CN116466126A - 一种基于挠曲电效应和光电效应增强的mesfet器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件；该器件包括激光光源、硅基底、绝缘层、金属栅电极、二维半导体层、第一源漏电极和第二源漏电极。绝缘层设置在硅基底上；金属栅电极和二维半导体层设置在绝缘层上，且二维半导体层覆盖金属栅电极。第一源漏电极和第二源漏电极设置在二维半导体层上，且分别位于金属栅电极的相反侧。激光光源朝向二维半导体层。第一源漏电极和第二源漏电极均包括电极主体。第一源漏电极和/或第二源漏电极的电极主体上设置有多个下压针尖。下压针尖的尖端朝向二维半导体层。本发明利用挠曲电场的作用下，MESFET器件的源漏电流更容易达到饱和，增大了MESFET器件源漏电流的驱动能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体电子元器件领域，具体涉及一种基于挠曲电效应和光电效应增强的二维半导体MESFET器件。
背景技术
场效应晶体管(FET)是一种用电场效应控制输出电流的半导体器件。FET在集成电路中有广泛的应用，特别在新型电子器件中发挥了重要作用。新型电子器件主要包括：运动手环、柔性电子屏幕、生物传感器、薄膜技术和柔性电化学储能器等。而传统的硅半导体非透明、非柔性的特点，限制了其在这些领域的应用。二硫化钼(MoS2)作为一种典型的过渡金属硫化物，其兼具半导体特性和二维材料的特性。单层的二硫化钼是直接带隙半导体，其带隙为1.90eV，随着层数的增多，直接带隙转变为间接带隙，块状的二硫化钼带隙为1.29eV。且二维二硫化钼材料拥有原子级厚度，具有柔性和透光性等特性。双层二硫化钼比单层二硫化钼有更加优良的特性(如更大的载流子迁移率和驱动电流)，还具有单层结构内没有的独特物理属性——巨斯塔克效应(Giant Stark effect)和层间激子(Interlayerexciton)等。二硫化钼这些独特的电学、物理特性使其成为制备高性能电子器件和光电子器件的理想材料。特别地，二维材料的一大优点是其表面没有悬挂键(the danglingbonds)，因此材料上不会出现很大程度的载流子散射，这在传统块体半导体上是无法实现的。
二维材料由于纳米尺度的厚度，使其拥有极大的尺寸效应。挠曲电效应能在该材料上带来极大的力电耦合效果。挠曲电效应是描述电极化和应变梯度或者非均匀应变相互作用的一种机电耦合现象。不像压电效应，挠曲电效应存在于所有的介电材料中。挠曲电效应分为正挠曲电效应，即由应变梯度或者非均匀应变产生的电极化。逆挠曲电效应，也即由电场梯度或非均匀电场产生应力。此发明涉及正挠曲电效应，描述为：挠曲电极化强度Pi＝fijklSjk，l，fijkl是描述挠曲电效应大小的系数，Sjk，l是材料的应变梯度。通过合适的加载方式和几何结构的设计，材料的应变梯度可以变得很大，介电材料就能获得足够大的挠曲电场。挠曲电效应作为智能材料与结构领域的新型研究热点，其在传感、驱动和新能源领域有很大的潜力。
金属半导体场效应晶体管(MESFET)是一种在结构上与结型场效应管类似，但未使用PN结作为其栅极，而是采用金属与半导体接触形成肖特基结的方式构成栅极进行栅控。金属半导体场效应管通常由化合物半导体构成，它的工作速度比由硅制造的结型场效应管或MOSFET更快。MESFET的工作频率一般较高，最高可以达到45GHz，在微波频段的通信、雷达等设备中有着广泛应用。MESFET器件结构简单，便于制造。
MESFET器件主要有三个电极，分别是源漏电极和栅极，通过控制栅极处的电压来改变源漏极电压电流特性。施加栅压是控制MESFET栅极处耗尽层宽度的传统方法，而当我们在靠近栅极的半导体上施加机械力时，同样达到了栅压调控栅极的效果，挠曲电效应对MESFET性能的提升起到很大作用。挠曲电效应就是将施加在半导体上的机械能转化为挠曲电极化电场，挠曲电极化电场的存在可提高MESFET器件的性能，如：载流子迁移率。有研究表明在传统控制栅极的方式下，34nm的MoS2和MoOx/Au接触制作的MESFET器件电子迁移率为160cm-2/(V·s)。传统的MESFET器件栅极处的不透明金属电极都覆盖在半导体表面，这导致很大一部分半导体失去了其半导体光电效应(光电效应，即将光能转换成电能的现象)的功能。所以为了使MESFET器件在光电效应上性能更好，需要对MESFET器件的结构进行创新，使得半导体能接触到光的面积更大，光电效应更明显。在挠曲电效应和光电效应的增强下，MESFET器件性能可以得到进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于解决传统MESFET器件栅压控制效率低、电压调控栅极耗尽层宽度不便、源漏电流输出小、载流子迁移率低、光电转换效率低的问题，提供了一种基于挠曲电效应和光电效应增强的二维半导体MESFET器件。
第一方面，本发明提供一种通过挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，其包括激光光源、硅基底、绝缘层、金属栅电极、二维半导体层、第一源漏电极和第二源漏电极。绝缘层设置在硅基底上；金属栅电极和二维半导体层设置在绝缘层上，且二维半导体层覆盖金属栅电极。第一源漏电极和第二源漏电极设置在二维半导体层上，且分别位于金属栅电极的相反侧。激光光源朝向二维半导体层。
所述的第一源漏电极和第二源漏电极均包括电极主体。第一源漏电极和/或第二源漏电极的电极主体上设置有多个下压针尖。下压针尖的尖端朝向二维半导体层。
作为优选，所述激光光源的照射位置为金属栅电极上覆盖二维半导体层的区域。
作为优选，所述的二维半导体层包括层叠设置的n个二硫化钼层；2≤n≤10。
作为优选，所述的激光光源的输出波长为500nm～900nm，输出功率为1mW～2mW。
作为优选，所述绝缘层的材质为二氧化硅。金属栅电极设置在绝缘层背离硅基底的侧面的中部。
作为优选，各下压针尖呈矩阵状排布。
作为优选，所述的下压针尖呈圆锥状，且尖端设有半径为r的圆角，r的取值为1nm～100nm。
作为优选，设置有下压针尖的第一源漏电极和/或第二源漏电极对二维半导体层施加挤压力F；挤压力F的取值为10nN～100μN。
作为优选，金属栅电极的材质为Pt或选择功函数大于Pt的金属。
第二方面，本发明提供前述的MESFET器件的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一、在硅基底上通过热氧化的方式生成一层二氧化硅，作为绝缘层；利用电子束蒸发沉积金属膜的方式在绝缘层上生成金属栅电极。
步骤二、将n个单层的二硫化钼半导体先后转移到二氧化硅绝缘层上，形成覆盖金属栅电极的二维半导体层。
步骤三、在二维半导体层的两端分别安装第一源漏电极和第二源漏电极。
步骤四、对步骤三所得器件进行真空退火。
第三方面，本发明提供前述的通过挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件作为微型力测量器件的应用；在该应用中，设置有下压针尖第一源漏电极或第二源漏电极作为微型力测量器件的检测区域。
本发明的有益效果在于：
1.本发明在源漏电极上设置下压针尖，并使得下压针尖对二维半导体层施加挤压力，形成挠曲电场。在挠曲电场的作用下，MESFET器件的源漏电流更容易达到饱和，从而减小了MESFET器件工作所需的栅压，并增大了MESFET器件源漏电流的驱动能力。
2.本发明对二维半导体层施加激光照射，在栅极施加电压，在源漏电极处用下压针尖诱导挠曲电场，在该三个因素的综合作用下，源漏极导通的电流被明显增强，使得MESFET器件载流子迁移率得到大幅提升。
3.本发明源漏电极上的下压针尖的微小挤压力变化能够显著改变MESFET器件的电学参数；因此，本发明提供的MESFET器件能够作为高精度的微小力测量传感器使用。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的MESFET器件的示意图。
图2是本发明实施例1中第一源漏电极或第二源漏电极的侧面示意图。
图3是本发明实施例1中第一源漏电极或第二源漏电极的立体示意图。
图4是本发明实施例1中下压针尖的结构示意图。
图5是本发明实施例1提供的MESFET器件在挤压力为0时源漏电压-电流关系图。
图6是本发明实施例1提供的MESFET器件在挤压力为287.37nN时源漏电压-电流关系图。
图7是本发明实施例1提供的MESFET器件在挤压力为1149.50nN时源漏电压-电流关系图。
图8是本发明实施例2提供的MESFET器件分别在光态和暗态时不同挤压力下的源漏电压-电流关系图。
图中：1、硅基底；2、绝缘层；3、第一源漏电极；3.1、下压针尖；4、第二源漏电极；5、金属栅电极；6、二维半导体层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例子，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种通过挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，包括激光光源，硅基底1，硅基底1上的绝缘层2，绝缘层2上的金属栅电极5和二维半导体层6，二维半导体层6上的第一源漏电极3和第二源漏电极4。二维半导体层6包括层叠设置的两个单层二硫化钼层。激光光源的输出口朝向二维半导体层6上与金属栅电极5对应的区域。激光光源的输出波长为860nm，输出功率为1mW。
绝缘层2的材质为二氧化硅。金属栅电极5设置在绝缘层2背离硅基底1的侧面的中部；二维半导体层6覆盖在金属栅电极5的外侧。第一源漏电极3和第二源漏电极4分别设置在金属栅电极5的相反侧。
如图1中2、3和4所示，第一源漏电极3和第二源漏电极4的结构相同，均包括片状的电极主体，以及设置在电极主体朝向绝缘层2的侧面上的呈10×10阵列状均匀排布的多个下压针尖3.1。下压针尖3.1呈圆锥状，且尖端设有半径为r的圆角；本实施例中r的取值1nm～100nm，优选20nm。各下压针尖3.1的尖端均挤压在二维半导体层6上，并对二维半导体层6施加预紧力，使得第一源漏电极3和第二源漏电极4对二维半导体层6施加持续的挤压力。挤压力既可以由第一源漏电极3和第二源漏电极4上的质量块提供，或由安装在基座上的挤压机构提供。挤压机构能够调节第一源漏电极3和第二源漏电极4对二维半导体层6施加的持续挤压力。下压针尖3.1既作为与二硫化钼接触的电极，也作为施加力的工具。电极主体的材质为Au；下压针尖3.1的材质为Ag。
本实施例中，二维半导体层6的材质为双层二硫化钼。二维半导体层6呈矩形，且长度为20μm，宽度为10μm；金属栅电极5的材质为Pt，长度任意，宽度为10μm；第一源漏电极3和第二源漏电极4的长度任意，宽度为20μm。
本实施例提供一种非必要优选技术方案：二维半导体层6具有规则的形状，如矩形。
本实施例提供一种非必要优选技术方案：二维半导体层6的宽度为10nm-20μm。
本实施例提供一种非必要优选技术方案：金属栅电极的宽度不应太长或者太短，太长会导致栅极处形成的耗尽层过长，导致源漏极的载流子流通受限；太短会导致栅极处形成的耗尽层作用过小，栅极作为MESFET器件控制源漏极电压电流特性的作用无法发挥。本实施例中将金属栅电极的宽度设置为10nm-20μm。
本实施例提供一种非必要优选技术方案：金属栅电极5与第一源漏电极3的间距为10nm-20μm。金属栅电极5与第二源漏电极4的间距为10nm-20μm。
本实施例提供一种非必要优选技术方案：下压针尖的尖端为球型压头。
本实施例提供一种非必要优选技术方案：下压针尖的尖端的球型压头的半径为1nm-100nm，针尖半径越小，由于尺寸效应，在二维半导体材料上的应变梯度越大，带来的挠曲电极化强度就越大。由于挠曲电效应的影响，MESFET器件的源漏电流随源漏电压上升越快。
本实施例提供一种非必要优选技术方案：第一源漏电极3和第二源漏电极4对二维半导体层6施加的挤压力均为10nN--100μN，下压压力越大，应变梯度就越大，带来的挠曲电极化强度就越大，MESFET器件的源漏电流随源漏电压上升越快。
针对实施例1提供的MESFET器件，将第一源漏电极3和第二源漏电极4对二维半导体层6的挤压力设为0。在光态条件(激光光源开启)下，在金属栅电极5上分别施加-2V、-1V、0V、1V、3V、5V的电压，测量第一源漏电极3和第二源漏电极4之间的电压-电流关系如图5所示。从图5中可以看出，栅压VGS越大，相同源漏电压VDS下源漏电流越大，但是增大的程度不大。在源漏电压最大加到2V的情况下，其载流子迁移率为0.8cm-2/(V·s)，明显还未达到最大值，说明仅光态条件下实施例1提供的MESFET器件驱动能力较弱。
实施例2
一种通过挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，本实施例与实施例1的区别在于：第一源漏电极3与第二源漏电极4中的任意一个电极不设下压针尖3.1，其余结构均与实施例1相同。
针对实施例2提供的MESFET器件。如图8所示，在光态条件下，MESFET器件在源漏电压达到0.5V时就开始出现明显的源漏电流，并且随着下压针尖力的改变，源漏电极电压-电流关系变化明显。在暗态条件下，MESFET器件在源漏电压达到1.5V时，才开始出现明显的源漏电流，并且随着下压针尖力的改变，源漏电极电压-电流关系没有明显变化。从图8可以看出，在光照条件下对实施例2提供的MESFET器件对力的感知性能良好，由此可以证明光电效应对MESFET器件性能的提升作用；其原理为：光态下双层二硫化钼半导体发生光电效应，使得该器件中的载流子更容易通过沟道，从而使器件导通。
针对实施例2提供的MESFET器件，将第一源漏电极3和第二源漏电极4对二维半导体层6的挤压力设为287.37nN。在光态条件下，在金属栅电极5上分别施加0V、4V和5V的电压，测量第一源漏电极3和第二源漏电极4之间的电压-电流关系如图6所示。从图6中可以看出，以源漏电压1V为例，源漏电流达到2nA只需要栅压4V左右；并且随着源漏电压持续增加，源漏电流也迅速增加。
针对实施例2提供的MESFET器件，将第一源漏电极3和第二源漏电极4对二维半导体层6的挤压力设为1149.50nN。在光态条件下，在金属栅电极5上分别施加0V、2V和3V的电压，测量第一源漏电极3和第二源漏电极4之间的电压-电流关系如图7所示。从图7中可以看出，以源漏电压1V为例，源漏电流达到2nA只需要栅压2V左右。说明在挤压力增大使得挠曲电场持续变大的过程中，同样的源漏电压电流需要的栅压更小，即器件需要的开启栅压也就越小。
结合图6和7可以看出，在光态条件下，挠曲电场越大，实施例1提供的MESFET器件需要的开启电压就越小，MESFET器件开关越容易。并且，随着针尖的挤压力增加，半导体的应变梯度增大，带来的挠曲电极化电场增强，使得相同源漏电压下源漏电流增大。以源漏电压VDs＝1V为例，对带下压针尖的Ag/Au源或漏电极施加1149.50nN力时，栅压VGs＝2V，源漏电流即可达到2nA以上；而无额外针尖挤压力的情况下，实施例1中提供的MESFET器件需要施加5V以上的栅极电压，其源漏电流才能达到2nA。在源漏电压2V的情况下，且栅压为2V且施加针尖挤压力为1436.87nN时，实施例2提供的MESFET器件的载流子迁移率为470cm-2/(V·s)，但还未达到饱和状态。说明挠曲电效应增强机制的MESFET器件有很大的优势。此外，可以看出，实施例2提供的MESFET器件具有不同力对应的源漏极电压-电流关系，可作为微型力测量器件。
实施例3
一种通过挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，本实施例与实施例1的区别在于：所述的二维半导体层6中二硫化钼层的层数为大于2，且小于或等于10的n层。
实施例4
一种通过挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，本实施例与实施例1的区别在于：金属栅电极5选择功函数比Pt大的其他金属材料。理论上栅极处电极的功函数越大，形成的肖特基整流结越好，MESFET器件的栅极开关效果更好。
实施例5
一种通过挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在硅基底1上通过热氧化的方式生成一层二氧化硅，作为绝缘层2，利用电子束蒸发沉积金属膜的方式在绝缘层2上生成金属栅电极5。
步骤二、将两个单层的二硫化钼半导体先后转移到二氧化硅绝缘层上，形成覆盖金属栅电极5的二维半导体层6。由于金属栅电极5和二维半导体层6的功函数差大，两者接触形成良好的肖特基结。二维半导体层6覆盖在金属栅电极5上，使暴露在外的半导体面积增大，有助于增大光电转化效率。并且，由于该二维半导体层6(即双层二硫化钼)没有面内和面外压电效应，故可以排除压电效应对该MESFET器件性能提升的影响，能充分地证明挠曲电效应在MESFET器件上的巨大影响。
步骤三、在二维半导体层6的两端分别安装带有下压针尖的Ag/Au电极，形成第一源漏电极3和第二源漏电极4；通过控制下压针尖3.1施加在二维半导体层6上的压力，就能控制产生的挠曲电电场的大小，Ag/Au电极上的下压针尖3.1由Ag制成，除针尖外的部分由Au制成。因为Ag与二维半导体层6的功函数差小，接触后不容易形成肖特基整流结，源漏极处的欧姆接触有助于降低源漏电压电流的损耗；其余源漏电极部分由Au制成，是因为Au电极有良好的导电性，MESFET器件作为集成电路的一部分，其应该具备电极导电性好的特性。
步骤四、为了消除二维半导体层6中的两个单层的二硫化钼半导体之间、二维半导体层6与金属栅电极5之间、二维半导体层6与硅基底1之间的空隙，将步骤三所得器件在200℃的温度下进行真空退火30分钟。
步骤五、通过压接型封装的方式对步骤四所得器件进行封装。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，包括激光光源、硅基底(1)、绝缘层(2)、金属栅电极(5)、二维半导体层(6)、第一源漏电极(3)和第二源漏电极(4)；其特征在于：绝缘层(2)设置在硅基底(1)上；金属栅电极(5)和二维半导体层(6)设置在绝缘层(2)上，且二维半导体层(6)覆盖金属栅电极(5)；第一源漏电极(3)和第二源漏电极(4)设置在二维半导体层(6)上，且分别位于金属栅电极(5)的相反侧；激光光源朝向二维半导体层(6)；
所述的第一源漏电极(3)和第二源漏电极(4)均包括电极主体；第一源漏电极(3)和/或第二源漏电极(4)的电极主体上设置有多个下压针尖(3.1)；下压针尖(3.1)的尖端朝向二维半导体层(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，其特征在于：所述的二维半导体层(6)包括层叠设置的n个二硫化钼层；2≤n≤10。
3.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，其特征在于：所述的激光光源的输出波长为500nm～900nm，输出功率为1mW～2mW。
4.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，其特征在于：所述绝缘层(2)的材质为二氧化硅；金属栅电极(5)设置在绝缘层(2)背离硅基底(1)的侧面的中部；所述激光光源的照射位置为金属栅电极(5)上覆盖二维半导体层(6)的区域。
5.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，其特征在于：各下压针尖(3.1)呈矩阵状排布。
6.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，其特征在于：所述的下压针尖(3.1)呈圆锥状，且尖端设有半径为r的圆角；r的取值为1nm～100nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，其特征在于：设置有下压针尖(3.1)的第一源漏电极(3)和/或第二源漏电极(4)对二维半导体层(6)施加挤压力F；挤压力F的取值为10nN～100μN。
8.根据权利要求1所述的一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件，其特征在于：金属栅电极(5)的材质为Pt或选择功函数大于Pt的金属。
9.如权利要求1所述的一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、在硅基底(1)上通过热氧化的方式生成一层二氧化硅，作为绝缘层(2)；利用电子束蒸发沉积金属膜的方式在绝缘层(2)上生成金属栅电极(5)；
步骤二、将n个单层的二硫化钼半导体先后转移到二氧化硅绝缘层上，形成覆盖金属栅电极(5)的二维半导体层(6)；
步骤三、在二维半导体层(6)的两端分别安装第一源漏电极(3)和第二源漏电极(4)；
步骤四、对步骤三所得器件进行真空退火。
10.如权利要求1所述的一种基于挠曲电效应和光电效应增强的MESFET器件作为微型力测量器件的应用；其特征在于：设置有下压针尖(3.1)第一源漏电极(3)或第二源漏电极(4)作为微型力测量器件的检测区域。
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| CN202310463021.6A CN116466126A (zh) | 2023-04-26 | 2023-04-26 | 一种基于挠曲电效应和光电效应增强的mesfet器件 |
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| CN116466126A true CN116466126A (zh) | 2023-07-21 |
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- 2023-04-26 CN CN202310463021.6A patent/CN116466126A/zh active Pending
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