基于二维晶体材料的自组装场效应管及其制造方法与流程

本发明涉及半导体电子器件技术领域。更具体地，涉及一种基于二维晶体材料的自组装场效应管及其制造方法。

背景技术：

场效应晶体管(fieldeffecttransistor，fet)简称场效应管，主要有两种类型：结型场效应晶体管(junctionfield-effecttransistor，jfet)和金属-氧化物半导体场效应管(metal-oxidesemiconductorfet，简称mos-fet)。场效应管是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高(107～1015ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它不仅是电子电路的基本单元，而且在能量收集器、逆变器、安定器、传感器等诸多领域有着广泛的应用。而基于二维晶体材料的场效应管在保持场效应管优点的前提下，可以将微观下二维晶体材料优异的电学、磁学、光学性能与宏观下的超薄性、透明性、柔韧性有机地结合在一起，实现器件的微型化和功能的最大化。

现有基于二维晶体材料的场效应管，其结构大多被限制在二维平面内，结构上的局限性带来了的应用上的诸多不足。首先，现有基于二维晶体材料的场效应管由于其平面二维结构的限制，需要占用较大的芯片面积，难以充分利用芯片空间资源。通过减小场效应管的特征尺寸可达到减小芯片面积的目的，然而特征尺寸的减小会带来研发成本的非线性增加。其次，基于二维晶体材料场效应管的平面结构在很大程度上限制了其作为传感器的性能。例如基于二维晶体材料的平面场效应管型光电探测器，作为光敏材料的平面二维晶体材料对光的吸收率较低，且平面单层光敏材料接收到的光辐射量会随光入射角的增大而减少，导致其光吸收率及光利用率严重不足。又如，基于二维晶体材料的平面场效应管型生化传感器往往采用背栅或液栅结构，使得二维晶体材料导电沟道充分暴露在被测环境中。背栅平面场效应管的工作栅压往往较高(～50v)，导致其难以满足弱电信号和植入式检测的要求，从而严重限制了其应用。液栅平面场效应管由于固液界面双电层的存在导致其电学特性不易精确分析，从而其检测的灵敏度和精度有待提高。

与基于二维晶体材料的平面场效应管结构相比，基于二维晶体材料的三维场效应管由于其独特的空间结构优势，在提高芯片利用率的同时有望获得更好的器件性能，有望从根本上解决上述问题。2014年duy等人率先报道了一种三维(3d)石墨烯场效应管传感器。该器件利用光刻胶在传感器导电沟道区域内制作微型圆柱阵列，并在圆柱阵列表面涂覆石墨烯材料，使得单位芯片面积内石墨烯与被检测物质的接触反应面积大大增加，从而提高了传感器的灵敏度。2015年deng等人利用su-8光刻胶在非充分曝光下形成的内应力将石墨烯薄膜组装为可编程图形化3d器件，实现了对丙酮的检测。但是，由于su-8的应力方向不可调、应力值较小、曲率半径较大(≥250μm)，且较难实现石墨烯场效应管结构，从而限制了其应用。

因此，需要提供一种基于二维晶体材料的自组装场效应管及其制造方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种基于二维晶体材料的自组装场效应管及其制造方法，可以在较低成本下批量制造三维(3d)微管式场效应管，大幅度减小芯片占用面积，并将场效应管灵敏度高、适用性强的优点与二维晶体材料优异的电学、光学、磁学特性相结合以提高器件性能，拓展器件应用。

本发明的一个目的在于提供一种基于二维晶体材料的自组装场效应管。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于二维晶体材料的自组装场效应管，该场效应管利用氮化硅sinx应力层驱动基于二维晶体材料的平面二维埋栅场效应管自组装为一种微管式三维场效应管，具体包括：

单晶硅衬底1；

制作过程中设置在单晶硅衬底1的牺牲层2；

设置在单晶硅衬底1以及牺牲层2上的应力层3；

制作完成后，牺牲层2被刻蚀；

一部分设置在单晶硅衬底1上，另一部分设置在应力层3上的栅电极7；

设置在应力层3和栅电极7上的介电层6；

设置在介电层6上的二维晶体材料层4；

一部分设置在单晶硅衬底1上，另一部分设置在二维晶体材料层4上的与栅电极7平行且等距的源电极8和漏电极5；

二维晶体材料层4、介电层6、源电极8、漏电极5和栅电极7形成一个基于二维晶体材料的平面二维埋栅场效应管；

其中，应力层3、二维晶体材料层4、应力层3上的栅电极7、介电层6、二维晶体材料层4上的源电极8和漏电极5成卷曲状。

优选地，牺牲层2为铝al或铜cu等金属材料且牺牲层2的刻蚀液不会对二维晶体材料层4、漏电极5、介电层6、栅电极7、源电极8和应力层3产生影响。

优选地，二维晶体材料层4为石墨烯或类石墨烯材料。

优选地，介电层6为二氧化硅sio2等介电层材料，或者三氧化二铝al2o3、二氧化铪hfo2等高介电常数的介电层材料。

优选地，漏电极5、栅电极7和源电极8采用铬/金(cr/au)、钛/金(ti/au)、钯/金(pd/au)、钛/铂(ti/pt)等常用二维晶体电极材料制作，其中，铬(cr)、钛(ti)、钯(pd)等粘附层材料厚度为5nm-30nm，金(au)、铂(pt)等导电层厚度为10nm-100nm。

优选地，应力层3为sinx双层膜结构，在牺牲层2上利用等离子体增强化学气相沉积技术依次制备的具有压应力及拉应力的sinx薄膜。其中，双层膜结构中的上层为具有压应力的sinx薄膜，双层膜结构中的下层为具有拉应力的sinx薄膜。

进一步优选地，下层具有拉应力的sinx薄膜具有沿膜面膨胀的趋势，上层具有压应力的sinx薄膜具有沿膜面收缩的趋势，使得应力层3驱动二维晶体材料层4、介电层6、漏电极5、栅电极7和源电极8组成的基于二维晶体材料的二维埋栅场效应管自组装为微管式基于二维晶体材料的自组装三维场效应管。

进一步优选地，应力层3的应力大小和卷曲方向360°严格可控；微管结构半径由应力层3的应力大小决定，微管结构半径在4～500μm范围内精确可控。

本发明的另一个目的在于提供一种基于二维晶体材料的自组装场效应管的制作方法。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于二维晶体材料的自组装场效应管的制作方法，该方法包括以下步骤：

s1：清洗硅片并制作牺牲层：将单晶硅片1置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85摄氏度下将硅片煮15min，去除表面污迹，用去离子水冲洗、烘干；在单晶硅片1上利用光刻技术、薄膜淀积技术和剥离技术制作牺牲层2，牺牲层2的厚度为10～200nm；

s2：制作应力层：通过等离子增强化学气相淀积技术淀积sinx层；利用光刻技术在应力层3区域形成光刻胶掩膜层；采用反应离子刻蚀去除无光刻胶覆盖的sinx层；用丙酮清洗光刻胶，留下应力层3图形，完成应力层3的制备；

s3：制作栅电极：通过光刻在栅电极7区域形成光刻胶开孔；用热蒸发或电子束蒸发或者磁控溅射技术淀积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附着在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极7的制备；

s4：制作介电层：通过等离子增强化学气相淀积技术或原子层淀积等薄膜淀积技术淀积介电层6，厚度为5-50nm；利用光刻技术在介电层6区域形成光刻胶掩膜层；采用反应离子刻蚀去除无光刻胶覆盖的介电层6；用丙酮清洗光刻胶，留下介电层6图形，完成介电层6的制备；

s5：转移并图形化二维晶体材料层：在应力层(3)以及介电层(6)上转移二维晶体材料层(4)；采用光刻技术，以光刻胶做为阻挡层，用氧气等离子体刻蚀技术刻蚀无光刻胶覆盖的二维晶体材料层4；用丙酮清洗二维晶体材料层4表面的光刻胶，完成二维晶体材料层4的转移和图形化；

s6：制作源电极与漏电极：通过光刻在栅电极7及漏电极5区域形成光刻胶开孔；用热蒸发或电子束蒸发技术淀积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附着在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极7及漏电极5的制作；

s7：刻蚀牺牲层：芯片浸入牺牲层2的刻蚀溶液中，刻蚀牺牲层2；sinx应力层3驱动二维晶体材料层4、介电层6、源电极8、漏电极5栅电极7组成的基于二维晶体材料的二维埋栅场效应管自组装为微管式基于二维晶体材料的自组装三维场效应管。

本发明的有益效果如下：

(1)埋栅结构使得超薄的介电层得以采用，增强了栅极电压对二维晶体材料电导的调控能力。本发明利用自组装技术创新性地提出了一种基于二维晶体材料的三维埋栅式场效应管结构，一方面克服了背栅器件栅压高、控制能力差的问题，另一方面避免了液栅器件稳定性差、输出信号与电荷掺杂量非线性的问题。拓宽了场效应管在弱电信号和植入式检测等领域的应用，同时有望实现更高的灵敏度。

(2)三维结构的引入减小了芯片占用面积、提高了空间利用率、节约了成本。本发明在现有工艺条件下，利用平面加工技术，获得自组装三维场效应管。与二维平面场效应管相比，自组装三维场效应管在极大程度节省新工艺的研发和制版费用的基础上，大幅度减少了芯片占用面积，降低了成本。

(3)独特的微管式结构降低了场效应管传感器的结构复杂性和制造难度，提高了传感器的性能。对基于二维晶体材料的场效应管型生化传感器而言，半径4～500μm范围内可调的微管式结构对液态待测物质具有较强的毛细作用，工作时可以将极微量的待测溶液自动吸入导电沟道区域完成检测。这种自组装场效应管无需额外的微流道、密封装置等辅助部件，栅电极的结构和栅电压的施加也大大简化。而对基于二维晶体材料的场效应管型光电探测器而言，同轴多层微管结构为提高二维晶体材料的光吸收率提供了一种新途径。单层二维晶体材料对光的吸收率较低，但其光吸收率往往随层数的增加而增加。通过调整高透光率sinx应力层的应力大小可以控制同轴微管的层数，即可增加单层二维晶体材料的堆叠层数，从而提高其对的光吸收率。同时，微管式结构使得光源在与微管垂直的平面内绕微管轴做圆周运动时，光入射角始终保持恒定，即接收到的光辐射量保持恒定。从而大幅度提高了光吸收率以及光利用率，使基于单层二维晶体材料高敏感光探测器的出现成为可能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于二维晶体材料的自组装场效应管的结构示意图。

图2示出基于二维晶体材料的自组装场效应管的制作方法示意图。

图3a示出清洗硅片并制作牺牲层示意图。

图3b示出制作应力层示意图。

图3c示出制作栅电极示意图。

图3d示出制作介电层示意图。

图3e示出转移并图形化二维晶体材料示意图。

图3f示出制作源电极和漏电极示意图。

图3g示出刻蚀牺牲层示意图。

图3h示出基于二维晶体材料的二维场埋栅效应管自组装为微管式三维场效应管示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于二维晶体材料的自组装场效应管，该场效应管利用氮化硅sinx应力层驱动基于二维晶体材料的平面二维埋栅场效应管自组装为一种微管式三维场效应管，具体包括：单晶硅衬底1；制作过程中设置在单晶硅衬底1的牺牲层2；设置在单晶硅衬底1以及牺牲层2上的应力层3；制作完成后，牺牲层2被刻蚀；一部分设置在单晶硅衬底1上，另一部分设置在应力层3上的栅电极7；设置在应力层3和栅电极7上的介电层6；设置在介电层6上的二维晶体材料层4；一部分设置在单晶硅衬底1上，另一部分设置在二维晶体材料层4上的与栅电极7平行且等距的源电极8和漏电极5；二维晶体材料层4、介电层6、源电极8、漏电极5和栅电极7形成一个基于二维晶体材料的平面二维埋栅场效应管；其中，应力层3、二维晶体材料层4、应力层3上的栅电极7、介电层6、二维晶体材料层4上的源电极8和漏电极5成卷曲状。

本发明中，牺牲层2为铝al或铜cu等金属材料且牺牲层2的刻蚀液不会对二维晶体材料层4、漏电极5、介电层6、栅电极7、源电极8和应力层3产生影响。二维晶体材料层4为石墨烯或类石墨烯材料。介电层6为二氧化硅sio2等介电层材料，或者三氧化二铝al2o3、二氧化铪hfo2等高介电常数的介电层材料。漏电极5、栅电极7和源电极8采用铬/金(cr/au)、钛/金(ti/au)、钯/金(pd/au)、钛/铂(ti/pt)等常用二维晶体电极材料制作，其中，铬(cr)、钛(ti)、钯(pd)等粘附层材料厚度为5nm-30nm，金(au)、铂(pt)等导电层厚度为10nm-100nm。

本发明中，自组装原理如下：应力层3为sinx双层膜结构，在牺牲层2上利用等离子体增强化学气相沉积技术依次制备的具有压应力及拉应力的sinx薄膜。其中，双层膜结构中的上层为具有压应力的sinx薄膜，双层膜结构中的下层为具有拉应力的sinx薄膜。下层具有拉应力的sinx薄膜具有沿膜面膨胀的趋势，上层具有压应力的sinx薄膜具有沿膜面收缩的趋势，使得应力层3驱动二维晶体材料层4、介电层6、漏电极5、栅电极7和源电极8组成的基于二维晶体材料的二维埋栅场效应管自组装为微管式基于二维晶体材料的自组装三维场效应管。

本发明中，应力层3的应力大小和卷曲方向360°严格可控；微管结构半径由应力层3的应力大小和厚度决定，微管结构半径在4～500μm范围内精确可控。

本发明中，微管micro-tubular结构为应力层3、二维晶体材料层4、应力层3上的栅电极7、介电层6、二维晶体材料层4上的源电极8和漏电极5成卷曲状形成的一种管状结构。

如图2所示，本发明还提供了一种基于二维晶体材料的自组装场效应管的制作方法，该方法包括以下步骤：

s1：如图3a所示，清洗硅片并制作牺牲层：

s101：将单晶硅片1置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85摄氏度下将硅片煮15min，去除表面污迹，用去离子水冲洗、烘干；

s102：在单晶硅片1上利用光刻技术、薄膜淀积技术和剥离技术制作牺牲层2，牺牲层2的厚度为10～200nm；

s2：如图3b所示，制作应力层：

s201：通过等离子增强化学气相淀积技术淀积sinx层；

s202：利用光刻技术在应力层3区域形成光刻胶掩膜层；

s203：采用反应离子刻蚀去除无光刻胶覆盖的sinx层；

s204：用丙酮清洗光刻胶，留下应力层3图形，完成应力层3的制备；

s3：如图3c所示，制作栅电极：

s301：通过光刻在栅电极7区域形成光刻胶开孔；

s302：用热蒸发或电子束蒸发或者磁控溅射技术淀积金属材料；

s303：采用剥离工艺去除光刻胶及附着在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极7的制备；

s4：如图3d所示，制作介电层：

s401：通过等离子增强化学气相淀积技术或原子层淀积等薄膜淀积技术淀积介电层6，厚度为5-50nm；

s402：利用光刻技术在介电层6区域形成光刻胶掩膜层；

s403：采用反应离子刻蚀去除无光刻胶覆盖的介电层6；

s404：用丙酮清洗光刻胶，留下介电层6图形，完成介电层6的制备；

s5：如图3e所示，转移并图形化二维晶体材料层：

s501：在应力层以及介电层上转移二维晶体材料层；

s502：采用光刻技术，以光刻胶做为阻挡层，用氧气等离子体刻蚀技术刻蚀无光刻胶覆盖的二维晶体材料层4；

s503：用丙酮清洗二维晶体材料层4表面的光刻胶，完成二维晶体材料层4的转移和图形化；

s6：如图3f所示，制作源电极与漏电极：

s601：通过光刻在栅电极7及漏电极5区域形成光刻胶开孔；

s602：用热蒸发或电子束蒸发技术淀积金属材料；

s603：采用剥离工艺去除光刻胶及附着在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极7及漏电极5的制作；

s7：如图3g所示，刻蚀牺牲层：

s701：芯片浸入牺牲层2的刻蚀溶液中，刻蚀牺牲层2；

s702：sinx应力层3驱动二维晶体材料层4、介电层6、源电极8、漏电极5栅电极7组成的基于二维晶体材料的二维埋栅场效应管自组装为微管式基于二维晶体材料的自组装三维场效应管，如图3h所示，。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。