调控材料载流子浓度的方法、场效应晶体管和制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种调控材料载流子浓度的方法、场效应晶体管和制造方法，该制备携带被调材料的场效应晶体管的步骤，其中，衬底、在衬底上生长的被调材料薄膜或者转移到衬底上的被调材料薄层、在衬底的被调材料薄膜或薄层上设置的源电极和漏电极、以及在衬底的另一面上设置的栅电极，其中，衬底为固体离子导体。将场效应晶体管放在设定环境中，在其栅电极和源电极之间加上电压，对被调材料的载流子浓度进行调控。根据本发明的方法，克服了固态氧化物或液态电解质作为栅介质的晶体管调控材料载流子浓度方法的局限，具有更大的击穿电场。对于层状具有范德瓦尔斯力的材料，能调节材料整体的载流子浓度，甚至可以获得新结构材料。
【专利说明】
调控材料载流子浓度的方法、场效应晶体管和制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及物理、材料科学领域和半导体技术领域，具体涉及一种电场效应调控材料载流子浓度的方法、用于电场效应调控材料载流子浓度的方法的场效应晶体管及其制造方法。【背景技术】
[0002]材料的性质与载流子浓度密切相关，调控材料的载流子浓度是改变材料性质的重要手段。
[0003]对绝缘体进行载流子掺杂是寻找新超导体的重要方法，铜基高温超导体就是对其绝缘母体进行空穴或者电子掺杂实现的，铁基高温超导体也是通过载流子掺杂实现超导或者获得更高超导转变温度的。除此之外，载流子浓度的调节还可以调控材料的量子相变，例如铁磁转变和莫特-哈伯德(Mott-Hubbard)转变。
[0004]—般情况下，材料载流子浓度的改变都是通过化学方法实现的，例如元素替代，这不可避免的会引入无序，无序对获得高性能的材料是不利的。受材料结构的影响，化学掺杂对载流子浓度的调节往往是不连续的。半导体技术也需要通过掺杂实现空穴型或电子型的半导体，原位电场调控载流子对半导体技术和工业将有重要的意义和应用。
[0005]为了获得一种干净和连续可调的方式，提出了利用电场效应调控载流子浓度的方法，到1960年场效应管的发明，该技术进入了实际应用的阶段。[〇〇〇6]目前应用最广泛的是两类场效应管:一类是使用二氧化硅(Si02)、钛酸锶(SrTi03) 等固态氧化物做栅介质的全固态场效应管，另一类是使用离子液体等液态电解质作为栅介质的电双层晶体管。
[0007]无论哪种场效应管，其基本原理都是:在材料表面镀上源电极和漏电极，在栅电极和源电极之间加上电压，在电场的作用下，固态氧化物栅介质中的电子或空穴、液态电解质中的阴离子或阳离子向材料移动，排列在栅介质和材料形成的界面上，与此同时，在材料靠近栅介质的表面会聚集等量异号的电荷。
[0008]改变电压可以改变电荷的积累量，从而实现对载流子浓度的连续可调。因为仅仅是通过电荷的积累，对材料本身的结构没有任何影响，因此是一种非常干净的调节载流子浓度的方法。
[0009]目前，利用电场效应调控载流子浓度的方法被广泛应用于探索新的超导体、制备新型器件和半导体工业。但是目前使用的两类场效应管都有各自的局限性:
[0010]使用二氧化硅(Si02)、钛酸锶(SrTi03)等固态氧化物做栅介质的全固态场效应管， 受栅介质击穿电场低的影响，其载流子浓度的调节能力非常有限。
[0011]以200纳米厚的二氧化硅(Si〇2)为例，其击穿电场小于10兆伏每厘米(MV/cm)，能聚集的最大载流子浓度为2 X1013每平方厘米(cm—2) (Journal of the Physical Society of Japan 83,032001 (2014))。到目前为止，应用此种方法调节未掺杂绝缘体的载流子浓度还未发现超导体。
[0012]使用离子液体等液态电解质作为栅介质的电双层晶体管，有很强的载流子浓度调节能力，以N，N-二乙基-N-甲基-N-乙基(2-甲氧基)季胺-二(三氟甲基磺酰)亚胺(DEME-TFSI)为例，能聚集的最大载流子浓度为8X1014每平方厘米(Cnf2)(J〇urnal of the Physical Society of Japan 83,032001(2014))，已经在很多绝缘材料中发现了超导电性。以能带绝缘体(band insulator)错氮氯(ZrNCl)为例，用离子液体(DEME-TFSI)构成电双层场效应管，当施加5伏的门电压时，可以获得14开尔文(K)超导转变温度(Nature Materials 9,125-128(2010))。
[0013]但是，使用离子液体等液态电解质作为栅介质需要考虑材料和电解质的电化学稳定性，很多材料会与离子液体发生电化学反应。而且，由于栅介质是液态的，其在器件上的应用受到了很大的限制，同时一般的表征手段无法使用，限制了其在材料物理领域的应用。
[0014]两类场效应管都是通过电场控制载流子在材料表面的积累，受电屏蔽长度的影响，其只能调控材料表面的载流子浓度，对材料整体无能为力，因此这些方法应用受到限制。
【发明内容】
[0015]本发明的目的在于提供一种电场效应调控材料载流子浓度的方法，以打破使用固态氧化物作为栅介质的全固态场效应管和使用液态电解质作为栅介质的电双层晶体管调控材料载流子浓度方法的局限。
[0016]为此，本发明一方面提供了一种用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管，包括衬底、在衬底上生长的被调材料薄膜或者转移到衬底上的被调材料薄层、在衬底的被调材料薄膜或薄层上设置例如由蒸镀形成的源电极和漏电极、以及在衬底的另一面上设置的栅电极，其中，衬底为固体离子导体。
[0017]进一步地，上述固体离子导体为一类固体材料，其中的离子(如:锂离子导电玻璃中的Li+，四方氟化镧中的?_)在电场作用下能够移动到被调控的材料表面，或插入被调控材料中，从而改变被调控材料的载流子浓度。
[0018]进一步地，上述被调材料为层状具有范德瓦尔斯力的材料，例如铁硒薄层、石墨烯薄膜、或1T相二硒化钛薄层。
[0019]根据本发明的另一方面，提供了一种用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤:利用固体离子导体制作衬底的步骤;在衬底上生长被调材料薄膜或者将被调材料薄层转移到衬底上的步骤；以及在被调材料的表面上制作源电极和漏电极，并在衬底另外一面制作栅电极的步骤。
[0020]进一步地，上述被调材料为铁硒薄层的场效应晶体管的制造方法包括:(1)用胶带解理的方式获得铁硒薄层；(2)利用转移台将铁硒薄层从聚二甲基硅氧烷薄膜上转移到衬底上；(3)利用光刻以及剥离技术，在铁硒薄层上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。[0021 ]进一步地，上述被调材料为石墨烯薄膜的场效应晶体管的制造方法包括:(1)用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜；(2)将石墨烯薄膜从衬底上剥离，转移到衬底上；(3)在含有石墨烯薄膜的衬底上利用掩膜版的方法，在石墨烯薄膜上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。
[0022]进一步地，上述被调材料为IT相二硒化钛薄层的场效应晶体管的制造方法包括: (1)用胶带解理的方式获得1T相二硒化钛(lT-TiSe2)薄层；(2)利用转移台，将1T相二硒化钛(lT-TiSe2)薄层样品从聚二甲基硅氧烷薄膜上转移到衬底上；(3)利用光刻以及剥离技术，在1T相二硒化钛薄层上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。
[0023]进一步地，上述被调材料为石墨烯薄膜的场效应晶体管的制造方法包括:(1)用化学气相沉积生长大面积石墨烯薄膜；(2)将石墨烯薄膜从衬底上剥离，转移到四方氟化镧衬底上；(3)将含有石墨烯薄膜的四方氟化镧衬底上利用掩膜版的方法，在石墨烯薄膜上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在四方氟化镧衬底的另一面涂满银胶，充当栅电极。
[0024]本发明还提供了一种电场效应调控材料载流子浓度的方法，包括:制备携带被调材料的场效应晶体管的步骤，其中，场效应晶体管为根据上面所描述的用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管;将场效应晶体管放在设定环境中，在其栅电极和源电极之间加上电压，对被调材料的载流子浓度进行调控。[〇〇25] 进一步地，上述设定环境为:真空度小于1毫巴(mbar)、环境温度为220-600开尔文。[〇〇26] 进一步地，上述场效应晶体管置于真空抽到1毫巴以下、温度稳定在220-300开尔文的测量环境中，在栅电极和源电极之间加上电压，同时用锁相放大器测量被调材料的电阻。
[0027]根据本发明的方法，使用的栅介质材料是固态的，解决了栅介质与材料电化学不稳定性的问题，同时使其容易应用于器件，且易于表征。本方法使用的栅介质材料有更大的击穿电场，其对材料载流子浓度的调节能力比使用离子液体等液态电解质作为栅介质的电双层晶体管还要强。对于层状具有范德瓦尔斯力的材料，栅介质中的固态离子在电场的作用下可以插入到样品中，从而能调节材料整体的载流子浓度，甚至可以获得新的结构材料。
[0028]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。【附图说明】
[0029]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0030]图1是根据本发明的调控方法的示意图；
[0031]图2是根据本发明的调控方法的实施例一的被调材料铁硒(FeSe)在不同电压调控载流子浓度后电阻随温度的变化曲线；
[0032]图3是根据本发明的调控方法的实施例一的被调材料铁硒(FeSe)在电场驱动锂离子插层前后的X射线衍射(XRD)图谱；[0033 ]图4是根据本发明的调控方法的实施例二的被调材料石墨稀(graphene)在不同电压调控载流子浓度后电阻随温度的变化曲线；
[0034]图5是根据本发明的调控方法的实施例三的被调材料1T相二硒化钛(lT-TiSe2)在不同电压调控载流子浓度后电阻随温度的变化曲线；以及
[0035]图6是根据本发明的调控方法的实施例四的被调材料石墨稀(graphene)在不同电压调控载流子浓度后电阻随温度的变化曲线。【具体实施方式】
[0036]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0037]根据本发明的材料载流子浓度的调控方法，首先制备场效应管器件。将一种固体离子导体(如:锂离子导电玻璃)作为衬底，衬底上生长所需调控材料的薄膜，或者将获得的薄层材料转移到衬底上，在材料上表面镀上源电极和漏电极，在衬底另外一面做上栅金属电极。然后将器件放在合适的真空和温度环境中，在栅电极和源电极之间加上电压。在电场作用下，固体离子(如:锂离子导电玻璃中的锂离子(Li + ))聚集在材料表面，甚至插入到材料中，从而调控材料的载流子浓度。[〇〇38]所述固体离子导体中的离子，在电场作用下离子(如:锂离子导电玻璃中的锂离子 (L i + ))可以移动到被调控的材料表面，或插入被调控材料中，从而改变被调控材料的载流子浓度。所述的真空应确保材料在加电压过程中不损坏，一般真空度应优于1毫巴(mbar)。 所述的电场调控温度为220-600开尔文(K)。[〇〇39] 实施例一
[0040]本实施例的被调材料为铁硒(FeSe)薄层样品，对其载流子浓度的调节是按照如下步骤进彳丁的:
[0041](1)用胶带解理的方式获得厚度为11纳米、长为30微米以及宽为20微米的铁硒 (FeSe)薄层样品；[〇〇42](2)利用转移台，将铁硒(FeSe)薄层样品从聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上转移到锂离子导电玻璃衬底上，衬底厚度为150微米，面积为4毫米*4毫米；
[0043](3)利用光刻以及剥离技术，在铁硒(FeSe)薄层样品上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极，电极是由5纳米铬(Cr)和50纳米金(Au)构成的；
[0044](4)在锂玻璃衬底的另一面涂满银胶，充当栅电极；[〇〇45](5)将器件放在物性综合测量系统(PPMS)中，真空抽到优于1毫巴(mbar)以下，温度稳定在300开尔文(K)，用吉时利(Keithley)2400数字源表在栅电极和源电极之间加上电压，同时用锁相放大器(SR830)测量样品的电阻。
[0046]加电压后在电场作用下，锂离子导电玻璃中的锂离子插入到铁硒(FeSe)薄层样品中，改变了材料的载流子浓度。改变电压可以控制插入到样品中锂离子的含量，从而调控样品的载流子浓度。铁硒(FeSe)的超导转变温度与载流子浓度有很强的依赖关系，载流子浓度的改变会影响其超导转变温度。如图2所示，随着电压从0伏、2.6伏加到3.1伏，插入到铁硒(FeSe)中的锂离子含量逐渐增加，样品的电子浓度逐渐身高，其超导转变温度也从8开尔文(K)增加到了 46开尔文(K)。
[0047]相较于使用离子液体等液态电解质作为栅介质的电双层晶体管而言，使用锂离子导电玻璃作为栅介质来调控材料载流子浓度的方式可以进行物理性质和结构表征。如图3 所示，我们对铁硒(FeSe)薄层样品在锂离子插层前后进行了 X射线衍射(XRD)结构表征。没有锂离子插层之前，我们在16°看到了铁硒(FeSe)(001)衍射峰，锂离子插层之后，我们在13-14°之间发现了两个额外的衍射峰。这是在电场作用下，锂离子插入铁硒(FeSe)层间形成有序，形成了不同于铁硒(FeSe)结构的新材料锂铁硒(LixFe2Se2)，而这个材料常规方法是无法获得的。[〇〇48] 实施例二[0049 ]本实施例的被调材料为石墨稀(graphene)薄膜样品，对其载流子浓度的调节是按照如下步骤进行的:[0050 ](1)用化学气相沉积(CVD)生长大面积石墨稀(graphene)薄膜；
[0051](2)将石墨稀(graphene)薄膜从衬底上剥离，转移到锂离子导电玻璃衬底上，锂玻璃衬底厚度为150微米；[〇〇52](3)将含有石墨烯(graphene)薄膜的锂玻璃衬底切成4毫米*4毫米大小，利用掩膜版(mask)的方法，在石墨烯(graphene)薄膜上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极，电极是由5纳米铬(Cr)和30纳米金(Au)构成的；[〇〇53](4)在锂玻璃衬底的另一面涂满银胶，充当栅电极；[〇〇54](5)将器件放在物性综合测量系统(PPMS)中，真空抽到1毫巴(mbar)以下，温度稳定在260开尔文(K)，用吉时利(Keithley)2400数字源表在栅电极和源电极之间加上电压， 同时用锁相放大器(SR830)测量样品的电阻。[0〇55]加电压后在电场作用下，锂离子导电玻璃中的锂离子向石墨稀(graphene)薄膜移动，排列在锂玻璃和薄膜形成的界面上，与此同时，在薄膜内会聚集等电荷量的电子。改变电压可以改变电子的积累量，从而调控石墨烯(graphene)薄膜的载流子浓度。如图4所示， 随着电压从〇伏、5伏加到10伏，石墨稀(graphene)薄膜中电子浓度逐渐增加，其从半导体变成了金属。[〇〇56] 实施例三
[0057]本实施例的被调材料为1T相二硒化钛(1 T-Ti Se2)薄层样品，对其载流子浓度的调节是按照如下步骤进行的:[〇〇58](1)用胶带解理的方式获得厚度为10纳米、长为25微米以及宽为10微米的1T相二硒化钛(lT_TiSe2)薄层样品；
[0059](2)利用转移台，将1T相二硒化钛(1T-TiSe2)薄层样品从聚二甲基硅氧烷(PDMS) 薄膜上转移到锂离子导电玻璃衬底上，衬底厚度为150微米，表面积为4毫米*4毫米；
[0060](3)利用光刻以及剥离技术，在1T相二硒化钛(lT_TiSe2)薄层样品上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极，电极是由5纳米铬(Cr)和50纳米金 (Au)构成的；
[0061](4)在锂玻璃衬底的另一面涂满银胶，充当栅电极；[〇〇62](5)将器件放在物性综合测量系统(PPMS)中，真空抽到1毫巴(mbar)以下，温度稳定在240开尔文(K)，用吉时利(Keithley)2400数字源表在栅电极和源电极之间加上电压， 同时用锁相放大器(SR830)测量样品的电阻。
[0063] 加电压后在电场作用下，锂离子导电玻璃中的锂离子插入到1T相二硒化钛(1T-TiSe2)薄层样品中，改变了材料的载流子浓度。改变电压可以控制插入到样品中锂离子的含量，从而调控样品的载流子浓度。如图5所示，随着电压从0伏、2伏加到2.4伏，1T相二硒化钛(lT-TiSe2)薄层样品中电子浓度逐渐增加，电荷密度波(CDW)完全消失，变成了金属态。
[0064]实施例四
[0065]本实施例的被调材料为石墨稀(graphene)薄膜样品，对其载流子浓度的调节是按照如下步骤进行的:[0〇66 ] (1)用化学气相沉积(CVD)生长大面积石墨稀(graphene)薄膜；[〇〇67] (2)将石墨烯(graphene)薄膜从衬底上剥离，转移到四方氟化镧(LaF3)衬底上，氟化镧衬底厚度为500微米；[〇〇68] (3)将含有石墨烯(graphene)薄膜的氟化镧衬底切成5毫米*5毫米大小，利用掩膜版(mask)的方法，在石墨烯(graphene)薄膜上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极，电极是由5纳米铬(Cr)和30纳米金(Au)构成的；
[0069] (4)在氟化镧衬底的另一面涂满银胶，充当栅电极；以及
[0070] (5)将器件放在物性综合测量系统(PPMS)中，真空抽到1毫巴(mbar)以下，温度稳定在300开尔文(K)，用吉时利(Keithley)2400数字源表在栅电极和源电极之间加上电压， 同时用锁相放大器(SR830)测量样品的电阻。[〇〇71]加电压后在电场作用下，氟化镧中的氟离子向石墨烯(graphene)薄膜移动，排列在氟化镧和薄膜形成的界面上，与此同时，在薄膜内会聚集等电荷量的空穴。改变电压可以改变空穴的积累量，从而调控石墨烯(graphene)薄膜的载流子浓度。如图6所示，随着电压从〇伏、-5伏加到-9伏，石墨烯(graphene)薄膜中空穴浓度逐渐增加，其绝缘性逐渐减弱。
[0072]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管，其特征在于，包括衬底、在 所述衬底上生长的被调材料薄膜或者转移到所述衬底上的被调材料薄层、在所述衬底的被 调材料薄膜或薄层上设置的源电极和漏电极、以及在所述衬底的另一面上设置的栅电极， 其中，所述衬底为固体离子导体。2.根据权利要求1所述的用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管，其特征 在于，所述固体离子导体为一类固体材料，其中的离子在电场作用下能够移动到被调控的 材料表面或插入被调控材料中，所述被调材料为层状具有范德瓦尔斯力的材料。3.—种用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下 步骤:利用固体离子导体制作衬底的步骤；在所述衬底上生长被调材料薄膜或者将被调材料薄层转移到所述衬底上的步骤；以及在所述被调材料的表面上制作源电极和漏电极，并在所述衬底另外一面制作栅电极的步骤。4.根据权利要求3所述的用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特 征在于，所述被调材料为铁硒薄层的场效应晶体管的制造方法包括:(1)用胶带解理的方式获得铁硒薄层；(2)利用转移台将铁硒薄层从聚二甲基硅氧烷薄膜上转移到所述衬底上；(3)利用光刻以及剥离技术，在铁硒薄层上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测 量的另两个测量电极；以及(4)在所述衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。5.根据权利要求3所述的用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特 征在于，所述被调材料为石墨烯薄膜的场效应晶体管的制造方法包括:(1)用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜；(2)将石墨烯薄膜从衬底上剥离，转移到所述衬底上；(3)在含有石墨烯薄膜的所述衬底上利用掩膜版的方法，在所述石墨烯薄膜上镀上源 电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在所述衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。6.根据权利要求3所述的用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特 征在于，所述被调材料为1T相二硒化钛薄层的场效应晶体管的制造方法包括:(1)用胶带解理的方式获得1T相二硒化钛(lT-TiSe2)薄层；(2)利用转移台，将1T相二硒化钛(lT-TiSe2)薄层样品从聚二甲基硅氧烷薄膜上转移 到所述衬底上；(3)利用光刻以及剥离技术，在1T相二硒化钛薄层上镀上源电极和漏电极，以及做四引 线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在所述衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。7.根据权利要求3所述的用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特 征在于，所述被调材料为石墨烯薄膜的场效应晶体管的制造方法包括:(1)用化学气相沉积生长大面积石墨烯薄膜；(2)将所述石墨烯薄膜从衬底上剥离，转移到四方氟化镧衬底上；(3)将含有石墨烯薄膜的四方氟化镧衬底上利用掩膜版的方法，在石墨烯薄膜上镀上 源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在所述四方氟化镧衬底的另一面涂满银胶，充当栅电极。8.—种电场效应调控材料载流子浓度的方法，其特征在于，包括:制备携带被调材料的场效应晶体管的步骤，其中，所述场效应晶体管为根据权利要求1 至3中任一项所述的用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管；将所述场效应晶体管放在设定环境中，在其栅电极和源电极之间加上电压，对被调材 料的载流子浓度进行调控。9.根据权利要求8所述的电场效应调控材料载流子浓度的方法，所述设定环境为:真空 度小于1晕巴(mbar)、环境温度为220-600开尔文。10.根据权利要求8所述的电场效应调控材料载流子浓度的方法，其特征在于，将所述 场效应晶体管置于真空抽到1毫巴以下、温度稳定在220-300开尔文的测量环境中，在栅电 极和源电极之间加上电压，同时用锁相放大器测量被调材料的电阻。
【文档编号】H01L21/336GK106024901SQ201610585699
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月22日
【发明人】陈仙辉, 雷彬
【申请人】中国科学技术大学先进技术研究院