特别有吸引力，因为二维超薄体可以降低源通道电容，以最小化SS，并降低与通道厚度成正比的开启电压VP。因此，本发明由两个不同二维半导体形成的无悬垂键范德华界面可能具有无捕获界面，从而保证近乎理想的结特性。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种双栅结型场效应晶体管及其制备方法，本发明利用二维材料Te(P型材料)层与二维材料MoS2(N型材料)层形成异质P-N结构建双栅结型场效应晶体管，获得的JFET具备大的电流响应、优异的光电性能、低亚阈值摆幅等优点。
基于上述目的，本发明至少提供如下技术方案：
一种双栅结型场效应晶体管，包括基底和设置于基底上的异质结，所述异质结由依次层叠的第一半导体类型的第一二维材料层、第二半导体类型的第二二维材料层和第一半导体类型的第三二维材料层构成，所述第一二维材料层和第三二维材料层分别与所述第二二维材料层之间呈交叉结构设置，所述第一二维材料层和第三二维材料层具有相对的第一端和第二端，其第一端之间设置有第一电极，其第二端之间设置有第二电极，第一电极与第二电极互不接触；所述第二二维材料层具有相对的第一端和第二端，所述第一端设置有第三电极，所述第二端设置有第四电极；
所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料MoS2层，所述第二二维材料层选用二维材料Te层；或者所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料Te层，所述第二二维材料层选用二维材料MoS2层。
进一步地，所述二维材料Te层的厚度为50～100nm，所述二维材料MoS2层的厚度为50～100nm。
进一步地，所述第一电极为第一栅电极，所述第二电极为第二栅电极，所述第三电极为源极，所述第四电极为漏极。
进一步地，所述电极选用Au电极层，Au电极层的厚度为20～80nm。
进一步地，所述基底为硅基底，所述硅基底的表面设置有绝缘层，所述绝缘层的厚度为100～500nm。
本发明的另一方面还提供一种双栅结型场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
在基底上形成第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极和第二电极相对设置，所述第三电极和第四电极相对设置；
在所述第一电极和所述第二电极之间转移与所述第一电极和第二电极连接的第一半导体类型的第一二维材料层；
在所述第三电极和第四电极上转移第二半导体类型的第二二维材料层；
在所述第一电极和所述第二电极上转移与所述第一电极和所述第二电极连接的第一半导体类型的第三二维材料层；
所述第二半导体类型的第二二维材料层夹设于所述第一半导体类型的第一二维材料层和所述第一半导体类型的第三二维材料层之间，形成异质结，所述第一二维材料和所述第三二维材料分别与所述第二二维材料呈交叉结构设置；
所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料MoS2层，所述第二二维材料层选用二维材料Te层；或者所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料Te层，所述第二二维材料层选用二维材料MoS2层。
本发明的另一方面还提供一种双栅结型场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
在基底上转移形成第一半导体类型的第一二维材料层；
在所述基底上形成第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极和第二电极分别设置于所述第一半导体类型的第一二维材料层的两端；
在所述第三电极和第四电极上转移第二半导体类型的第三二维材料层；
在所述第一电极和第二电极上转移与所述第一电极和第二电极连接的第一半导体类型的第二二维材料层；
所述第二半导体类型的第二二维材料层夹设于所述第一半导体类型的第一二维材料层和第一半导体类型的第三二维材料层之间，形成异质结，所述第一二维材料层和第三二维材料层分别与所述第二二维材料层之间呈交叉结构设置，
所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料MoS2层，所述第二二维材料层选用二维材料Te层；或者所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料Te层，所述第二二维材料层选用二维材料MoS2层。
进一步地，所述二维材料层转移的步骤中，所述转移采用的介质为带有PVA胶层的PDMS板。
进一步地，所述二维材料Te层的厚度为50～100nm，所述二维材料MoS2层的厚度为50～100nm。
进一步地，所述第一电极为第一栅电极，所述第二电极为第二栅电极，所述第三电极为源极，所述第四电极为漏极；所述电极选用Au电极层，Au电极层的厚度为20～80nm。
与现有技术相比较，本发明至少具有如下优点：
本发明提供的JFET由第一二维材料层、第二二维材料层和第三二维材料层依次层叠而成，形成P-N结，第三二维材料层与第一二维材料层和第二二维材料层之间形成交叉结构，其优选实施例中，第一、第三二维材料为二维材料MoS2层，第二二维材料为二维材料Te层，组成了双P-N结，第一二维材料层与第三二维材料层之间设置有共用的双栅极第一栅极和第二栅极，第一栅极和第二栅极互不接触，第二二维材料层的两端设置有互不接触的源极和漏极；在第一栅极和第二栅极无电压下，P-N结内部形成空间电荷区，二维材料Te层被部分耗尽，为开态，通过改变第一栅极和第二栅极的电压，正偏压使空间电荷区变窄，负偏压使空间电荷区变宽，达到调控空间电荷区宽度的目的，实现JFET的开关。由于该器件结构没有介电层，实现了接近理想的亚阈值摆幅(SS)，且二维材料Te层的载流子浓度高，小的源漏电压下就能够实现大的电流响应。该JFET呈现出了大的电流响应、优异的光响应性能、低亚阈值摆幅等优点。
此外，本发明提供的JFET结构简单、易于制备，有利于应用。
附图说明
图1是本发明一优选实施例的JFET器件的结构示意图。
图2是本发明一优选实施例的JFET器件的制备流程示意图。
图3是本发明一优选实施例的JFET器件测得的输出曲线。
图4是本发明一优选实施例的JFET器件测得的转移曲线。
图5是本发明一优选实施例的JFET器件从转移曲线提取的跨导曲线。
图6是本发明一优选实施例的JFET器件的亚阈值摆幅曲线。
图7是本发明一优选实施例的JFET器件在405nm激光照射下的光响应图。
图8是本发明一优选实施例的JFET器件在405nm激光照射下的响应度和探测率。
图9是本发明一优选实施例的JFET器件在405nm激光照射下，反偏电压为0.5V时的IT曲线。
图10是本发明一优选实施例的JFET器件在405nm激光照射下，电压为0V的IT曲线。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
本发明一实施例提供一种双栅结型场效应晶体管(JFET)，如图1示，其包括基底和位于基底上的异质结。在该优选实施例中，基底选用晶向为<100>的硅基底，硅基底的厚度为200～1000μm，该硅基底的上表面设置有绝缘层，绝缘层的厚度为100～500nm。
异质结由依次层叠的第一半导体类型的第一二维材料层、第二半导体类型的第二二维材料层和第一半导体类型的第三二维材料层构成。第一半导体类型与第二半导体类型相反，例如第一半导体类型为N型，第二半导体类型为P型；或者第一半导体类型为P型，第二半导体类型为N型。
在一优选实施例中，第一二维材料层选用二维材料MoS2层，第二二维材料层选用二维材料Te层，第三二维材料层选用二维材料MoS2层。在另一优选实施例中，第一二维材料层选用二维材料Te层，第二二维材料层选用二维材料MoS2层，第三二维材料层选用二维材料Te层。二维材料MoS2层的厚度为50～100nm。二维材料Te层的厚度为50～100nm。在其它实施例中，第一二维材料层和第三二维材料层之一选用二维材料MoS2层时，另外一层二维材料层选用其他合适的N型二维材料层，第二二维材料层选用二维材料Te层；或者第一二维材料层和第三二维材料层之一选用二维材料Te层时，另外一层二维材料层选用其他合适的P型二维材料层，第二二维材料层选用二维材料MoS2层。
第一二维材料层和第三二维材料层共用栅电极，通过调控P-N结的正反偏，调控第二二维材料沟道层的耗尽区宽度，实现JFET的开启和关断。第一二维材料层和第三二维材料层之间呈交叉结构设置，第三二维材料层和第二二维材料层之间呈交叉结构设置，第一二维材料层和第三二维材料层具有相对的第一端和第二端，第一端之间设置有第一电极，第二端之间设置有第二电极，第一电极与第二电极互不接触。第一电极和第二电极分别为第一栅电极和第二栅电极。
如图1示，第一栅电极和第二栅电极分别为Au 1电极和Au 2电极，Au 1电极和Au 2电极的厚度为20～80nm。
第二二维材料层具有相对的第一端和第二端，第一端设置有第三电极，第三电极为源电极，第二端设置有第四电极，第四电极为漏电极。如图1示，源电极和漏电极分别为Au3电极和Au 4电极，Au 3电极和Au 4电极的厚度为20～80nm。
该双栅结型场效应晶体管结构没有介电层，实现了接近理想的亚阈值摆幅(SS)，在优选实施例中，二维材料Te层的载流子浓度高，小的源漏电压下就能够实现大的电流响应。本发明所设计的JFET，具有极小的亚阈值摆幅和大的开态电流，对于要求低功耗和大电流设计的设备至关重要。
本发明的一优选实施例介绍了该双栅结型场效应晶体管的制备方法，如图2所示，选用硅<100>基底，硅基底的表面具有SiO2绝缘层。首先在硅基底的表面旋涂光刻胶，形成光阻层，光阻层的厚度为2微米。随后经过软烘、曝光和显影等光刻工艺，去胶后形成图案化电极图形。
接着，利用电子束蒸发设备在硅基底上蒸镀50nm厚的薄金层，随后将基底放入丙酮溶液中浸泡，多余的金自动脱落，得到形成具有第一电极Au 1、第二电极Au 2、第三电极Au 3和第四电极Au 4的基底。
选用PDMS板，在PDMS板上均匀涂抹PVA溶液，随后在50℃下加热5分钟，在PDMS板上形成PVA胶层。利用转移平台，选用机械剥离法将二维材料MoS2层转移至该PVA胶层上，选用目标二维材料MoS2层区域，将其粘附至第一电极Au 1和第二电极Au 2上，加热后将PDMS板自基底上剥离，随后泡水后去掉PVA胶层。
随后利用转移平台，选用机械剥离法将二维材料Te层转移至该PVA胶层上，选用目标二维材料Te层区域，将其粘附至第三电极Au 3和第四电极Au 4上，加热后将PDMS板自基底上剥离，随后泡水后去掉PVA胶层。
继续利用转移平台，选用机械剥离法将二维材料MoS2层转移至该PVA胶层上，选用目标二维材料MoS2层区域，将其粘附至第一电极Au 1和第二电极Au 2上，加热后将PDMS板自基底上剥离，随后泡水后去掉PVA胶层，完成该器件的制备。
使用原表测量对本发明优选实施例(第一和第三二维材料层为二维材料MoS2层，第二二维材料层为二维材料Te层)提供的JFET进行光电学性能测试。其中，图3为本发明提供的JFET的输出曲线图，源漏电压为从-1.5V到0V，栅电压分别在0V、-0.2V、-0.4V、-0.6V、-0.8V及-1V条件下测试，该器件的最大的源漏电流达到了15uA以上，具有很好的调控性质；图4为本发明优选实施例JFET测得的转移曲线图，栅电压为从-1V到1.5V，源漏电压分别为0.5V、0.6V、0.7V、0.8V、0.9V及1V时测得的六条转移曲线，从中可以看出，器件的阈值电压在1v左右，开态电压在负轴。图5为从图4测得的转移曲线中提取得到的跨导，最大的跨导为1.6x10-5S。图6为本发明一实施例的亚阈值摆幅曲线，从图中可以看到，最小的亚阈值摆幅约为238mv/dec。图7为本发明一实施例的JFET器件，在施加-3V到3V的电压条件下，在黑暗和405nm激光环境下，不同功率密度为0.0141mw/cm2、0.0888mw/cm2、0.187mw/cm2、0.288mw/cm2及0.391mw/cm2下的电流响应，暗电流为4.48x10-11A，最大光电流为1.06x10-7 A，开关比在103以上。图8为本发明一实施例的JFET在405nm激光照射下，从光响应中提取的探测率和响应度，其最大的探测率达到了1014Jones以上，响应度为5x102 A/W。图9为本发明一实施例的JFET在405nm激光照射下，反偏电压为0.5V时，其时间分辨光开关(IT)曲线，图10为本发明一实施例的JFET在405nm激光照射下，电压为0V时，其时间分辨光开关(IT)曲线，根据图9和图10可以看到，本发明该双栅结型场效应晶体管在405nm光照下具有良好的稳定性和重复性。以上光电性能测试结果说明本发明提供的JFET具有低亚阈值摆幅、大电流等优势。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双栅结型场效应晶体管，包括基底和设置于基底上的异质结，其特征在于，所述异质结由依次层叠的第一半导体类型的第一二维材料层、第二半导体类型的第二二维材料层和第一半导体类型的第三二维材料层构成，所述第一二维材料层和第三二维材料层分别与所述第二二维材料层之间呈交叉结构设置，所述第一二维材料层和第三二维材料层具有相对的第一端和第二端，其第一端之间设置有第一电极，其第二端之间设置有第二电极，第一电极与第二电极互不接触；所述第二二维材料层具有相对的第一端和第二端，所述第一端设置有第三电极，所述第二端设置有第四电极；
所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料MoS2层，所述第二二维材料层选用二维材料Te层；或者所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料Te层，所述第二二维材料层选用二维材料MoS2层。
2.根据权利要求1的所述场效应晶体管，其特征在于，所述二维材料Te层的厚度为50～100nm，所述二维材料MoS2层的厚度为50～100nm。
3.根据权利要求1或2的所述场效应晶体管，其特征在于，所述第一电极为第一栅电极，所述第二电极为第二栅电极，所述第三电极为源极，所述第四电极为漏极。
4.根据权利要求1的所述场效应晶体管，其特征在于，所述电极选用Au电极层，Au电极层的厚度为20～80nm。
5.根据权利要求1的所述场效应晶体管，其特征在于，所述基底为硅基底，所述硅基底的表面设置有绝缘层，所述绝缘层的厚度为100～500nm。
6.一种双栅结型场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基底上形成第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极和第二电极相对设置，所述第三电极和第四电极相对设置；
在所述第一电极和所述第二电极之间转移与所述第一电极和第二电极连接的第一半导体类型的第一二维材料层；
在所述第三电极和第四电极上转移第二半导体类型的第二二维材料层；
在所述第一电极和所述第二电极上转移与所述第一电极和所述第二电极连接的第一半导体类型的第三二维材料层；
所述第二半导体类型的第二二维材料层夹设于所述第一半导体类型的第一二维材料层和所述第一半导体类型的第三二维材料层之间，形成异质结，所述第一二维材料和所述第三二维材料分别与所述第二二维材料呈交叉结构设置；
所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料MoS2层，所述第二二维材料层选用二维材料Te层；或者所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料Te层，所述第二二维材料层选用二维材料MoS2层。
7.一种双栅结型场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基底上转移形成第一半导体类型的第一二维材料层；
在所述基底上形成第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，所述第一电极和第二电极分别设置于所述第一半导体类型的第一二维材料层的两端；
在所述第三电极和第四电极上转移第二半导体类型的第三二维材料层；
在所述第一电极和第二电极上转移与所述第一电极和第二电极连接的第一半导体类型的第二二维材料层；
所述第二半导体类型的第二二维材料层夹设于所述第一半导体类型的第一二维材料层和第一半导体类型的第三二维材料层之间，形成异质结，所述第一二维材料层和第三二维材料层分别与所述第二二维材料层之间呈交叉结构设置，
所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料MoS2层，所述第二二维材料层选用二维材料Te层；或者所述第一二维材料层和/或所述第三二维材料层选用二维材料Te层，所述第二二维材料层选用二维材料MoS2层。
8.根据权利要求6或7的所述制备方法，其特征在于，所述二维材料层转移的步骤中，所述转移采用的介质为带有PVA胶层的PDMS板。
9.根据权利要求6或7的所述场效应晶体管，其特征在于，所述二维材料Te层的厚度为50～100nm，所述二维材料MoS2层的厚度为50～100nm。
10.根据权利要求6或7的所述制备方法，其特征在于，所述第一电极为第一栅电极，所述第二电极为第二栅电极，所述第三电极为源极，所述第四电极为漏极；所述电极选用Au电极层，Au电极层的厚度为20～80nm。
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