CN210866187U - 一种场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种场效应晶体管，属于微纳加工技术领域。包括衬底、导电沟道、源电极、漏电极、三氧化二铝栅介质层和栅电极，所述衬底上设有介质层，所述导电沟道设于介质层上，所述源电极和漏电极分别位于导电沟道的两侧，源电极、漏电极和裸露的导电沟道表面覆盖一层种子层，所述栅介质层设于种子层上，所述栅电极设于栅介质层上。所述导电沟道为二维材料导电沟道。所述衬底为高阻本征硅衬底。所述介质层为二氧化硅介质层。本申请在器件表面采用ALD沉积高K介质Al2O3作为顶栅介质层，不仅简化了工艺步骤，减小了工艺对二维材料导电沟道的损伤；而且在不改变顶栅介质层功能的同时减小了栅介质层的厚度，提高了器件性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种场效应晶体管，用于场效应晶体管太赫兹探测器中，属于微纳加工技术领域。
背景技术
目前室温太赫兹探测器常用的结构是基于太赫兹天线耦合的场效应晶体管型太赫兹探测器，通过合理的太赫兹天线设计以及选择合适的二维材料作为导电沟道，可以实现室温下对太赫兹波的高灵敏度探测。其中，天线设计与场效应晶体管的源极、漏极和栅极相对应，其中源极和漏极与场效应晶体管的二维材料导电沟道为欧姆接触，而栅极是通过顶栅介质与场效应晶体管的二维材料导电沟道形成肖特基接触，通过施加不同的栅压可以有效调控二维材料导电沟道内载流子的浓度和迁移速度，从而使场效应晶体管型太赫兹探测器的太赫兹探测性能达到最优。
场效应晶体管的性能受到两个最重要的因素的影响，一个是沟道的材料，它决定了器件性能的潜力，另一个就是栅介质材料，由于它直接和沟道接触，它的性能会很大地影响整个器件的性能。硅基技术之所以能走到今天，不是因为硅材料有多么出色，而极大程度上受益于二氧化硅的栅介质层，二氧化硅作为硅的天然栅介质，把硅基技术推到了今天。要实现栅压通过栅介质对场效应晶体管的优异调控，必须要提高所用栅介质的电容，而提高栅极电容最有效的就是减小栅介质的厚度和提高栅介质的介电常数。传统硅基场效应晶体管常用的栅介质层为二氧化硅，其相对介电常数为3.9，当栅介质层厚度降低时，漏电流增加，限制了其在纳米级场效应晶体管中的应用。另一方面，目前常使用电子束光刻刻出顶栅介质窗口，然后使用电感耦合等离子体化学气相沉积(ICPCVD)或磁控溅射的方法沉积二氧化硅栅介质层，不仅工艺较为复杂，同时沉积的二氧化硅栅介质层对二维材料有较大的损伤，导致器件性能较差。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种场效应晶体管，不仅工艺简单，而且在不改变栅介质层功能的同时减小栅介质层的厚度，减小对二维材料导电沟道的损伤，提高器件性能。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种场效应晶体管，包括衬底、导电沟道、源电极、漏电极、三氧化二铝栅介质层和栅电极，所述衬底上设有介质层，所述导电沟道设于介质层上，所述源电极和漏电极分别位于导电沟道的两侧，所述源电极、漏电极和裸露的导电沟道表面覆盖一层种子层，所述栅介质层设于种子层上，所述栅电极设于栅介质层上。
所述导电沟道为二维材料导电沟道。
所述衬底为高阻本征硅衬底。
所述介质层为二氧化硅介质层。
所述三氧化二铝栅介质层的厚度为10～15nm。
所述种子层的厚度为1～5nm，所述种子层为通过热蒸发镀一层铝薄层并在空气中氧化而成的三氧化二铝种子层。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：一种场效应晶体管，在器件表面采用ALD沉积高K介质Al2O3作为顶栅介质层，不仅简化了工艺步骤，减小了工艺对二维材料导电沟道的损伤；而且在不改变顶栅介质层功能的同时减小了栅介质层的厚度，提高了器件性能。
附图说明
图1为本实用新型实施例一种场效应晶体管的示意图；
图2～图7为本实用新型实施例一种场效应晶体管的制备流程图；
图8为本实用新型实施例中沟道电流IDS随栅压VG的变化曲线图；
图9为本实用新型实施例中栅介质漏电流IGS随栅压VG的变化曲线图；
图中1高阻本征硅衬底、2 SiO2介质层、3 二维材料导电沟道、4 Al2O3顶栅介质层、5 源电极、6 漏电极、7 栅电极、8 Al2O3种子层。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的一种场效应晶体管，包括高阻本征硅衬底1、二维材料导电沟道3、源电极5、漏电极6、三氧化二铝栅介质层4和栅电极7，高阻本征硅衬底1上设有二氧化硅介质层2，二维材料导电沟道3设于二氧化硅介质层2上，源电极5和漏电极6分别位于二维材料导电沟道3的两侧，源电极5、漏电极6和裸露的二维材料导电沟道3表面覆盖一层三氧化二铝种子层8，三氧化二铝栅介质层4设于三氧化二铝种子层8，栅电极7设于三氧化二铝栅介质层4上。
如图8、9所示，本申请采用原子层沉积(ALD)的方法直接在二维材料导电沟道3表面沉积高K栅介质材料Al2O3，Al2O3的介电常数为～10，较SiO2的介电常数要大，由公式：C＝εrε0/d(其中，C为栅介质电容值，εr为栅介质材料的相对介电常数，ε0为真空介电常数，d为栅介质层的厚度)可以看出，在相同厚度介质厚度情况下，Al2O3顶栅介质层4的介电性能较SiO2顶栅介质层好，达到相同调控需要的栅电压更小，同时其高的相对介电常数，厚度减小时，场效应晶体管的漏电流也更小，提高了器件的性能。二维材料导电沟道3表面自然钝化，没有悬挂健，即没有供Al2O3生长的成核点，导致无法直接在二维材料导电沟道3表面沉积Al2O3。因此，在使用ALD沉积Al2O3之前，需要先使用热蒸发镀约2nm的薄层Al，该薄层Al在空气中会迅速氧化成Al2O3，为后续使用ALD沉积Al2O3提供成核位点。在具体实施中，首先在制备好的器件表面整体镀一层2nm的Al，然后利用ALD沉积10nm的Al2O3，即完成了顶栅介质的制备。
一种场效应晶体管的制备工艺，其步骤如下：
步骤一：在带有二氧化硅介质层2的高阻本征硅衬底1上通过机械剥离制备二维材料作为场效应晶体管的导电沟道3，如图2所示；
步骤二：利用电子束光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离等微纳工艺制备场效应晶体管的源电极5和漏电极6，如图3所示；
步骤三：利用ALD制备Al2O3顶栅介质层，具体方法如下：
S1：首先利用热蒸发镀膜在步骤二中的器件表面生长厚度为2nm的Al，如图4所示；
S2：将S1中表面镀有Al的器件暴露在空气中约10min，器件表面的Al会迅速氧化为Al2O3，作为后续ALD沉积Al2O3的种子层8，如图5所示；
S3：利用ALD在Al2O3种子层表面生长厚度为10nm的Al2O3，作为场效应晶体管的顶栅介质4，如图6所示；
步骤四：利用电子束光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离等微纳工艺制备场效应晶体管的栅电极7，如图7所示；
步骤五：完成场效应晶体管的制备，测试时直接使用测试用的探针将源电极5和漏电极6表面的Al2O3扎穿即可。
除上述实施例外，本实用新型还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种场效应晶体管，其特征在于：包括衬底、导电沟道、源电极(5)、漏电极(6)、三氧化二铝栅介质层(4)和栅电极(7)，所述衬底上设有介质层，所述导电沟道设于介质层上，所述源电极(5)和漏电极(6)分别位于导电沟道两侧，所述源电极(5)、漏电极(6)和裸露的导电沟道表面覆盖种子层(8)，所述栅介质层(4)设于种子层(8)上，所述栅电极(7)设于栅介质层(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述导电沟道为二维材料导电沟道(3)。
3.根据权利要求1所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述衬底为高阻本征硅衬底(1)。
4.根据权利要求1所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述介质层为二氧化硅介质层(2)。
5.根据权利要求1所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述栅介质层(4)的厚度为10～15nm。
6.根据权利要求1所述的一种场效应晶体管，其特征在于：所述种子层(8)的厚度为1～5nm，所述种子层(8)为通过热蒸发镀一层铝薄层并在空气中氧化而成的三氧化二铝种子层。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111739964A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-10-02 | 西北工业大学 | 一种双栅结构的二维半导体光电探测器及其制备方法 |
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2019
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN111739964A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-10-02 | 西北工业大学 | 一种双栅结构的二维半导体光电探测器及其制备方法 |
| CN111739964B (zh) * | 2020-06-29 | 2022-05-06 | 西北工业大学 | 一种双栅结构的二维半导体光电探测器及其制备方法 |
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