一种基于硒化锗二维材料的场效应晶体管及其应用

本发明涉及场效应晶体管，尤其涉及一种基于硒化锗二维材料的场效应晶体管及其应用。

背景技术：

1、场效应晶体管是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路的一种半导体器件。随着电子信息技术的不断发展，要求电子器件的能耗更低，体积更小，集成度更高，但近五十年来，fet的尺寸一直在缩小。如今，mos型场效应管和其他多栅晶体管的特征尺寸已达到5纳米，缩减工艺极其困难，几乎无法进一步缩减尺寸，并且进一步缩放将导致短沟道效应(sce)等实际问题。而解决途径之一就是通过探索具有高带隙的新型沟道材料来研发fet，克服硅基芯片的物理尺寸限制。

2、作为最早发现的二维纳米材料，石墨烯自2004年问世以来，凭借其独特的物理化学性能，在纳米光电子领域有着巨大的应用潜力，吸引了人们大量的关注和研究。但由于其天然的零带隙结构限制了其在纳米电子领域中广泛的实际应用。近几年，硒化锗材料引起人们的注意，它拥有着独特的结构，并且展示了优异的光电性能，因此成为了石墨烯二维材料的替代选择。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于硒化锗二维材料的场效应晶体管及其应用，该场效应晶体管体积小，结构整齐；并采用硒化锗做沟道，能达到满足hp应用标准的开关电流、亚阈值摆幅，进而提高场效应管的性能。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：一方面，提供一种基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，包括从下至上依次堆叠的衬底，第一隔离层，硒化锗沟道，第二隔离层，单栅极结构，以及与所述单栅极结构相邻的源极/漏极。

3、通过上述技术方案，本发明不仅可以通过介质层材料和栅压来调控源漏电流，还可以通过改变硅烯衬底的掺杂浓度来对源漏调控，以此大大提高了场效应管的调控能力。其中，第一隔离层和第二隔离层为氧化层和真空层，优选为真空层；所得场效应晶体管体积小，结构整齐；并采用硒化锗做沟道，能达到满足hp应用标准的开关电流、亚阈值摆幅，进而提高场效应管的性能。

4、进一步地，所述衬底是由二维蜂窝型的硅烯制备而成，且所述硅烯具有翘曲单层六元环结构。

5、进一步地，所述第一隔离层为氧化层或真空层；所述第二隔离层为氧化层或真空层。

6、通过上述技术方案，氧化层和真空层都能用于防止硒化锗沟道与单栅极结构、衬底进行相互影响。

7、进一步地，所述氧化层的厚度为10-70nm。

8、通过上述技术方案，使用抽真空的技术在硒化锗沟道下生长硅烯衬底层。沟道材料与衬底材料层的材质不同，沟道材料层与衬底材料层之间形成肖特基接触。

9、进一步地，所述硒化锗沟道是由n型掺杂或者p型掺杂硒化锗制成。

10、通过上述技术方案，利用垂直热壁化学气相沉积法cvd在硒化锗外延层上生长10nm的硒化锗p型或n型重掺杂区；利用垂直热壁化学气相沉积法cvd在硅烯外延层上生长10nm的硅烯p型或n型重掺杂区。

11、进一步地，所述单栅极结构是由绝缘介质层和金属层堆叠而成。

12、通过上述技术方案，利用光刻和蒸镀金属技术制作栅电极；采用的基底包括金属层和绝缘介质层；首先，将601正性光刻胶旋涂到绝缘介质层1上，旋涂时间为60s，旋涂速度为4000转/分钟；之后，再通过光刻和显影，在绝缘介质层1上制成电极图案掩膜，其中所用显影液为四甲基氢氧化铵，显影时间为15s。最后，利用电子束蒸发蒸镀机依次蒸镀厚度为10nm的金属层，然后使用丙酮进行泡洗，除去光刻胶及电极区域外的金属层，得到金属电极。

13、进一步地，所述绝缘介质层的材质为sio2、sic、sin、hfo2、tio2中的任意一种。

14、进一步地，所述栅电极、源电极、漏电极采用的金属为au、cu、ni、ti、cr、ag中的一种或者两种。

15、进一步地，所述源极/漏极包含有硅锗和硒化锗，所述硒化锗中的ge浓度为23％～27％，所述硅锗中的si浓度为17％～24％。

16、另一方面，提供了上述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管的应用。

17、通过上述技术方案，由于短通道效应和摩尔定律已经接近物理极限，将栅极长度缩小到10纳米以下的硅晶体管几乎不可能达到国际半导体技术路线图(itrs)的目标，而此场效应晶体管具有体积小，响应快等多个优点。能够满足itrs对hp和低功耗(lp)的要求。

18、本发明的有益效果在于：本发明不仅可以通过介质层材料和栅压来调控源漏电流，还可以通过改变硅烯衬底的掺杂浓度来对源漏调控，以此大大提高了场效应管的调控能力。

19、本发明通过改变栅极介质层材料发现，不一样的介质层我们可以得到不同的亚阈值摆幅和开态电流。其中，不同的介质层有不一样的相对介质常数。随着介质常数的增加，介质层对器件性能的影响逐渐增强。例如，以sio2、al2o3和hfo2为底物时，离子和ss均随着相对介质常数的降低而逐渐改善。当基体为al2o3时，离子从786μa/μm增大到1206μa/μm,ss值从134.2mv/dec减小到123.4mv/dec。

20、本发明通过栅压来调控输出特性曲线，施加正偏压时，随着栅极电压的增大，源漏电极减小，且在更小的源漏电压下饱和；施加负栅压时，饱和电流增大。

21、本发明通过对源漏区域中硅烯衬底的掺杂来进行调控，最佳的掺杂浓度为1×1013cm-2。

技术特征：

1.一种基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，其特征在于，包括从下至上依次堆叠的衬底，第一隔离层，硒化锗沟道，第二隔离层，单栅极结构，以及与所述单栅极结构相邻的源极/漏极。

2.根据权利要求1所述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，其特征在于，所述衬底是由二维蜂窝型的硅烯制备而成，且所述硅烯具有翘曲单层六元环结构。

3.根据权利要求1所述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，其特征在于，所述第一隔离层为氧化层或真空层；所述第二隔离层为氧化层或真空层。

4.根据权利要求3所述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，其特征在于，所述氧化层的厚度为10-70nm。

5.根据权利要求1所述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，其特征在于，所述硒化锗沟道是由n型掺杂和p型掺杂硒化锗制成。

6.根据权利要求1所述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，其特征在于，所述单栅极结构是由绝缘介质层和栅电极堆叠而成。

7.根据权利要求6所述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘介质层的材质为sio2、sic、sin、hfo2、tio2中的任意一种。

8.根据权利要求6所述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，其特征在于，所述栅电极、源电极、漏电极采用的金属为au、cu、ni、ti、cr、ag中的一种或者两种。

9.根据权利要求1所述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管，其特征在于，所述源极/漏极包含有硅锗和硒化锗，所述硒化锗中的ge浓度为23％～27％，所述硅锗中的si浓度为17％～24％。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的基于硒化锗二维材料的场效应晶体管在光电领域的应用。

技术总结
本发明涉及一种基于硒化锗二维材料的场效应晶体管及其应用，包括从下至上依次堆叠的衬底，第一隔离层，硒化锗沟道，第二隔离层，单栅极结构，以及与所述单栅极结构相邻的源极/漏极。本发明具有的优点是该场效应晶体管体积小，结构整齐；并采用硒化锗做沟道，能达到满足HP应用标准的开关电流、亚阈值摆幅，进而提高场效应管的性能。

技术研发人员：袁延忠,张亚君,郭彩霞,袁秋林,杨豪强,于坤,王芳
受保护的技术使用者：河南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13