基于石墨烯-二硫化钼异质结构的垂直隧穿晶体管的制作方法

本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种基于石墨烯-二硫化钼异质结构的垂直隧穿晶体管。

背景技术：

石墨烯在下一代电子设备中显示出显著的电子特性和广阔的应用前景。然而，石墨烯场效应晶体管的性能是有限的。由于它的零能带隙，导致开关比小于10。为了解决这一问题，提出了石墨烯纳米带的模式,然而，由于不理想的线路边缘混乱，垂直隧穿石墨烯场效应晶体管的性能受到限制。此外，在双层石墨烯中诱导带隙需要很高的电场，这在集成电路中是很难实现的。增加石墨烯设备的开关比的可替代方法是利用基于隧道的设备架构。基于二维材料的隧穿场效应晶体管在低功耗逻辑应用中的潜力而得到了广泛的研究。最近，提出并研究了基于垂直隧道的石墨烯场效应管。在这些晶体管中，石墨烯电极用作由2d隧道势垒如六方氮化硼或二硫化钼分隔的源区和漏区。垂直隧穿石墨烯场效应晶体管的性能依赖于势垒高度的可调性。石墨烯与隧穿势垒之间的势垒高度影响电流大小和开关比。垂直隧穿石墨烯场效应晶体管和垂直带有六方氮化硼层的垂直隧穿石墨烯纳米带场效应晶体管作为隧穿势垒的开关率较低，不足以用于数字应用。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供了一种在开态和关态，低势垒运输和超势垒运输之间切换可以获得较高的开关电流比、传输特性更强的异质结构的垂直隧穿晶体管。

技术方案

本发明由上至下依次包括第一石墨烯层、第二石墨烯层、位于第一石墨烯层与第二石墨烯层之间的二硫化钼层、位于第二层石墨烯层下方的六方氮化硼及衬底。

进一步的，所述的石墨烯层均为单层，二硫化钼层为多层。

进一步的，所述的第一石墨烯层、第二石墨烯层保持其六方原子网络，与二硫化钼层保持至的距离。

进一步的，所述的两个石墨烯层的横向周期性及二硫化钼层的横向周期性可以进行调整。

进一步的，采用非平衡格林函数(negf)结合紧束缚(tb)方法计算垂直隧穿石墨烯场效应晶体管和垂直隧穿石墨烯纳米带场效应晶体管电学特性，从第一原理计算中提取描述带结构的tb参数，得出两者电流开关比，亚阈值摆幅。

有益效果：与现有技术相比，本发明有以下显著效果：使用二硫化钼作为隧道势垒，在开态及关态，低势垒运输和超势垒运输之间切换可以获得较高的开关电流比及较小的阈值摆动；另外传输特性更强且成本低。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为石墨烯-二硫化钼-石墨烯晶胞侧视图。

具体实施方式

如图1、图2所示，包括第一石墨烯层1、第二石墨烯层3、位于第一石墨烯层1与第二石墨烯层3之间的二硫化钼层2、位于第二层石墨烯层3下方的六方氮化硼4及衬底。第一石墨烯层1、第二石墨烯层3为单层，二硫化钼层2为多层，所述的衬底为二氧化硅5及硅6。

使用第一原理密度泛函理论(dft)计算，构建石墨烯-二硫化钼-石墨烯异质结构的可靠紧束缚(tb)模型，使用qe代码执行第一原理密度泛函理论(dft)计算。pbe的广义梯度近似用于近似电子交换和相关。在石墨烯-二硫化钼-石墨烯超晶胞中，存在100个碳原子7，32n个硫原子8和16n个钼原子9，其中n是二硫化钼层的数量。优化结构直到能量收敛到10^-4ev，结构弛豫后，石墨烯保持其六方原子网络，与二硫化钼层保持至的的距离，在该计算中，将石墨烯层的横向周期性调整为两个5×5和二硫化钼层横向周期性为两个4×4，并且包括小于1.1％的晶格失配。这种晶格失配很小，对这种结构的电子特性影响可以忽略不计。轨道组成对于建立tb模型具有根本重要性，使用qe软件包的projwfc模块计算带结构轨道组成，对紧束缚(tb)模型中提取的带结构与第一原理密度泛函理论(dft)方法中的带结构进行拟合，特别是在高对称点。

利用非平衡格林函数(negf)公式计算器件电流特性，第一层石墨烯层1与第二层石墨烯层3由二硫化钼层2电分离，分别与漏极和源引线相连，带状超晶胞周期性地沿y方向重复。

使用上述同样方法计算垂直隧穿石墨烯场效应晶体管的电流开关比及阈值摆动，对比后电流较低时垂直隧穿石墨烯纳米带场效应晶体管开关电流比大于垂直隧穿石墨烯场效应晶体管开关电流比，且阈值小于垂直隧穿石墨烯场效应晶体管。

技术特征：

1.一种基于石墨烯-二硫化钼异质结构的垂直隧穿晶体管，其特征在于：由上至下依次包括第一石墨烯层(1)、第二石墨烯层(3)、位于第一石墨烯层(1)与第二石墨烯层(3)之间的二硫化钼层(2)、位于第二层石墨烯层(3)下方的六方氮化硼(4)及衬底。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯-二硫化钼异质结构的垂直隧穿晶体管，其特征在于：所述的第一石墨烯层(1)、第二石墨烯层(3)为单层，二硫化钼层(2)为多层。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯-二硫化钼异质结构的垂直隧穿晶体管，其特征在于：所述的第一石墨烯层(1)、第二石墨烯层(3)保持其六方原子网络，与二硫化钼层(2)保持至的距离。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯-二硫化钼异质结构的垂直隧穿晶体管，其特征在于：所述的第一石墨烯层(1)及第二石墨烯层(3)的横向周期性及二硫化钼层(2)的横向周期性可进行调整。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯-二硫化钼异质结构的垂直隧穿晶体管，其特征在于：所述的衬底为二氧化硅(5)及硅(6)。

技术总结
本发明公开了一种基于石墨烯‑二硫化钼异质结构的垂直隧穿晶体管，由上至下依次包括第一石墨烯层、第二石墨烯层、位于第一石墨烯层与第二石墨烯层之间的二硫化钼层、位于第二层石墨烯层下方的六方氮化硼及衬底；本发明使用二硫化钼代替六方氮化硼作为隧道势垒，对垂直隧穿石墨烯场效应晶体管和垂直隧穿石墨烯纳米带场效应晶体管进行了模拟，可以获得较高的开关电流比，传输特性更强，且成本较低，可用于数字应用。

技术研发人员：吉娜;渠开放;程庆苏;王伟
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2019.06.04
技术公布日：2019.11.15