一种大开关比场效应晶体管的制备方法
【专利说明】一种大开关比场效应晶体管的制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种纳机电系统(NEMS)应用领域，特别是一种可用于数字逻辑电路的大开关比场效应晶体管的制备方法。
【背景技术】
[0003]石墨烯是碳原子以Sp2轨道杂化组成六角形蜂巢状晶格的平面薄膜，拥有独特的机械和电学性能。其高电子迀移率、室温下的量子霍尔效应、弹道运输、自旋极化的运输等特性，在未来微电子领域具有巨大的应用潜力，很有可能代替硅作为下一代晶体管的理想材料。当前，石墨烯在微电子领域最成熟的器件概念是石墨烯场效应晶体管，这种结构最有前景的两个应用方向是数字逻辑电路和射频电路。其中，对于数字逻辑电路，要求晶体管具有高的载流子迀移率、大的开关比、高的电导率和低的截止电导。经过测试发现，悬浮石墨稀的载流子迀移率可达到16 cm2V—1C3将石墨稀转移到衬底上时，由于衬底的影响和杂质散射等原因，实际的迀移率达不到悬浮石墨烯的水平。据研究表明，把机械剥离的石墨烯转移到具有氧化层的硅片上时，其载流子迀移率通常可达到10，000-15，000 Cm2V-1S-1，甚至可达到40,000-70,000 cnA^s—1C3单层石墨稀高的载流子迀移率可以保证晶体管的快速响应，但是石墨稀是一种零带隙的二维材料。带隙的缺乏表明石墨稀不能确保低的截止电流，限制了其在数字逻辑电路上的应用。在此基础上，科研工作者尝试采用各种方法来为石墨烯打开带隙，例如把石墨稀加工成纳米带，在双层石墨稀中外加电场，对石墨稀施加应力，化学功能化，边缘修饰法等等。但是这些方法会对石墨烯的结构造成破坏，从而降低其本征迀移率。
[0004]过渡金属硫化物(Transit1nmetal dichalcogenides, TMDCs)是一类以MX2为化学式的材料，其中M为过渡金属元素，X为硫族元素。这类材料具有与石墨烯相似的层状结构，由两个硫族元素原子组成的六角形平面和夹在中间的金属原子平面构成。最引人注目的是这种材料具有带隙，并且随着材料由体状结构变为单层结构，其带隙有增大的趋势(1.1-1.9 eV)。这些特点使得研究工作者对其在晶体管上的应用产生了极大的兴趣，目前已经有基于单层过渡金属硫化物的场效应晶体管被制备出来了，这种晶体管具有单层石墨烯场效应晶体管所不具备的关断特性。但是经过测试发现，过渡金属硫化物转移到衬底上时，其载流子迀移率仅有几百cm2 T1 s — 1，而转移到S12衬底上时，单层石墨烯仍可达到10,000 cm2 T1 S—1，载流子迀移率对晶体管的响应速度有很大影响，因此相对较小的载流子迀移率不利于基于过渡金属硫化物的场效应晶体管的广泛应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种大开关比场效应晶体管的制备方法。本发明结合了石墨烯的高载流子迀移率和过渡金属硫化物的带隙，以石墨烯和二硫化钨组成的异质结构作为沟道材料，获得高响应速度和大开关比的场效应晶体管。
[0006]本发明的技术方案:一种大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于，按下述步骤进行:
①采用机械剥离法制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片，选取带有氧化层的单晶硅片作为衬底，将石墨烯薄片、二硫化钨薄片、石墨烯薄片依次转移到衬底上，形成石墨烯异质结；
②在石墨烯异质结上均匀旋涂光刻胶，再将掩膜版上图形通过曝光转移到光刻胶上，并采用电子束蒸镀沉积Ti/Au金属得到Ti/Au电极，制得基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管。
[0007]前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述步骤①中的机械剥离法采用粘胶带的方法，胶带采用3M Scotch胶带。
[0008]前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述步骤①中的衬底采用带有300nm的二氧化硅氧化层的η型掺杂单晶硅片。
[0009]前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，在背栅石墨烯场效管隧穿晶体管中，以η型掺杂单晶硅片作为背栅极，以顶层石墨烯薄片的一端作为源极，以底层石墨烯薄片的一端作为漏极。
[0010]前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述步骤①中制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片的原材料分别是高定向热解石墨和二硫化钨的块状晶体。
[0011]前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述石墨烯薄片是长条状的，二硫化钨薄片是正方形状的，底层的长条状石墨烯薄片与顶层的长条状石墨烯薄片交叉布置，正方形状二硫化钨薄片位于交叉处。
[0012]前述的大开关比场效应晶体管的制备方法中，所述步骤②中采用电子束蒸镀沉积1nm厚度的Ti金属和50nm的Au金属。
[0013]与现有技术相比，本发明结合了石墨烯的高载流子迀移率和过渡金属硫化物的带隙，以石墨烯和二硫化钨(单层时能带隙能为1.9 eV)组成的异质结构作为沟道材料，获得高响应速度和大开关比的场效应晶体管，为数字逻辑电路的发展提供了理论依据。本发明采用石墨烯作为沟道材料，保证了晶体管的响应速度，并且电流在异质结中以隧穿的形式流动，需要克服石墨烯的隧穿态密度和二硫化钨的隧穿势皇，突破了石墨烯的零带隙限制，保证了晶体管的开关特性，克服了石墨烯场效应晶体管在数字逻辑电路应用上的局限性。
【附图说明】
[0014]图1是石墨烯异质结的结构示意图；
图2是基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管的示意图；
图3是基于石墨烯异质结的隧穿场效应晶体管电路接线示意图。
[0015]附图中的标记为:1-η型掺杂单晶硅片，2-300nm的二氧化硅氧化层，3-石墨烯薄片，4-二硫化钨薄片，5-石墨烯薄片，6-Ti/Au电极。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0017]实施例。一种大开关比场效应晶体管的制备方法，其特征在于，按下述步骤进行:
①采用机械剥离法制备石墨烯薄片和二硫化钨薄片，选取带有氧化层的单晶硅片作为衬底，将石墨烯薄片、二硫化钨薄片、石墨烯薄片依次转移到衬底上，形成石墨烯异质结；
②在石墨烯异质结上均匀旋涂光刻胶，再将掩膜版上图形通过曝光转移到光刻胶上，并采用电子束蒸镀沉积Ti