常关型场效应晶体管的制作方法

本发明属于半导体器件技术领域，更具体地说，是涉及一种常关型场效应晶体管。

背景技术：

二维纳米材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜。在过去的十年间，二维纳米材料的发现和研究取得了长足的发展，已经形成包括石墨烯，六边氮化硼，二硫化钼，二硫化钨，硅烯和锗烯等在内的二维材料家族，整个二维材料领域的发展也上升到了一个新的台阶。石墨烯为二维材料器件的典型代表。它具有很多优异的物理化学特性，是目前已知的最薄最轻的材料，其厚度仅为0.34nm，比表面积2630m²/g。石墨烯具有奇特的电输运特性，存在异常的整数量子霍尔效应，电子为无静质量的迪拉克费米子。石墨烯电学特性优异，具有极高的载流子迁移率，室温下为2×10⁵cm²/v·s，为si材料的100倍，理论迁移率值可达10⁶cm²/v·s，是目前已知材料中最高的；载流子饱和速度大，为4-5×10⁷cm/s；电流密度大。

得益于材料本身优越特性和纳米栅工艺的突破，石墨烯场效应晶体管截止频率频频刷新记录，但是石墨烯器件的最大振荡频率一直是难题，瓶颈问题就是石墨烯场效应晶体管无法夹断，输出电导大，在高频功率和数字电路领域应用受限。目前实现石墨烯场效应晶体管常关的方法包括纳米带等，均是牺牲器件本身迁移率和电子饱和速度为代价，饱和电流和频率等器件性能损失较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种常关型场效应晶体管，以解决现有技术中存在的常关型石墨烯场效应晶体管的饱和电流和频率的器件性能损失大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种常关型场效应晶体管，包括：衬底、设于所述衬底上侧的至少两个相互间隔设置的二维材料层、设于所述二维材料层上侧的源电极、设于所述二维材料层上侧且与所述源电极间隔设置的漏电极、设于所述二维材料层上侧且位于所述源电极和所述漏电极之间的阻挡层及设于所述阻挡层上侧的至少一个栅电极；相邻两个所述二维材料层之间形成二维材料断层区，所述二维材料断层区的至少一侧边缘向外凸出于所述栅电极在所述二维材料层所在平面上的投影区域的侧边缘。

进一步地，所述二维材料断层区的宽度大于等于1nm且小于等于10μm。

进一步地，所述二维材料断层区的宽度大于等于10nm且小于等于300nm。

进一步地，所述栅电极为直栅、t型栅、tt型栅、ttt型栅、v型栅、u型栅或y型栅中的一种或多种的组合。

进一步地，所述二维材料层为石墨烯构件、氮化硼构件、二硫化钼构件、二硫化钨构件、黑磷构件、硅烯或锗烯构件。

进一步地，所述衬底为绝缘介质构件、半导体构件或由绝缘介质材料和半导体材料构成的多层复合构件。

进一步地，所述阻挡层为绝缘介质构件、半导体构件或由绝缘介质材料和半导体材料构成的多层复合构件。

进一步地，所述常关型场效应晶体管还包括设于所述衬底上表面的外延层，所述二维材料层设于所述外延层的上表面上。

进一步地，所述外延层为半导体构件。

进一步地，所述常关型场效应晶体管还包括设于所述阻挡层上侧的钝化层，所述钝化层分别与所述栅电极和所述源电极连接，且所述钝化层还分别与所述栅电极和所述漏电极连接。

本发明提供的常关型场效应晶体管的有益效果在于：与现有技术相比，本发明常关型场效应晶体管，在栅电极下方设置二维材料断层区，且该断层区向外凸出于栅电极，在使用时，通过栅压调节载流子断层区势垒高度和形状，使得载流子高速通过二维材料断层区，器件开启；器件开启时，二维材料断层区载流子处于高速运动，饱和电流大；器件开启和关断仅需控制二维材料断层区少量电子充放电，开关速度快；器件开启时，二维材料断层区宽度对阈值电压影响大，可实现阈值电压超宽区域可控。本发明提供的常关型场效应晶体管，在保证晶体管能够夹断，实现常关的同时，还不牺牲器件本身的迁移率和电子饱和速度，器件性能没有损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的常关型场效应晶体管的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的常关型场效应晶体管的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的常关型场效应晶体管的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1-衬底；2-二维材料层；3-源电极；4-漏电极；5-阻挡层；6-栅电极；7-二维材料断层区；8-外延层；9-钝化层

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的常关型场效应晶体管进行说明。所述常关型场效应晶体管，包括衬底1、设于衬底1上侧的至少两个相互间隔设置的二维材料层2、设于二维材料层2上侧的源电极3、设于二维材料层2上侧且与源电极3间隔设置的漏电极4、设于二维材料层2上侧且位于源电极3和漏电极4之间的阻挡层5及设于阻挡层5上侧的至少一个栅电极6；相邻两个二维材料层2之间形成二维材料断层区7，二维材料断层区7的至少一侧边缘向外凸出于栅电极6在二维材料层2所在平面上的投影区域的侧边缘。

二维材料层2主要是在厚度方向上为纳米尺度，在平行于衬底1上表面的方向上为非纳米尺度。

需要注意的是，二维材料断层区7的至少一侧边缘向外凸出于栅电极6在二维材料层2所在平面上的投影区域的侧边缘，具体指的是，单个栅电极6在二维材料层2所在平面上的投影区域的两侧边缘不能完全包含单个二维材料断层区7的两侧边缘，单个投影区域的两侧边缘也不能同时与单个二维材料断层区7的两侧边缘重合，二维材料断层区7必须有至少一侧是向外凸出于栅电极6在二维材料层2所在平面上的投影区域的。

其中，二维材料断层7区可通过刻蚀、氧化或者等离子体处理等方法制备，以实现栅旁边沟道区载流子断层，器件夹断。

其中，图1表示的是基于二维材料常关型场效应晶体管，a-a’箭头所指之间的区域为二维材料断层区7；图2表示的是双栅二维材料常关型场效应晶体管，b-b’箭头所指之间的区域为二维材料断层区7；图3表示的是三栅二维材料常关型场效应晶体管,c-c’箭头所指和d-d’箭头所指之间的区域分别为二维材料断层区7。

本发明提供的常关型场效应晶体管，与现有技术相比，在栅电极6下方设置二维材料断层区7，且该断层区向外凸出于栅电极6，在使用时，通过栅压调节载流子断层区势垒高度和形状，使得载流子高速通过二维材料断层区，器件开启；器件开启时，二维材料断层区7载流子处于高速运动，饱和电流大；器件开启和关断仅需控制二维材料断层7区少量电子充放电，开关速度快；器件开启时，二维材料断层区7宽度对阈值电压影响大，可实现阈值电压超宽区域可控。本发明提供的常关型场效应晶体管，在保证晶体管能够夹断，实现常关的同时，还不牺牲器件本身的迁移率和电子饱和速度，器件性能没有损失。

作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，二维材料断层区7的宽度大于等于1nm且小于等于10μm。适当设置二维材料断层区7的宽度，可以有效控制开关速度，以获得更好的器件性能。

可选地，作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，为平衡制造工艺难度与器件性能，二维材料断层区7的宽度大于等于10nm且小于等于300nm。

参阅图1至图3，作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，为适应不同的器件性能的要求，栅电极6为直栅、t型栅、tt型栅、ttt型栅、v型栅、u型栅或y型栅中的一种或多种的组合。上述的型号主要对应于栅电极6的形貌。例如，图1和图2的实施例均采用直栅，而图3的实施例为直栅和t型栅的组合。栅电极6的形貌包含但不限于上述形貌。

作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，栅电极6具有多个的时候，每根栅电极6的长度可以相等，也可以不相等。

作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，栅电极6具有多个的时候，不同的栅电极6可以连接在同一金属电极(金属pad)上，也可连接在不同的金属电极(金属pad)上。

作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，为使二维材料层2具有良好的电学性能，二维材料层2为石墨烯构件、氮化硼构件、二硫化钼构件、二硫化钨构件、黑磷构件、硅烯或锗烯构件。

作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，为适应不同的器件性能的要求，衬底1为绝缘介质构件、半导体构件或由绝缘介质材料和半导体材料构成的多层复合构件。由绝缘介质材料和半导体材料构成的多层复合构件可以是，该衬底1具有多层结构，每层结构为绝缘介质材料或半导体材料，这些层依照预定顺序堆叠形成衬底1。绝缘介质构件可以是单层结构或多层复合结构，半导体构件可以是单层结构或多层复合结构。

进一步地，作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，阻挡层5为绝缘介质构件、半导体构件或由绝缘介质材料和半导体材料构成的多层复合构件。由绝缘介质材料和半导体材料构成的多层复合构件可以是，该阻挡层5具有多层结构，每层结构为绝缘介质材料或半导体材料，这些层依照预定顺序堆叠形成阻挡层5。绝缘介质构件可以是单层结构或多层复合结构，半导体构件可以是单层结构或多层复合结构。

具体地，阻挡层5为al2o3构件、hfo2构件或高阻半导体构件。

请参阅图1及图2，作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，常关型场效应晶体管还包括设于衬底1上表面的外延层8，二维材料层2设于外延层8的上表面上。

作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，外延层8为半导体构件。半导体构件可以是单层结构或多层复合结构。

请参阅图2，作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，常关型场效应晶体管还包括设于阻挡层5上侧的钝化层9，钝化层9分别与栅电极6和源电极3连接，且钝化层9还分别与栅电极6和漏电极4连接。

作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，钝化层9为单一绝缘层结构或者复合绝缘层结构。

作为本发明提供的常关型场效应晶体管的一种具体实施方式，本发明常关型场效应晶体管的基本器件结构可以是源场板、漏场板、栅场板、浮空场板或空气桥场板，也可以是以上多种场板的组合结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等(例如二维材料断层区7由本发明列举的以外方法形成，衬底1选用本发明列举的以外绝缘层或者半导体，外延层8直接外延到衬底1上或者转移到其他衬底上，栅电极6形貌选用本发明列举的以外形状，钝化层9形貌或者材料为本发明列举的以外绝缘层等改变)，均应包含在本发明的保护范围之内。