一种基于二维材料制备的场效应晶体管的制作方法

本发明属于二维材料技术领域，涉及一种基于二维材料制备的场效应晶体管。

背景技术：

近年来，以二硫化钼为代表的二维层状半导体材料作为沟道材料的场效应晶体管正受到越来越多的关注和研究，被认为是非常具有潜力的后硅时代材料。二硫化钼的宽带隙(块体为1.2ev，单层为1.8ev)为低静态功耗、高开关比提供了可能。其次二硫化钼的二维平面性在与传统半导体工艺兼容的基础上，可以有效的抑制尺寸缩小引起的短沟道效应。

当二维材料拉伸或压缩时，其各个原子之间的距离会发生变化，能带结构和电子特性发生相应变化。相比其他的半导体材料，二维材料的几何形态可操作性更强。利用二维材料的应变导致能带结构和电子特性的变化，可提高应用于二维材料场效应晶体管器件性能。

中国专利201610312907.0公开了一种二维材料场效应晶体管及制备方法，二维材料场效应晶体管自下而上依次有导电衬底、绝缘介质层、二维材料、金属电极。本发明的制备方法为机械划痕法，即先采用机械剥离法将二维材料转移到绝缘介质层上，然后将绝缘介质层和二维材料整体蒸镀上金属，在显微镜下仔细地操作针尖或刀刃，使其刚好贴住二维材料表面，然后缓慢地移动针尖或刀刃，使其划过二维材料的中部上方，以去除上面的金属，形成沟道。继续移动针尖或刀刃，划出两个金属电极，即源电极和漏电极。但是，该专利所制备的场效应晶体管的器件性能还有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于二维材料制备的场效应晶体管，用以提高晶体管器件的性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于二维材料制备的场效应晶体管，包括从下到上依次布置的衬底、上表面具有下凹槽的二氧化硅介质层、以及布置在二氧化硅介质层上并覆盖住所述下凹槽的二维材料层，在二维材料层沿下凹槽走向的两端部区域分别设置有一个有机材料体，在二维材料层沿垂直下凹槽走向的两侧区域分别生长一个金属电极。

进一步的，所述衬底采用硅材料制成，其厚度为100-500μm。

进一步的，所述二氧化硅介质层的厚度为50-200nm。

进一步的，所述二维材料层的材料为二硫化钼。

进一步的，所述二维材料层的厚度在2nm内。

进一步的，所述有机材料体采用低密度聚乙烯制成，其厚度为10-200nm。

进一步的，所述金属电极的材料为金、银、铝、钛或铬。

进一步的，所述下凹槽深度为10-50nm。

本发明的工作原理如下：当激光或电子束对有机材料体进行辐照时，辐照对有机材料产生了局部加热，导致有机材料发生了缩聚变形，进而对下方的二维材料产生了张应力，使二维材料禁带宽度减小，电子迁移率提高，从而提高二维材料场效应晶体管器件的性能。

与现有技术相比，本发明利用有机材料产生的应力提高二维材料晶体管的迁移率和导电性能，从而提高器件性能，具体具有以下优点：

(1)本发明中采用的二维材料，可以有效的抑制尺寸缩小引起的短沟道效应。

(2)本发明中采用的有机材料为低密度聚乙烯，受热时更易变形对下方二维材料产生张应力。

(3)本发明中采用的二维材料，在发生应变或遭受应力时会产生能带结构的变化，会使得禁带宽度变小，电子迁移率变大，从而提高场效应晶体管的性能。

附图说明

图1为本发明的场效应晶体管的结构示意图；

图2为本发明的场效应晶体管的侧视图；

图中标记说明：

1-衬底，2-二氧化硅介质层，3-二维材料层，4-有机材料体a，5-有机材料体b，6-金属电极a，7-金属电极b。

具体实施方式

下文结合特定实例说明的实施方式，此处的实施例及各种特征和有关细节将参考附图中图示以及以下描述中详述的非限制性实施例而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的使此处的实施例难以理解。在制作所述结构时，可以使用半导体工艺中众所周知的传统工艺。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

一种基于二维材料制备的场效应晶体管的构建方法：

首先，采用硅材料作为衬底1，并清洗衬底1，衬底厚度为500μm。

接着，在衬底1上沉积一层二氧化硅介质层2，以增加二氧材料与衬底1之间的粘附性，二氧化硅介质层2的厚度为70nm。

随后，在二氧化硅介质层2的的上表面中央采用无水氢氟酸直接腐蚀形成一个下凹槽，深度为30nm，然后在二氧化硅介质层2的表面通过转移的方法覆盖一层盖住下凹槽的二硫化钼材质的二维材料层3，厚度为1nm。

紧接着，在二维材料层3的部分区域通过高压法转移两个50nm厚的低密度聚乙烯薄膜，分别为有机材料体a4和有机材料体b5。

最后，通过电子束蒸发淀积一层50nm厚的金属铬膜，然后通过剥离工艺制成金属形成两个电极层，分别为金属电极a6和金属电极b7。

最后制得的场效应晶体管参见图1和图2所示。

实施例2

一种基于二维材料制备的场效应晶体管的构建方法：

首先，采用硅作为衬底1，并清洗衬底1。

衬底1上淀积一层二氧化硅介质层2，以增加二维相变材料和衬底1之间的粘附性。二氧化硅介质层2厚度为80nm。

之后，在二氧化硅介质层2表面中央由离子刻蚀一个下凹槽深度为50nm；在下凹槽内涂满正性光刻胶，然后对光刻胶进行紫外曝光处理；通过cvd法生长一层二维材料层3覆盖在凹台面上，二维材料层3为单层，采用二碲化钼，厚度为1nm；再用显影液将曝光后的光刻正胶溶解掉。

接着在二维材料层3的部分区域通过气相法转移两个50nm厚的低密度聚乙烯薄膜，分别为有机材料体a4和有机材料体b5。

最后通过电子束蒸发淀积一层50nm厚的金属铬膜，然后通过剥离工艺制成金属形成两个电极层，分别为金属电极a6和金属电极b7。

制作完成的一种提高二维材料场效应晶体管器件性能的方法的示意图如图1、图2所示。

实施例3-6

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中金属电极的材料分别采用金、银、铝或钛。

实施例7

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，衬底1的厚度为100μm，二氧化硅介质层2的厚度为50nm，有机材料体的厚度为10nm。

实施例8

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，衬底1的厚度为200μm，二氧化硅介质层2的厚度为200nm，有机材料体的厚度为200nm。

实施例9

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，下凹槽深度为10nm。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。