一种场效应晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及二维纳米材料制备及其场效应晶体管的制备方法，主要是利用范德瓦耳斯力将二种不同的二维晶体组成异质结结构，利用该异质结结构作为导电沟道材料制备场效应晶体管，该器件适用于集成电路等领域。

背景技术：

ic工业中随着器件尺寸越来越小，传统的硅基半导体已经逐步接近材料本身的物理极限。硅基微电子技术愈来愈受到短沟道效应，量子隧穿效应，功率损耗等因素的挑战，急需找到能够替代硅的下一代半导体材料。

随着2004年石墨烯的发现，开始掀起一阵研究二维材料的浪潮。当过渡金属二硫化物(tmdcs)由体材料变为二维结构时，电子的能带结构会由间接带隙变为直接带隙，这会使过渡金属二硫化物的光学和电学性能发生很大的变化，被誉为半导体界的“石墨烯”。二维材料以其超薄的材料厚度，载流子迁移率和带隙宽度可调控，超高的光吸收系数、良好的导电性、非常好的机械强度、延展性、柔性、不同材料之间不需要严格的晶格匹配等优点，在半导体高效率的太阳能电池、光探测器、电子及光电子器件应用方面展现出了极大的应用潜力。

这其中，像过渡金属二硫化物中的二硫化钼、二硫化钨和二硫化锡等具有较宽带隙有利于克服器件的短沟道效应，制备出更小尺寸的器件；材料具有层状结构，层与层之间仅靠微弱的范德瓦耳斯力结合在一起，容易通过机械剥离法制备成二维材料。

更为重要的是，这些二维晶体可以用于制备新型的异质结构，并且不同材料之间可以靠范德瓦尔斯力结合在一起，不需要严格的晶格匹配，并从根本上给材料科学带来革命性的进展。

现阶段场效应晶体管制备工艺需要经过衬底材料热生长，掺杂等多道复杂工艺，而且对于衬底与生长材料之间的晶格匹配要求严格。本专利意在提供一种工艺流程简单，对衬底和不同材料间晶格匹配要求低，不需要进行材料掺杂等工艺，而是利用范德瓦耳斯力将二种不同的二维晶体组成异质结结构，再利用该异质结结构作为导电沟道材料制备场效应晶体管及其制备方法。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明提供了一种场效应晶体管的制备方法：

步骤一，二维晶体的制备：将pet贴膜剪成两个2×5cm的长方形状，将高纯度晶体(石墨或硫化物晶体)置于两片pet膜粘性面之间，使两片pet膜不断接触和分离达到使晶体变薄的目的。然后将pet膜粘性面与pdms(聚二甲基硅氧烷)接触再将pet膜缓慢揭开，一部分晶体转移到pdms上，实现单层或少层石墨烯或二维硫化物晶体样品的制备。

步骤二，二维石墨烯和硫化物的筛选、转移：取步骤一中带有晶体的pdms，将其放到显微镜下观察，利用光学显微镜的对比度筛选出想要的二维晶体。然后转移二维硫化物晶体，将pdms与硅衬底接触，再将pdms缓慢揭开，这样二维硫化物晶体就转到了硅衬底上。

步骤三，借助于光学显微镜，将获得的少层石墨烯覆盖在少层二维硫化物晶体上，利用范德瓦耳斯力将少层石墨烯和少层二维硫化物晶体结合在一起组成异质结结构。

步骤四，场效应晶体管的制备：取步骤二中找到薄层的硅衬底，用丙酮溶液浸泡，然后再快速旋涂一层pmma光刻胶，将涂好光刻胶的硅片放入热板上烘烤。将硅衬底放上掩膜版，用电子束曝光机进行电极的曝光。用质量比为1:3的甲基异丁酮和异丙醇混合液作为显影液显影，并用ipa定影后用干燥氮气吹干。电子束蒸发在衬底和二种不同的二维晶体组成异质结结构上沉积金属薄膜电极层。

所述步骤一中，1)使用的原材料为高纯度的石墨或硫化物体材料；2)其中pdms为将184有机硅弹性体套件中基底与愈合剂按照10:1的比例混合而成，使用前先用透明胶带撕去上面几层保证其表面洁净；3)其中pet贴膜为生活中使用的pet材质手机膜，其粘性较弱容易克服高纯度的石墨或硫化物体晶体间微弱的范德瓦尔斯力；4)pet膜接触和分离的次数由以下决定，直到肉眼观察晶体厚度变薄并且均匀铺满pet膜表面，增大剥离出单层或少层的概率。所述步骤二中，所使用的光学显微镜为配备xy方向移动平台的型号。所述步骤三中，主要依靠高倍光学显微镜和pdms的透光特性，实现石墨烯与二维硫化物异质结的精确组装；所述步骤四中，旋涂光刻胶速度为5000转每分钟，厚度为200纳米；烘烤温度为180摄氏度，时间1分钟；显影液显影时间为40秒，定影时间为30秒；电子束蒸发沉积的金属电极为钛和金。

本发明的有益效果：

本发明先是在pdms衬底上利用机械剥离法制备的二维石墨烯和硫化物晶体，组成二维异质结后，将其转移到硅衬底上，再利用其制备场效应晶体管。二维晶体及其异质节的制备操作简单、快速、成本低，同时不需要经过掺杂工艺，保留了材料自身固有性质。利用二维石墨烯和硫化物纳米级别的厚度特性，可以有效减小器件尺寸。

本发明经过大量实验验证，总结出一种行之有效的制备方法，相比于现有晶体管的制备方法，不仅工艺简单，而且对衬底的要求更低，同时材料本身超薄的特性，可以构建垂直结构的器件，减小器件尺寸。

附图说明

图1：二维硫化物制备和转移示意图(a)制备过程(b)转移过程（二维晶体异质结制备示意图(a)二维晶体制备过程(b)二维晶体异质结组装过程）；

图2：二硫化锡表征图(a)原子力显微镜表征图(b)晶体管光镜图；

图3：二维硫化物晶体管光镜图(a)氮化硼为绝缘层的二硒化钼晶体管

(b)二硒化钼晶体管(c)三硫化二砷晶体管；

图4：场效应晶体管结构示意图。

具体实施方式

以下实例进一步说明本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施实例一

步骤一，首先制备二维石墨烯和二硫化锡晶体：其步骤如图1(a)所示，将pet贴膜剪成两个2×5cm的长方形状，将高纯度石墨或二硫化锡晶体置于两片pet膜粘性面之间，使两片pet膜不断接触和分离，直到肉眼观察晶体厚度变薄并且均匀铺满pet膜表面；在使用前先用透明胶带撕去pdms上面几层保证其表面洁净；然后将pet膜粘性面与pdms接触再将pet膜缓慢揭开，一部分晶体转移到pdms上，实现二维石墨烯和二硫化锡晶体样品的制备。

步骤二，二维石墨烯和二硫化锡晶体的筛选、转移：取步骤一中带有晶体的pdms，将其放到500倍的显微镜下观察，利用光学显微镜的对比度筛选出想要的二维晶体；然后转移其中的二硫化锡样品，其步骤如图1(b)所示，将pdms与硅衬底接触，再将pdms缓慢揭开，这样二维二硫化锡晶体就转到了硅衬底上；

步骤三，利用高倍显微镜和位移台，将带有石墨烯的pdms缓慢靠近带有二维二硫化锡的硅衬底，利用高倍显微镜和pdms的透光特性精确的将获得的特定位置的少层石墨烯覆盖在少层二维二硫化锡晶体上，利用范德瓦耳斯力将少层石墨烯和少层二维硫化物晶体结合在一起组成异质结结构。

步骤四，基于二维石墨烯和二硫化锡异质节晶体管的制备：其结构示意图如图4所示，制备出的基于二维石墨烯和二硫化锡异质节晶体管在光镜下图像如图2(b)所示；用丙酮溶液浸泡带有薄层材料的硅片；快速旋涂一层pmma光刻胶，速度为5000转每分钟，厚度为200纳米；将涂好光刻胶的硅片放入热板上烘烤，烘烤温度为180摄氏度，时间1分钟；将硅片放上掩膜版，用电子束曝光机进行电极的曝光；用质量比为1:3的甲基异丁酮和异丙醇混合液作为显影液显影，并用ipa定影后用干燥氮气吹干，显影液显影时间为40秒，定影时间为30秒；电子束蒸发在衬底和基于二维石墨烯和二硫化锡异质节上沉积金属薄膜电极层，电子束蒸发沉积的金属电极为5纳米厚的钛和60纳米厚的金。

实施实例二

步骤一，首先制备二维石墨烯和二维二硫化钼晶体，其步骤如图1(a)所示，将pet贴膜剪成两个2×5cm的长方形状，将高纯度石墨或二硫化钼晶体置于两片pet膜粘性面之间，使两片pet膜不断接触和分离，直到肉眼观察晶体厚度变薄并且均匀铺满pet膜表面；在使用前先用透明胶带撕去pdms上面几层保证其表面洁净；然后将pet膜粘性面与pdms接触再将pet膜缓慢揭开，一部分晶体转移到pdms上，实现二维石墨烯和二硫化钼晶体样品的制备。

步骤二，二维二硫化钼的筛选、转移：取步骤一中带有晶体的pdms，将其放到500倍的显微镜下观察，利用光学显微镜的对比度筛选出想要的二维晶体，筛选的样品大概4层左右；然后转移样品，其步骤如图1(b)所示，事先将一层厚的hbn(六角氮化硼)转移到硅衬底上作为绝缘层，将pdms与覆盖hbn的硅衬底接触，再将pdms缓慢揭开，这样二维晶体就转到了硅衬底上。

步骤三，借助于光学显微镜，将获得的少层石墨烯覆盖在少层二维二硫化钼晶体上，利用范德瓦耳斯力将少层石墨烯和少层二维步骤三，借助于光学显微镜，将获得的少层石墨烯覆盖在少层二维二硫化钼晶体上，利用范德瓦耳斯力将少层石墨烯和少层二维二硫化钼晶体结合在一起组成异质结结构。晶体结合在一起组成异质结结构。

步骤四，基于二维石墨烯和二硫化钼异质节晶体管的制备：其结构示意图如图4所示，制备出的基于二维石墨烯和二硫化钼异质结在光镜下图像如图3(a)所示；用丙酮溶液浸泡带有薄层材料的硅片；快速旋涂一层pmma光刻胶，速度为5000转每分钟，厚度为200纳米；将涂好光刻胶的硅片放入热板上烘烤，烘烤温度为180摄氏度，时间1分钟；将硅片放上掩膜版，用电子束曝光机进行电极的曝光；用质量比为1:3的甲基异丁酮和异丙醇混合液作为显影液显影，并用ipa定影后用干燥氮气吹干，显影液显影时间为40秒，定影时间为30秒；电子束蒸发在衬底和基于二维石墨烯和步骤三，借助于光学显微镜，将获得的少层石墨烯覆盖在少层二维二硫化钼晶体上，利用范德瓦耳斯力将少层石墨烯和少层二维二硫化钼晶体结合在一起组成异质结结构。异质结上沉积金属薄膜电极层，电子束蒸发沉积的金属电极为10纳米厚的钛和60纳米厚的金。

实施实例三

步骤一，首先制备二维石墨烯和二硒化钼晶体，其步骤如图1(a)所示，将pet贴膜剪成两个2×5cm的长方形状，将二高纯度石墨或二硒化钼晶体置于两片pet膜粘性面之间，使两片pet膜不断接触和分离，直到肉眼观察晶体厚度变薄并且均匀铺满pet膜表面；在使用前先用透明胶带撕去pdms上面几层保证其表面洁净；然后将pet膜粘性面与pdms接触再将pet膜缓慢揭开，一部分晶体转移到pdms上，实现二维石墨烯和二硒化钼晶体样品的制备。

步骤二，二维二硒化钼晶体的筛选、转移：取步骤一中带有晶体的pdms，将其放到500倍的显微镜下观察，利用光学显微镜的对比度筛选出想要的二维二硒化钼晶体，筛选的样品大概3层左右；然后转移样品，其步骤如图1(b)所示，将pdms与硅衬底接触，再将pdms缓慢揭开，这样二维晶体就转到了硅衬底上。

步骤三，借助于光学显微镜，将获得的少层石墨烯覆盖在少层二维二硒化钼晶体上，利用范德瓦耳斯力将少层石墨烯和少层二维二硒化钼晶体结合在一起组成异质结结构。

步骤四，基于二维石墨烯和二硒化钼异质节晶体管的制备：其结构示意图如图4所示，制备出的基于二维石墨烯和二硫化钼异质结在光镜下图像如图3(b)所示；用丙酮溶液浸泡带有薄层材料的硅片；快速旋涂一层pmma光刻胶，速度为5000转每分钟，厚度为200纳米；将涂好光刻胶的硅片放入热板上烘烤，烘烤温度为180摄氏度，时间1分钟；将硅片放上掩膜版，用电子束曝光机进行电极的曝光；用质量比为1:3的甲基异丁酮和异丙醇混合液作为显影液显影，并用ipa定影后用干燥氮气吹干，显影液显影时间为40秒，定影时间为30秒；电子束蒸发在衬底和二维硫化物上沉积金属薄膜电极层，电子束蒸发沉积的金属电极为10纳米厚的钛和60纳米厚的金。

实施实例四

步骤一，首先制备二维石墨烯和二维三硫化二砷晶体，其步骤如图1(a)所示，将pet贴膜剪成两个2×5cm的长方形状，将二高纯度石墨或三硫化二砷晶体置于两片pet膜粘性面之间，使两片pet膜不断接触和分离，直到肉眼观察晶体厚度变薄并且均匀铺满pet膜表面；在使用前先用透明胶带撕去pdms上面几层保证其表面洁净；然后将pet膜粘性面与pdms接触再将pet膜缓慢揭开，一部分晶体转移到pdms上，实现二维石墨烯和三硫化二砷晶体样品的制备。

步骤二，二维三硫化二砷晶体的筛选、转移：取步骤一中带有晶体的pdms，将其放到500倍的显微镜下观察，利用光学显微镜的对比度筛选出想要的二维晶体，筛选的样品薄层区域大概4层左右；然后转移样品，其步骤如图1(b)所示，将pdms与硅衬底接触，再将pdms缓慢揭开，这样二维三硫化二砷晶体就转到了硅衬底上。

步骤三，三硫化二砷晶体管的制备：其结构示意图如图4所示，制备出的三硫化二砷晶体管在光镜下图像如图3(c)所示；用丙酮溶液浸泡带有薄层材料的硅片；快速旋涂一层pmma光刻胶，速度为5000转每分钟，厚度为200纳米；将涂好光刻胶的硅片放入热板上烘烤，烘烤温度为180摄氏度，时间1分钟；将硅片放上掩膜版，用电子束曝光机进行电极的曝光；用质量比为1:3的甲基异丁酮和异丙醇混合液作为显影液显影，并用ipa定影后用干燥氮气吹干，显影液显影时间为40秒，定影时间为30秒；电子束蒸发在衬底和二维三硫化二砷上沉积金属薄膜电极层，电子束蒸发沉积的金属电极为5纳米厚的钛和60纳米厚的金。