场效应晶体管及其制备方法

1.本技术属于半导体电子器件技术领域，尤其涉及一种场效应晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.场效应晶体管(field effect transistor，fet)简称场效应管，是一种利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的半导体器件，由多数载流子参与导电，具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。场效应晶体管一般都有栅极(gate)、漏极(drain)、源极(source)三个端。近年有尝试将二维层状材料用于场效应晶体管中。
3.二硒化钨(wse2)具有独特的可调谐带隙的层状结构，已被探索成为用于光伏电池和光电探测器的下一代半导体材料。构建pn结是增强wse2光响应特性的有效途径，但高质量的基于wse
2 pn结的光电探测器合成仍面临一些挑战，例如制造工艺复杂、光响应性低、此外，目标材料难以准确定位到另一个薄片上，结处的范德华(vdw)间隙会抑制载流子电荷转移，从而降低器件性能。
4.肖特基势垒(schottky barrier，sb)形成在wse2和金属之间的界面处，这将导致高的接触电阻，而wse2和金属之间的高接触电阻(rc)是构建基于wse2的高性能光电探测器的关键障碍。所以，制造具有低接触电阻的原位2d wse2的pn同质结在技术上仍然具有挑战性。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种场效应晶体管及其制备方法，旨在解决如何提供性能优异的具有水平同质pn结的场效应晶体管题。
6.为实现上述申请目的，本技术采用的技术方案如下：
7.第一方面，本技术提供一种场效应晶体管，场效应晶体管包括：
8.衬底；
9.二硒化钨层，形成于衬底上；
10.源极和漏极，形成于二硒化钨层上；
11.其中，源极和漏极之间的沟道下方的二硒化钨层具有水平同质pn结，水平同质pn结由相邻的本征n+型二硒化钨层和p+型掺杂二硒化钨层形成，p+型掺杂二硒化钨层上形成有钨氧化物外延层。
12.第二方面，本技术提供一种上述场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
13.在衬底上制备初始二硒化钨层；
14.在初始二硒化钨层上制备源极和漏极；
15.在源极和漏极之间的沟道下方的初始二硒化钨层部分表面进行氧等离子体处理形成水平同质pn结。
16.本技术第一方面提供的场效应晶体管是一种水平二硒化钨pn结型场效应晶体管，该场效应晶体管的源极和漏极之间的沟道下方的二硒化钨层具有水平同质pn结，通过相邻的本征n+型二硒化钨层和p+型掺杂二硒化钨层形成。这样的水平同质pn结界面处相比异质结界面，不需要克服范德华力以及其他杂质影响，从而吸引了大量的自由电子往钨氧化物外延层转移，形成了欧姆接触，因此本技术场效应晶体管具有低接触电阻和高光响应特性，用于光电探测器中具有卓越的光探测率，具有很好的应用前景。
17.本技术第二方面提供的场效应晶体管的制备方法，通过在源极和漏极之间的沟道下方的初始二硒化钨层部分表面进行氧等离子体处理，这样可以沟道下方形成水平同质pn结。这样的制备方法不仅工艺简单，而且通过对二硒化钨形成p+型掺杂作用，调制其能带结构形成水平同质pn结，使得制得的场效应晶体管具有低接触电阻和高光响应特性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
19.图1是本技术实施例提供的场效应晶体管的结构示意图；
20.图2是本技术实施例提供的场效应晶体管的制备方法流程示意图。
具体实施方式
21.为了使本技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本技术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仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
22.本技术中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
23.本技术中，“至少一种”是指一种或者多种，“多种”是指两种或两种以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。
24.应理解，在本技术的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
25.在本技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
26.本技术实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本技术实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本技术实施例说明书公开的范围之内。具体地，本技术实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
27.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本技术实施例范围的情况下，第一xx也可以被称为第二xx，类似地，第二xx也可以被称为第一xx。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
28.本技术实施例第一方面提供一种场效应晶体管，如图1所示，场效应晶体管包括：
29.衬底；
30.二硒化钨层，形成于衬底上；
31.源极和漏极，形成于二硒化钨层上；
32.其中，源极和漏极之间的沟道下方的二硒化钨层具有水平同质pn结，水平同质pn结由相邻的本征n+型二硒化钨层和p+型掺杂二硒化钨层形成，p+型掺杂二硒化钨层上形成有钨氧化物外延层。
33.本技术实施例提供的场效应晶体管是一种水平二硒化钨pn结型场效应晶体管，该场效应晶体管的源极和漏极之间的沟道下方的二硒化钨层具有水平同质pn结，通过相邻的本征n+型二硒化钨层和p+型掺杂二硒化钨层形成。这样的水平同质pn结界面处相比异质结界面，不需要克服范德华力以及其他杂质影响，从而吸引了大量的自由电子往钨氧化物外延层转移，形成了欧姆接触，因此本技术场效应晶体管具有低接触电阻和高光响应特性，用于光电探测器中具有卓越的光探测率，具有很好的应用前景。
34.具体地，二硒化钨层的材料包覆p+型高掺杂wse2和本征n+型wse2，分别形成p+型掺杂二硒化钨层和本征n+型二硒化钨层，该两层在源极和漏极之间的沟道下方的同一水平上相邻，形成水平同质pn结结构。这样就可以不需要克服范德华力以及其他杂质的影响，从而吸引了大量的自由电子往钨氧化物(wo
x
)外延层转移，而且欧姆接触也形成了，水平同质pn结也具备了，因此具有高光探测率。
35.在一实施例中，p+型掺杂二硒化钨层占二硒化钨层面积的20～80％，例如p+型掺杂二硒化钨层区域占二硒化钨层总面积的20％、25％、30％、35％、40％、50％、65％、70％、75％、80％等。上述条件下可以很好地实现水平同质pn结，进一步地，钨氧化物外延层由氧等离子体处理二硒化钨层表面形成，这样钨氧化物外延层覆盖在p+型掺杂二硒化钨层上，p+型掺杂二硒化钨层的区域即为氧等离子体处理区域，钨氧化物外延层与p+型掺杂二硒化钨层的区域重合。例如，p+型掺杂二硒化钨层占二硒化钨层面积的50％，二硒化钨层上50％区域覆盖着钨氧化物外延层。
36.在一实施例中，二硒化钨层的厚度为10～25nm，如10nm、15nm、20nm、25nm等。氧等离子体处理的部分厚度可以在1～3nm之间，这样氧等离子体处理形成的钨氧化物外延层的厚度为1～3nm，下方形成p+型掺杂二硒化钨层区域。上二硒化钨层的厚度和氧等离子体处理的厚度，不仅可以实现水平同质pn结，同时可以很好地利用二硒化钨材料的性能，以提高场效应晶体管的高光响应特性。
37.在一实施例中，源极和漏极之间的沟道宽度为1～3μm，该宽度范围内可以很好地进行氧等离子体处理形成水平同质pn结，水平同质pn结界面位于沟道下方。进一步地，源极的厚度为50～100nm，漏极的厚度为50～100nm。
38.在一实施例中，源极和漏极的材料为金属，如可以分别独立选自钛(ti)、铬(cr)和金(au)中的至少一种；具体可以通过蒸镀金属的方式制备源极和漏极。
39.在一实施例中，衬底包括依次层叠的硅层和二氧化硅层。这样场效应晶体管从下到上依次包括：硅层(p+)、二氧化硅层、二硒化钨层以及源极和漏极；其中，源极和漏极之间的沟道下方的二硒化钨层具有水平同质pn结，由相邻的本征n+型二硒化钨层和p+型掺杂二硒化钨层形成。
40.本技术实施例第二方面提供一种场效应晶体管的制备方法，如图2所示，该制备方法包括以下步骤：
41.s01：在衬底上制备初始二硒化钨层；
42.s02：在初始二硒化钨层上制备源极和漏极；
43.s03：在源极和漏极之间的沟道下方的初始二硒化钨层部分表面进行氧等离子体处理形成水平同质pn结。
44.本技术实施例提供的场效应晶体管的制备方法，通过在源极和漏极之间的沟道下方的初始二硒化钨层部分表面进行氧等离子体处理，这样可以沟道下方形成原位横向的水平同质pn结。这样的制备方法不仅工艺简单，而且通过对二硒化钨形成p+型掺杂作用，调制其能带结构形成水平同质pn结，使得制得的场效应晶体管具有低接触电阻和高光响应特性。
45.上述步骤s01中，可以采用机械剥离方式在衬底上制备初始二硒化钨层；通过机械剥离块体wse2到衬底上，形成10～25nm厚度的wse2，后续进行电子束光刻和电子束金属沉积，去胶，得到本征wse2两端器件。
46.上述步骤s02中，可以采用蒸镀金属的方式在初始二硒化钨层上制备源极和所述漏极。具体地，初始二硒化钨层一侧沉积金属形成源极层，另一侧沉积金属形成漏极层。金属各自可以选自钛、铬和金中的至少一种。
47.上述步骤s03中，氧等离子体处理的步骤中，氧等离子体处理的条件包括：功率为18～22w，时间100～140s；进一步地，功率为20w，时间120s。在上述条件下可以很好地构筑水平pn结，提高场效应晶体管的光探测效率。为实现水平同质pn结，在源极和漏极之间沟道下方进行氧等离子体处理，具体可以是源极(或漏极)以及其周围接触处的二硒化钨经过1～3nm厚度的氧等离子体处理，这样可以实现从金属电极到处理过二硒化钨部分为p+型。
48.在一实施例中，在源极和漏极之间的沟道下方的初始二硒化钨层部分表面进行氧等离子体处理形成水平同质pn结的步骤包括：用光刻胶掩盖沟道下方的初始二硒化钨层部分表面，用氧等离子体处理初始二硒化钨层的暴露部分形成钨氧化物外延层；然后去除光刻胶，得到水平同质pn结。
49.例如，可以通过光刻、去胶，以光刻胶阻挡初始二硒化钨层一半面积，然后用氧气等离子体处理暴露的部分，形成钨氧化物外延层。
50.下面结合具体实施例进行说明。
51.实施例1
52.一种场效应晶体管，结构如图1所示，其制备方法包括如下步骤：
53.步骤s11：准备衬底即层叠的硅层(厚度0.2cm)和二氧化硅层(厚度256μm)；采用机械剥离方式将块体wse2剥离到衬底的二氧化硅层上，形成厚度为10nm的初始二硒化钨层；
54.步骤s12：在初始二硒化钨层上进行电子束光刻和电子束金属沉积，去光刻胶，从而在初始二硒化钨层上形成源极(材料是ti，厚度100nm)和漏极(材料是ti，厚度100nm)，源
极和漏极之间沟道宽度为2μm，长度为3μm；
55.步骤s13：再次光刻，去光刻胶，沿源极和漏极之间沟道正中间，用光刻胶下掩盖沟道下方二硒化钨一半面积，用功率为20w、时间为120s的氧等离子体处理条件处理暴露的部分，形成厚度为1nm的钨氧化物(wo
x
)外延层，形成水平wse2同质pn结。
56.实施例2
57.一种场效应晶体管，结构如图1所示，其制备方法包括如下步骤：
58.步骤s21：准备衬底即层叠的硅层(厚度0.2cm)和二氧化硅层(厚度256μm)；采用机械剥离方式将块体wse2剥离到衬底的二氧化硅层上，形成厚度为20nm的初始二硒化钨层；
59.步骤s22：在初始二硒化钨层上进行电子束光刻和电子束金属沉积，去光刻胶，从而在初始二硒化钨层上形成源极(材料是ti，厚度100nm)和漏极(材料是ti，厚度100nm)，源极和漏极之间沟道宽度为3μm，长度为4μm；
60.步骤s23：再次光刻，去光刻胶，沿源极和漏极之间沟道间距2：8的距离处，用光刻胶下掩盖沟道下方二硒化钨1/5的面积，用功率为20w、时间为120s的氧等离子体处理条件处理暴露的部分，形成厚度为2nm的钨氧化物(wo
x
)外延层，形成水平wse2同质pn结。
61.对比例1
62.一种场效应晶体管，
63.衬底、源极和漏极均与实施例1相同，不同之处在于，源极和漏极与衬底之间的pn结是水平wse2/res2异质pn结。
64.对比例2
65.一种场效应晶体管，
66.衬底、源极和漏极均与实施例1相同，不同之处在于，源极和漏极与衬底之间的pn结是聚乙烯亚胺(pei)掺杂wse2的pn结。
67.性能测试
68.对上述实施例和对比例的场效应晶体管进行形成测试(在532nm波长的激光下，使用吉时利4200半导体分析仪(keithley 4200)测试我们的场效应晶体管的光电流强度，进而计算光探测率)，结果如表1所示。
69.表1
70.项目光波长(nm)光响应度(ma w-1
)实施例15327.1
×
104实施例25323
×
104对比例15323
×
103对比例252080
71.表1数据表明：本技术实施例的场效应晶体管具有更好的光响应特性，因此可以很好地用于光电探测器中。
72.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。