一种二维材料场效应晶体管的制造方法

本发明属于半导体晶体管，具体涉及一种二维材料场效应晶体管的制造方法。

背景技术：

1、过去的六十多年间，微纳电子器件的研究与开发一直遵循着摩尔定律，尺寸的不断缩小，使得器件的驱动力、功耗、成本与时钟效应的基本要求都得到满足。但是，摩尔定律的发展也使得传统硅基器件逐渐面临功耗与性能的理论极限。因此，为了有效地解决此类问题，人们已经开始了对新材料的相关研究，其中以二维材料为代表的新型材料受到了微纳电子研究领域的广泛关注。然而，通常使用的二维材料场效应晶体管工艺是在基底上转移一层完整、高质量的二维材料，是十分具有挑战性的，并且针对本征硅基底上生长的二维材料进行转移十分困难，且转移后的二维材料清洁、平整也极具挑战，因此发展一种直接在本征硅基底上生长及制备晶体管的工艺是非常必要的。

技术实现思路

1、本发明提供一种二维材料场效应晶体管的制造方法，直接在本征硅上生长结晶度高的二维材料，解决了现有技术中二维材料晶体管制备工艺的不足。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种二维材料场效应晶体管的制造方法，包括以下步骤：

4、(1)在本征硅衬底上直接生长二维材料层；

5、(2)在二维材料层表面沉积一层容易自氧化的金属层；

6、(3)旋涂光刻胶，曝光显影，腐蚀外露金属层，形成实际需要的多阵列矩形金属层图案，并去除光刻胶；

7、(4)旋涂电极光刻胶，通过曝光在矩形边缘定义源极和漏极的具体位置，通过沉积获得源极和漏极，去除光刻胶；

8、(5)旋涂沟道光刻胶，曝光并显影，得到沟道图形，使金属层自氧化得到栅介质，沉积栅金属形成栅极；

9、(6)刻蚀掉多余的二维材料层，形成二维材料场效应晶体管阵列。

10、以上所述步骤中，步骤(1)中的所述二维材料层的生长方法为：化学气相沉积或物理气相沉积；所述的沉积反应温度为200-1500℃，沉积反应时间为1-1000分钟；所述二维材料层为石墨烯、碳纳米管、二硫化钼、二硒化钨、硒化钒、磷烯、碲烯、硼烯、氧化硼、氢化硼、硫化硼、磷化硼、氟化硼、硼化钼、硼化铁、硼化镁、硼碳氮或有机硼化合物中的一种或者几种；

11、步骤(2)中所述金属为铝、镍或钛；所述的沉积方法为热蒸镀(te)、电子束蒸发(ebe)、原子层沉积(ald)或磁控溅射；所述金属的厚度控制在1～100nm；

12、步骤(3)中所述的刻蚀外露金属铝和镍的腐蚀液为氯化铁溶液，刻蚀外露金属钛的腐蚀液为氢氟酸溶液；

13、步骤(4)中所述源极和漏极为金、银、铜、铂、镍、钴、钌、铑、钯、锇、铱、铬/金、钛/金、钛/银、铬/镍、钛/镍、碳化钽、碳化钨或碳化钼，所述的源极和漏极厚度控制在10～200nm；

14、步骤(5)中所述金属层的自氧化温度为20～100℃，时间为4～36h；所述栅极为金、银、铜、铂、镍、钴、钌、铑、钯、锇、铱中的一种或几种合金，所述栅极厚度控制在60～600nm；

15、步骤(6)中所述刻蚀多余的二维材料的方法为：氧等离子刻蚀或者反应离子刻蚀；所述刻蚀处理功率为50-500w，处理时间为5-30分钟；所述氧等离子体的流量为10-500sccm；

16、上述方法制备的二维材料场效应晶体管，包括衬底、二维材料层、栅极、源极、漏极、栅介质；所述二维材料层阵列分布于衬底表面，所述栅介质位于二维材料层表面，所述源极和漏极位于栅介质的边缘，所述栅极位于栅介质表面；

17、所述二维材料层的厚度为0.5-100nm，所述的源极和漏极厚度控制在10～200nm，所述栅介质层厚度为1-100nm；

18、所述衬底材料为本征硅或在p型或n型硅表面同质外延生长的本征硅。

19、有益效果：本发明提供了一种二维材料场效应晶体管的制造方法，直接在本征硅上生长结晶度高的二维材料，并制备成栅调控的场效应晶体管。不仅可以有效地避免转移过程中与溶液的接触，保证了薄膜不被污染，还能够保证二维半导体层和绝缘介质具有优良的层界面，提高了晶体管的性能。

技术特征：

1.一种二维材料场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的二维材料场效应晶体管的制造方法，其特征在于，步骤(1)中所述二维材料层的生长方法为：化学气相沉积或物理气相沉积，沉积反应温度为200-1500℃，沉积反应时间为1-1000分钟。

3.根据权利要求1所述的二维材料场效应晶体管的制造方法，其特征在于，步骤(2)中所述金属为铝、镍或钛。

4.根据权利要求3所述的二维材料场效应晶体管的制造方法，其特征在于，步骤(3)中腐蚀外露金属铝和镍的腐蚀液为氯化铁溶液，刻蚀外露金属钛的腐蚀液为氢氟酸溶液。

5.根据权利要求1所述的二维材料场效应晶体管的制造方法，其特征在于，步骤(5)中所述金属层的自氧化温度为20～100℃，时间为4～36h。

6.根据权利要求1所述的二维材料场效应晶体管的制造方法，其特征在于，步骤(6)中刻蚀多余的二维材料的方法为：氧等离子刻蚀或者反应离子刻蚀，所述刻蚀处理功率为50-500w，处理时间为5-30分钟。

7.权利要求1-6任一项所述方法制备的二维材料场效应晶体管，其特征在于，所述晶体管包括衬底、二维材料层、栅极、源极、漏极、栅介质；所述二维材料层阵列分布于衬底表面，所述栅介质位于二维材料层表面，所述源极和漏极位于栅介质的边缘，所述栅极位于栅介质表面。

8.根据权利要求7所述的二维材料场效应晶体管，其特征在于，所述二维材料层的厚度为0.5-100nm，所述的源极和漏极厚度控制在10～200nm，所述栅介质层厚度为1-100nm，所述栅极厚度为60～600nm。

9.根据权利要求7或8所述的二维材料场效应晶体管，其特征在于，所述二维材料层为石墨烯、碳纳米管、二硫化钼、二硒化钨、硒化钒、磷烯、碲烯、硼烯、氧化硼、氢化硼、硫化硼、磷化硼、氟化硼、硼化钼、硼化铁、硼化镁、硼碳氮或有机硼化合物中的一种或者几种。

10.根据权利要求7所述的二维材料场效应晶体管，其特征在于，所述衬底材料为本征硅或在p型或n型硅表面同质外延生长的本征硅。

技术总结
本发明公开了一种二维材料场效应晶体管的制造方法，属于半导体晶体管领域，所述方法包括如下步骤：在衬底上直接生长二维材料层；在二维材料层表面蒸镀易自氧化的金属层；旋涂光刻胶，曝光显影，刻蚀使形成多阵列矩形的基二维材料与金属结构，并去除光刻胶；旋涂光刻胶，通过曝光显影在矩形边缘定义源极和漏极，通过沉积获得源极和漏极，去除光刻胶；旋涂沟道光刻胶，曝光并显影，得到沟道图形，使金属层自氧化得到栅介质，沉积栅金属并刻蚀掉多余的二维材料层；本发明提供了一种直接在本征硅衬底上直接生长二维材料层，且沟道处的二维材料得到了很好的保护，得到洁净的二维材料场效应晶体管。

技术研发人员：台国安,侯闯
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13