一种基于黑磷制备顶栅型场效应管的方法及场效应管与流程

本发明涉及顶栅型场效应管，特别是一种基于黑磷（bp）制备的顶栅型场效应管的方法及场效应管。

背景技术：

自从石墨烯在2004年被发现以来，二维材料就引起了科学界的广泛关注。这些材料在逻辑器件、光电探测器、柔性触摸屏、射频器件等方面有着广泛的应用前景。但这些范德瓦尔斯力结合的层状二维材料，由于表面缺少本征的悬挂键，在集成高介电常数栅介质（例如al2o3、hfo2）时，遇上了难以克服的瓶颈。

作为目前最成熟的工业化栅介质制备技术——原子层沉积工艺（ald），因其精确的厚度控制，出色的样品表面平整度以及较低的生长温度，是cmos工艺中制备栅介质的标准方法。但是，对于大多数传统的二维材料而言，例如石墨烯和过渡金属硫族化合物，却难以通过这种标准的工艺进行介电层生长。为了将栅介质均匀地生长在二维材料表面，前人采取了各种预处理方法用以在二维材料表面形成悬挂键。例如，利用紫外臭氧对样品表面进行氧化，等离子体轰击样品表面，在样品表面旋涂有机聚合物或者热蒸发超薄金属膜作为种子层等等方法。但是这些方法不仅增加了技术复杂性，而且导致二维材料产生许多的晶格缺陷并减少了器件的整体栅极电容。

为了将二维材料实际应用在未来可能的集成电路中，需要利用标准cmos工艺更好地将栅介质集成在二维材料上。黑磷（bp）作为最近新兴的二维材料，在拥有高迁移率高开关比的同时，也表现出“类硅”的特性，也即晶体表面可以自然形成天然无定形氧化物（氧化磷，pxoy）。这种在黑磷晶体表面自然形成的氧化层与黑磷晶体晶格匹配，不会影响到黑磷晶体本身的优异性能。

中国专利cn107342228a公开了一种利用黑磷制作顶栅型场效应管的方法，但其采用的是黑磷量子点（或者纳米片）溶液，且其绝缘层处理方法是旋涂法、提拉法和化学气相沉积法，并不是cmos工艺中标准的原子层沉积工艺，制备出来的栅介质质量差，只适合一些特定的场合使用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有二维材料（例如石墨烯以及过渡金属硫化物等）必须经过表面预处理才能集成高介电常数栅介质，且具有晶格缺陷的不足，提供一种不需要进行表面预处理，且采用原子层沉积方法就能很好地在二维材料表面长出栅介质的基于黑磷制备顶栅型场效应管的方法及场效应管。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于黑磷制备顶栅型场效应管的方法，其包括利用机械剥离法得到固体黑磷，并利用固体黑磷表面的天然氧化层pxoy作为种子层，采用cmos工艺中的原子层沉积法直接在固体黑磷表面生长高介电常数介质栅。

所述高介电常数介质栅为al2o3介质栅或hfo2介质栅。

所述基于黑磷制备顶栅型场效应管的方法包括下列步骤：

1）、利用微机械剥离法将具有自氧化层的黑磷晶体剥离到硅片上,使硅片上附着薄层黑磷纳米片；

2）、利用电子束曝光方法在黑磷纳米片的两端形成源电极图案和漏电极图案，并利用电子束镀膜制备源电极和漏电极；

3）、利用原子层沉积法在源电极和漏电极之间的黑磷纳米片上表面生长al2o3介质栅；

4）、利用电子束曝光方法在al2o3介质栅上形成栅电极图案，并利用电子束镀膜制备栅电极；

5）、封装，即得。

所述原子层沉积法包括：

（1）将附着有黑磷纳米片的硅片放入反应腔内，并通入纯度为99.9997%，气流通量为40sccm的氮气清洗20分钟；

（2）设定升温时长为25min-35min，加热反应腔至148℃-152℃；

（3）在反应腔内通入三甲基铝和蒸馏水，并设定三甲基铝的通入时间为8s-12s，蒸馏水的通入时间为8s-12s，切换阀门时间为0.015s，且以此为一个周期，如此进行273个周期，直至在附着有黑磷纳米片的硅片生长厚度为30nm的al2o3介质栅；

（4）待al2o3介质栅生长完毕，取出即可。

所述具有自氧化层的黑磷晶体的形成方法是：将黑磷晶体放置在空气中至少30s。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种所述基于黑磷制备顶栅型场效应管方法制备的场效应管。

基于黑磷独特的“类硅”特性，本发明采用机械剥离方法得到固体黑磷薄片，不需要任何复杂的表面预处理方法即可直接利用固体黑磷薄片表面的天然氧化层pxoy作为种子层，利用cmos工艺中的原子层沉积法直接在固体黑磷表面生长高介电常数介质栅（al2o3），这样既简化了cmos工艺制备流程，又保持了二维材料（黑磷）本身的优异性质。

申请人通过实验发现，集成有al2o3介质栅的黑磷场效应晶体管（fet）表现出良好的性能，其表现出高载流子迁移率（空穴~420，电子~80cm²v^-1s^-1），高开关比（>10³）。此外，al2o3介质栅可有效钝化黑磷，防止其在空气中降解，同时解决了黑磷在实际应用中最严重的氧化问题。此外，以30nmal2o3介质栅作为顶栅介质的黑磷顶栅型场效应管还展现出优异的亚阈值摆幅（~0.5v/dec），高的跨导（15.2μs）以及较小的回滞窗口（~1.5v），同时，利用这种方法制备得到的同质黑磷反相器，展现出良好的电压增益(>1.6)，满足实际集成电路的应用要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于黑磷制备顶栅型场效应管的方法的流程示意图。

图2是本发明制备的顶栅黑磷器件的截面示意图。其中s代表源极，d代表漏极，g代表顶栅电极，vtg代表在器件上施加的顶栅电压，vbg代表背栅电压。

图3是利用黑磷自氧化层进行原子层沉积工艺的反应步骤图，其中（i）表示没有pxoy的黑磷无法吸附前驱体，（ii）表示通过自氧化处理后，黑磷便可以将第一种前驱体（水分子）化学吸附在表面，（iii）表示随后利用纯氮气吹出多余的水分子及副反应物，再通入第二种前驱体（三甲基铝分子），便可在黑磷表面形成单原子层的al2o3，（iv）循环整个过程，即可得到高质量的al2o3介质栅（同理，也适用于hfo2）。

图4是黑磷（bp）样品上生长al2o3介质栅的原子力显微镜扫描图。由图中可知，黑磷样品上生长al2o3介质栅后的表面粗糙度仅有0.29nm。由此表明利用黑磷自身的天然氧化层作为种子层，可以很好地在黑磷表面进行原子层沉积。

图5是集成有al2o3介质栅的黑磷场效应管的输运特性和转移曲线图，其中a为集成有al2o3介质栅的黑磷场效应管的输运特性，b为在空气中随时间变化的转移曲线图。由图中可知，集成有al2o3介质栅的黑磷场效应管具有高载流子迁移率（空穴~420，电子~80cm²v^-1s^-1），高开关比（>10³），并且由于al2o3介质栅的保护，器件能在空气中稳定存放相当长的时间。

图6是集成有al2o3介质栅的黑磷场效应管的基本表征和输运特性图，其中a为光学及电镜表征，b为转移特性扫描曲线（对数坐标下），c为与背栅调控的对比曲线。图中s代表源极，d代表漏极，tg代表顶栅电极，ids代表源漏电流，vds代表源漏电压，vg代表栅压，vtg代表顶栅电压，gm代表跨导。由图中可知，集成有al2o3介质层的黑磷场效应管展现出优异的亚阈值摆幅（接近0.5v/dec），高的跨导（15.2μs）和较小的回滞窗口（接近1.5v）。利用天然自氧化层pxoy作为种子层生长出来的顶栅型al2o3介质栅，相比于传统的sio2底栅介质层，性能提高了十倍以上。

图7是基于本发明制备的顶栅黑磷场效应管制备的p-p型逻辑反相器，其中a为光学及电镜表征，b为三维结构示意图，c为输出特性曲线图。图中，vdd代表供给电压，vin代表输入电压，vout代表输出电压，gnd代表接地极，p型代表空穴型，g代表增益。由图中可知，在供给电压vdd=1v时，其展现出良好的增益(>1.6)，可以满足实际集成电路的要求。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。

如图1所示，本发明基于黑磷制备顶栅型场效应管的方法一实施例包括下列步骤：

一、微机械剥离法制备黑磷纳米片：（1）将块体黑磷晶体（型号：smartelements）从手套箱中取出，放置在条状胶带（型号：scotchtape）上。值得注意的是，整个过程是在空气中进行，有利于黑磷形成自氧化层。实验发现，黑磷形成自氧化层的时间小于三十秒，所以只要整个过程长于三十秒即可。（2）通过反复对折胶带，将块体黑磷剥离至薄层，并附着在整条胶带上。（3）将胶带粘贴至硅片上（掺杂类型：p型；氧化层厚度：285nm）。静置一分钟之后，剥离开胶带，便可以在硅片上得到薄层黑磷纳米片。

二、电子束曝光得到所需电极图案：（1）利用含有坐标位移台的光学显微镜（型号：olympusdx51）对样品（硅片上的黑磷纳米片）的位置进行定位，记录下横、纵坐标值。（2）旋涂电子束曝光胶（型号：pmma950k）至硅片衬底，参数为前转600r（或500r,550r,600r,650r,700r），持续10s（或8s,9s,10s,11s,12s），后转4000r(或3800r,3900r,4000r,4100r,4200r)，持续40s（或38s,39s,40s,41s,42s）。再在烘干台上加热120s(或110s,115s,120s,125s,130s)，温度为170℃(或165℃,170℃,175℃)。（3）确定好坐标后，曝光出所需要的电极图形（参数为高压：10kv，孔径尺寸：30μm，束电流：217pa）。（4）曝光完后，取出硅片，在显影液中静置30s（或28s,29s,30s,31s,32s），定影液中静置30s（或28s,29s,30s,31s,32s）。最后取出样品，用气枪将样品表面残留的液体冲干净，即可得到所需电极图案。

三、电子束镀膜制备金属电极：（1）将电子束曝光后的样品放入电子束镀膜机的超高真空腔(型号：kurtj.leskerpvd500)内，利用机械泵和分子泵对腔体进行抽真空，持续时间需在8小时以上，以保证腔内的压强只有110^-5pa。（2）根据所需要镀的金属（纯度为99.995%），调整好相应的坩埚，并将高压枪的光斑聚焦到坩埚正中央。（3）本实验中都是先镀的钛（ti），后镀的金（au）。设置好镀膜参数（沉积厚度：ti：4nm，au：50nm，蒸发率：ti：0.5å／s；au：1.5å／s），打开挡板，镀膜机便自动开始镀膜。（4）镀膜完成后，破掉电子束镀膜机的真空，取出样品，便完成镀膜操作。（5）将镀好的硅片放入热丙酮内（约65℃，也可为55℃，60℃，65℃，70℃），盖好玻璃板，防止丙酮挥发，静置5min（或4min，5min，6min，7min）。（6）待硅片上的金膜出现气泡时，将装有热丙酮和硅片的烧杯放置在超声波清洗机里进行超声处理，大概持续1秒钟后取出。（7）将剥离好的硅片放入异丙醇溶液里进行清洗约1分钟，取出后用气枪将表面残留的液体去除，即可得到黑磷场效应管的源、漏极。

四、原子层沉积制备高质量al2o3栅介质：（1）将硅片放入反应腔内，并通入氮气(纯度：99.9997%，气流通量：40sccm)清洗20分钟。（2）加热反应腔至150℃（或148℃，149℃，150℃，151℃，152℃），设定升温时长为30min（或25min，30min，35min）。（3）在反应腔内通入三甲基铝和蒸馏水，并设定三甲基铝的通入时间为10s（或8s,9s,10s,11s,12s），蒸馏水的通入时间为10s（或8s,9s,10s,11s,12s），切换阀门时间为0.015s，以此为一个周期，反应进行273个周期（273个周期相当于生长的al2o3介质栅厚度为30nm）。（4）待al2o3介质栅生长完毕，取出硅片（附着有黑磷纳米片样品）即可。

五、电子束曝光及镀膜制备黑磷顶栅电极：重复步骤三及步骤四，得到黑磷顶栅电极。此处，为了减小寄生电容并增强栅控特性，顶栅电极要完全覆盖住黑磷导电沟道。但是又要避免和源、漏电极重合，谨防器件漏电。在这里，顶栅电极依然是沉积厚度为4nm的ti，和50nm的au。

六、封装顶栅黑磷场效应管：（1）利用导电银浆胶将附着有黑磷纳米片的硅片固定在引脚芯片载体上（型号：r-150-0xx-1x-0x-0000）。（2）利用引线机（型号：westbond）将前面步骤所制备得到的黑磷顶栅器件封装入引脚芯片载体上，封装参数为：键合力：30g/n（或28g/n，29g/n，30g/n，31g/n，32g/n），键合强度（相对值）：60（或58，59，60，61，62），键合时间：25µs（或23µs，24µs，25µs，26µs，27µs），键合点长度：19µm（或18µm，19µm，20µm）。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。