一种基于二硫化钼薄膜的pvdf基铁电场效应管的制备方法
【专利摘要】本发明公开一种基于二硫化钼薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法。其特征在于，在热氧化生长SiO2的Si衬底上制备MoS2薄膜，然后采用光刻、lift off方法刻蚀出场效应管结构的源漏电极，然后将聚偏氟乙烯基有机铁电聚合物薄膜转移至有源漏电极的MoS2薄膜上，经过退火处理，去除界面残留溶剂及保证薄膜具有良好结晶特性。最后再通过光刻、刻蚀方法制备金属栅电极从而制备完成MoS2铁电场效应晶体管器件，本发明制备一种有机铁电场效应晶体管结构，方法及工艺简单，为研究铁电极化调控MoS2的电子输运特性以及相关光电、存储器件提供了保证。
【专利说明】一种基于二硫化钼薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及调控MoS2电子输运特性的有机铁电场效应晶体管的制备技术，具体指一种基于聚偏氟乙烯基有机铁电聚合物作为晶体管的绝缘介质层来调控MoS2电子输运特性的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，二维层状半导体材料由于其优异的电学、光学、机械等性能受到了越来越广泛的关注。在众多二维材料中，石墨烯首先得到了人们的广泛研究，但是，作为开关器件的应用，石墨烯会受到零带隙的限制而无法实现较高的开关比。与之相比，MoSJt为过渡金属硫化物中的典型代表，其单层禁带宽度可达1.8eV，而体材料的间接带隙宽带也可达到1.2eV，这使得MoS2在低静态功耗和高开关比器件上具有良好的应用前景。Radisavljevic[Nature Nanotechnology6, 147 (2011)]首先制作出单层 MoS2 场效应晶体管，器件的开关比可达18并且具有超低的静态功耗，而MoS2的迁移率可达Zncm2V-1S'随后，Zongyou Yin [ACS Nano 6, 74(2012)]利用MoS2的光电特性制备出基于单层MoS2的光电晶体管,其光电响应可达到 7.5mA/W。Lee H S [SmalI 8, 3111(2012)]利用 P (VDF/TrFE)作为MoS2场效应晶体管的栅电介质，制备出基于单层MoS2的非易失性存储器，其保持特性在读写比率为13下可保持1000s，并且将MoS2的迁移率提高到由于迁移率是MoS2作为开关器件的一个重要指标，因此有效调控MoS2中载流子的输运特性就成为了解决其应用的关键技术。
[0003]有机铁电聚合物PVDF基铁电聚合物中，二元材料P (VDF/TrFE)的铁电性可与无机氧化物铁电材料相比拟，因此，P (VDF/TrFE)基的MoS2铁电场效应晶体管有望成为最佳调控MoS2载流子输运的最佳体系。2012年，Lee H S[Small8，3111 (2012)]利用P (VDF/TrFE)作为栅绝缘材料制备出应用于非易失性存储器的MoS2场效应晶体管，并且将MoS2的迁移率提高到22001^^,这与HfO2作为栅电介质的MoS2晶体管不相上下。2013年，WPark [Nanotechnology 24, 475501(2013)]研究了 P (VDF/TrFE)的压电性能对 MoS2 的影响，制备出了基于P (VDF/TrFE)的接触式传感器。这些研究结果都表明，随着P (VDF/TrFE)薄膜的极化反转，在界面处产生的电场使相邻的MoS2中的载流子浓度发生变化，最终导致了MoS2中载流子的迁移率等参数的变化。
[0004]本发明基于PVDF基有机铁电场效应管器件结构研究铁电极化对MoS2电子输运特性的研究，为研究铁电极化调控MoS2的电子输运特性以及相关光电、存储器件提供了保证。
【发明内容】
[0005]本发明提出一种基于二硫化钥薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法，实现了有机铁电聚合物薄膜对MoS2电子输运特性调控的器件制备。
[0006]1.一种基于二硫化钥薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法。其特征包括以下步骤:
[0007](I)采用机械剥离方法或化学气相沉积方法在285nm的S12衬底上制备MoS2薄膜；
[0008](2)在MoS2薄膜表面经过旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、烘烤等步骤得到所需的源漏电极图形结构；再经过热蒸发金属、lift-off步骤生长金属电极；
[0009](3)将PVDF基有机铁电聚合物通过朗缪尔-布罗基特或旋涂的方法转移至有MoS2图形的衬底上，通过逐层转移一定厚度的PVDF基有机铁电聚合物薄膜，并将生长的薄膜经过退火处理，薄膜的退火温度135°C，维持4小时后，冷却至室温，便得到高结晶性PVDF基铁电聚合物薄膜；
[0010](4)在已经生长好PVDF基铁电聚合物的衬底上热蒸发金属，再经过旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、烘烤、Ar离子刻蚀等步骤得到所需的栅电极的图形结构，经过上述步骤便得到PVDF基铁电场效应晶体管器件。
[0011]所述的衬底材料为285nm S12衬底，衬底的表面粗糙度低于2纳米。
[0012]所述的MoS2薄膜为单层至七层，厚度为0.7nm至5nm。
[0013]所述的旋涂光刻胶的转速为4k转每分钟，烘烤温度为85°C，紫外光曝光时间为20秒。
[0014]所述的PVDF基有机铁电聚合物为聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P (VDF/TrFE)。
[0015]所述的PVDF基有机铁电聚合物溶液的溶剂为二甲基亚砜，其溶液浓度的质量百分含量为0.01%。
[0016]朗缪尔-布罗基特方法所用的超纯水的电阻为18.2兆欧姆，液面表面压控制在5毫牛顿每米。
[0017]本发明特点在于制备一种调控MoS2电子输运特性的PVDF基铁电场效应晶体管器件，利用该方法制备的晶体管器件，其工艺简单，成本低，易于制备。
【专利附图】
【附图说明】
:
[0018]图1为调控MoS2电子输运特性的PVDF基铁电场效应晶体管的制备流程图；
[0019]图2为采用本方法制备的场效应晶体管的结构图；
[0020]其中，①为Si ;②为S12 ;③为MoS2薄膜；④为源漏金属电极；⑤为PVDF基有机铁电聚合物薄膜；⑥为金属栅电极。
[0021]图3为采用本方法制备的MoS2铁电场效应晶体管的转移特性曲线图。
【具体实施方式】
:
[0022]下面将是结合附图1，表述本发明的具体实施方法，分为2个实施例进行具体表述。具体步骤依次为:
[0023]a,实施例1:
[0024]将S12衬底材料清洗干净保证其表面的清洁度，采用化学气相沉积方法生长MoS2薄膜。然后在MoS2薄膜表面经过旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、烘烤步骤得到所需的源漏电极图形结构；再经过热蒸发Au、lift-off步骤得到源漏Au电极；
[0025]其中所述的旋涂光刻胶的转速为4k转每分钟，烘烤温度为85摄氏度，紫外光曝光时间为20秒。
[0026]将PVDF基聚合物P (VDF-TrFE)溶于二甲基亚砜溶液中，其溶液浓度为质量百分含量为0.01%。然后将P (VDF-TrFE)有机铁电聚合物二甲基亚砜溶液均匀铺入已经注入静置超纯水的朗缪尔-布罗基特设备的液体槽中，超纯水电阻为18.2兆欧姆，待有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力至5毫牛每米，使薄膜成膜连续；
[0027]其中所述超纯水电阻为18.2兆欧姆。
[0028]将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至已经制备出源漏电极图形的MoS2薄膜衬底上，通过重复转移P (VDF-TrFE)有机铁电聚合物薄膜，得到一定厚度的铁电薄膜，并将生长的铁电薄膜经过退火处理4小时，退火温度为135°C，冷却至室温，即可得到高结晶性的P(VDF-TrFE)有机铁电聚合物薄膜。
[0029]在已经生长好P (VDF-TrFE)有机铁电聚合物薄膜的衬底上热蒸发金属Al，再通过光刻、Ar离子刻蚀等步骤得到所需的栅电极结构。
[0030]经过上述步骤便可形成具有调控MoS2电子输运特性的PVDF基铁电场效应晶体管器件。其器件结构图可参照附图2。
[0031]b，实施例 2:
[0032]将S12衬底材料清洗干净保证其表面的清洁度，采用机械剥离方法生长MoS2薄膜。然后在MoS2薄膜表面经过旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、烘烤步骤得到所需的源漏电极图形结构；再经过热蒸发Au、lift-off步骤得到源漏Au电极；
[0033]其中所述的旋涂光刻胶的转速为4k转每分钟，烘烤温度为85摄氏度，紫外光曝光时间为20秒。
[0034]将PVDF基聚合物P (VDF-TrFE)溶于二甲基亚砜溶液中，其溶液浓度为质量百分含量为2.5%。然后将P(VDF-TrFE)有机铁电聚合物二甲基亚砜溶液通过旋涂的方法逐层的转移到MoS2的图形衬底上，得到一定厚度的铁电薄膜，再将生长的铁电薄膜经过4小时的退火处理，退火温度为135°C，冷却至室温，便可得到高结晶性的P(VDF-TrFE)有机铁电聚合物薄膜；
[0035]其中所述旋涂P (VDF-TrFE)有机铁电聚合物二甲基亚砜溶液的转速为3k转每分钟，旋涂时间为20s。
[0036]在已经生长好P (VDF-TrFE)有机铁电聚合物薄膜的衬底上热蒸发金属Al，再通过光刻、Ar离子刻蚀等步骤得到所需的栅电极结构。
[0037]经过上述步骤便可形成具有调控MoS2电子输运特性的PVDF基铁电场效应晶体管器件。其器件结构图可参照附图2，其测试出的转移特性曲线可参照附图3。
【权利要求】
1.一种基于二硫化钥薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)采用机械剥离或化学气相沉积的方法在285±5nm的S12衬底上制备MoS2薄膜； (2)在MoS2薄膜表面经过旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、烘烤等步骤得到所需的场效应管源漏电极的图形；再经过热蒸发金属电极、liftoff步骤将源漏电极结构生长金属； (3)将聚偏氟乙烯基有机铁电聚合物薄膜转移至有MoS2图形的衬底上，通过逐层转移一定厚度的PVDF基有机铁电聚合物薄膜，并将生长的薄膜经过退火处理，薄膜的退火温度110-135°C，保持4小时后，冷却至室温，便得到高结晶性PVDF基铁电聚合物薄膜； (4)在已经生长好PVDF基铁电聚合物的衬底上热蒸发制备金属电极，再经过旋涂光刻胶、烘烤、紫外光曝光、显影、烘烤、Ar离子刻蚀等步骤得到所需的栅电极的图形结构，经过上述步骤便得到PVDF基铁电场效应晶体管器件。
2.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钥薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法，其特征在于，所述的旋涂光刻胶的转速为4k转每分钟，烘烤温度为85°C，紫外光曝光时间为20秒。
3.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钥薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法，其特征在于，所述的PVDF基有机铁电聚合物溶液的溶剂为二甲基亚砜，其溶液浓度的质量百分含量为0.01%。
4.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钥薄膜的PVDF基铁电场效应管的制备方法，其特征在于，所用超纯水的电阻为18.2兆欧姆，液面表面压控制在5毫牛顿每米。
【文档编号】H01L51/30GK104362252SQ201410546599
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】王旭东, 王建禄, 孟祥建, 韩莉, 孙硕, 沈宏, 林铁, 孙璟兰, 褚君浩 申请人:中国科学院上海技术物理研究所