一种二维半导体负电容场效应管的制作方法

本专利涉及一种低功耗的低维半导体电子器件，具体指一种基于铁电材料调控的二维半导体材料负电容场效应管。

背景技术：

随着集成电路技术的发展，该技术已经广泛应用于各类电子产品，由于集成度的不断提高，在电子产品性能提高的同时，降低功耗也是电子产品发展的必然趋势。在摩尔定律的牵引下，传统的场效应晶体管器件尺寸不断缩小、集成度不断提高，从而使得芯片的功耗不断增加。然而，由于传统场效应晶体管基于热载流子扩散导通机制，导致其无法克服玻尔兹曼极限，即器件的亚阈值摆幅(SS)在室温下无法突破60mV/dec。因此若不能开发出新的机制及措施来进一步降低器件亚阈值摆幅，集成电路将无法遵循摩尔定律继续发展，更重要的是其功耗也无法进一步降低。Salahuddin和Datta曾指出，利用铁电材料代替传统场效应晶体管中的栅电介质材料，可以有效地提高器件中半导体沟道的表面势，使其大于外加栅电压，即实现电压放大效果。该电压放大效果即利用了铁电材料的负电容效应。亚阈值摆幅的计算公式为：SS＝dV_G/d(logI_SD)＝(dV_G/dψ_S)/dψ_S/d(logI_SD)＝(1+C_S/C_ins)(kT/q)ln10，其中V_G为栅电压，I_SD为源漏电流，ψ_S为半导体沟道表面电势，C_S为沟道半导体电容，C_ins为栅电介质电容，k为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子电荷。由该公式可知，(kT/q)ln10项在室温下约为60mV/dec，因此若使得SS小于60mV/dec，则关键取决于(1+C_S/C_ins)项。而传统场效应晶体管中C_S和C_ins都为正值，导致(1+C_S/C_ins)永远无法小于1，SS也就无法小于60mV/dec。而铁电材料的负电容效应可使铁电电容为负值，即C_F<0。因此将铁电材料代替传统栅电介质材料，即用C_F来代替C_ins，即可实现(1+C_S/C_F)<1，最终使SS在室温下低于60mV/dec。

近年来，二维材料由于其独特的物理特性受到关注，并被广泛的应用到场效应晶体管器件的研发。石墨烯是二维材料研究的起源及代表材料，然而由于石墨烯的零带隙特点导致其无法应用在逻辑电子器件中。而以二硫化钼(MoS₂)为代表的过渡金属硫族化合物具有1-2eV的带隙，为其应用到逻辑电子器件中提供了良好的基础。过渡金属硫族化合物同样具有低维特性，可以极大地降低器件尺寸，如单层MoS₂的厚度仅为0.7nm，Desai等人就利用MoS₂和纳米线(1nm)成功制备出目前世界上尺寸最小的场效应晶体管器件[Science 354,99(2016)]。且MoS₂的迁移率可达几十至上百cm²·V^-1·s^-1[Nature Nanotechnology 6,147(2011)]。上述二维半导体的优异性能为其在未来逻辑电子器件的应用中提供机遇。

基于二维半导体材料的场效应晶体管器件的栅电介质材料大多为二氧化硅(SiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)和二氧化铪(HfO₂)等。其工作原理仍为热载流子扩散导通机制。此类器件尽管实现了小尺度，然而高集成度引发的功耗仍然无法解决，器件亚阈值摆幅仍无法突破60mV/dec，同样面临功耗-性能-尺度相互制约的难题。基于上述理由，针对二维半导体材料在逻辑电子器件中的应用，迫切需要通过结构和工作机制等方面的改进，不仅实现小尺寸器件，更能够在最大程度上降低器件亚阈值摆幅，最终降低器件的功耗。

为解决上述问题，本专利提出了一种二维半导体负电容场效应管及制备方法。该器件将聚偏氟乙烯基铁电聚合物代替传统的栅电介质材料，利用聚偏氟乙烯基铁电聚合物的负电容效应，制备二维材料负电容场效应晶体管器件。该二维材料负电容场效应器件的源漏电流变化4个数量级时，亚阈值摆幅可低至24.3mV/dec。McGuire等人在2016年报道了类似结构的场效应晶体管器件[Applied Physics Letters 109,093101(2016)]。但与他们的结构不同，我们所提出的二维半导体材料负电容场效应器件为金属-铁电-半导体结构，同时在聚偏氟乙烯基铁电聚合物厚度低至50nm时，器件仍具备低于60mV/dec的亚阈值摆幅。

技术实现要素：

本专利提出了一种二维半导体负电容场效应管，为二维材料场效应晶体管器件在未来超快速、低功耗逻辑电子器件领域的应用开辟道路。

上述专利将铁电材料代替二维材料场效应晶体管器件中的传统栅电介质材料，利用铁电材料的负电容效应调控二维半导体材料，形成二维半导体负电容场效应器件，可实现小尺寸、超快速、低功耗的逻辑电子器件。

本专利指一种二维半导体负电容场效应管及制备方法，其特征在于，器件结构自下而上一次为：

-衬底1，

-氧化物层2、

-二维半导体材料3、

-金属源极4、金属漏极5、

-具有负电容效应的铁电栅电介质层6

-金属栅电极7，

其中衬底1为重掺杂的硅衬底，厚度0.3-0.5毫米；

其中氧化物层2为二氧化硅，厚度285±5纳米；

其中二维半导体材料3为过渡金属硫族化合物，厚度从1层至10层分子；

其中金属源极4、金属漏极5为铬和金电极，铬厚度为5-10纳米，金厚度为30-50纳米；

其中具有负电容效应的铁电栅电介质层6为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜，厚度为50-300纳米；

其中金属栅电极7为铝金属电极，厚度为9-12纳米。

本专利指一种二维半导体负电容场效应管及制备方法，其特征在于器件制备包括以下步骤：

1)氧化物层制备

在重掺杂硅衬底上通过热氧化法制备氧化物层二氧化硅，厚度为285±5纳米。

2)过渡金属硫族化合物二维半导体制备及转移

采用机械剥离转移方法将过渡金属硫族化合物二维半导体材料转移至氧化物层二氧化硅表面。

3)过渡金属硫族化合物二维半导体源漏电极的制备

采用电子束曝光技术，结合热蒸发金属及剥离工艺制备金属源极4，漏极5，形成背栅结构过渡金属硫族化合物二维材料场效应结构器件；电极为铬、金，厚度分别为5-10纳米，30-50纳米。

4)具有负电容效应的聚偏氟乙烯基铁电栅电介质层制备

在制备好的背栅器件上运用旋涂方法制备具有负电容效应的聚偏氟乙烯基铁电聚合物聚偏二氟乙烯(P(VDF-TrFE))铁电栅电介质层，并在110℃-140℃温度下退火4-6小时保证铁电薄膜的结晶特性和负电容特性，该具有负电容效应的聚偏氟乙烯基铁电栅电介质层薄膜的厚度50-300纳米。

5)金属栅电极的制备

在具有负电容效应的铁电栅电介质层6上制备金属栅电极7，通过热蒸发金属结合负胶紫外光刻及氩离子刻蚀方法获得特定图形结构的电极图形。金属栅电极材料为铝，厚度为9-12纳米。

聚偏氟乙烯基铁电聚合物聚偏二氟乙烯(P(VDF-TrFE))具有负电容效应这一结论早已被证实，该负电容效应通常发生在被极化后的P(VDF-TrFE)的极化方向翻转180度的瞬间，在这一瞬间可使得二维半导体材料的表面电势Ψ_S大于外加栅电压V_G。该电压放大效应可使二维半导体沟道的载流子浓度及类型产生快速的变化，即器件在非常短的时间内由开态转变为关态，或由关态转变为开态。由于二维材料的低维特性，不仅可以有效地降低器件尺寸，还可以使器件在较小的源漏偏压(<0.2V)下正常工作。器件在工作时的电压分布示意图如图2所示，在源漏偏压为0.1V时，二维半导体沟道材料为二硫化钼，P(VDF-TrFE)的厚度为50nm和200nm时的转移特性曲线如图3(a)和3(b)所示，二维半导体沟道材料为二硒化钼，P(VDF-TrFE)的厚度为300nm时的转移特性曲线如图3(c)所示。

本专利专利的优点在于：本专利基于二维半导体材料场效应晶体管器件结构，利用聚偏氟乙烯基铁电材料聚偏二氟乙烯(P(VDF-TrFE))的负电容效应，将P(VDF-TrFE)代替传统二维材料场效应晶体管中的栅电介质材料，制备二维材料负电容场效应器件。由于P(VDF-TrFE)的负电容效应可以对外加栅压产生放大效应，进一步加强了对二维半导体材料中载流子及能带的调控，从而大大降低了器件的亚阈值摆幅，提高了器件的开关速率，降低了器件的整体功耗。此外，器件还具备高开关比、稳定性好、结构简单、容易制备等特点。

附图说明

图1为二维半导体负电容场效应管结构截面示意图。

图中：1衬底，2氧化物层、3二维半导体材料、4金属源极、5金属漏极、6具有负电容效应的铁电栅电介质层、7金属栅电极。

图2二维半导体负电容场效应管工作时的电压分布示意图。

图中：(a)二维半导体负电容场效应管结构截面示意图；(b)器件在工作时的电压分布示意图，其中V_G栅电压、V_SD源漏偏置电压、Ψ_S二维半导体沟道表面电势、C_F具有负电容效应的铁电栅电介质电容、C_S二维半导体沟道电容。

图3二维半导体材料负电容场效应管应用实例。

图中：(a)在源漏偏压为0.1V，二维半导体沟道材料为二硫化钼(MoS₂)，P(VDF-TrFE)的厚度为50nm时的转移特性曲线；(b)在源漏偏压为0.1V，二维半导体沟道材料为MoS₂，P(VDF-TrFE)的厚度为200nm时的转移特性曲线；(c)在源漏偏压为0.1V，二维半导体沟道材料为二硒化钼(MoSe₂)，P(VDF-TrFE)的厚度为300nm时的转移特性曲线。

具体实施方式

实例1：

下面结合附图对本专利的实例1作详细说明：

本专利研制了二维半导体负电容场效应管。利用P(VDF-TrFE)铁电聚合物材料的负电容效应对外加栅压产生放大效果，加强对二维半导体材料载流子及能带的调控，从而可以有效地降低场效应晶体管器件的亚阈值摆幅，提高器件翻转速率，降低器件的整体功耗。

具体步骤如下：

1.衬底选择

选用厚度0.5毫米的重掺杂p型硅做为衬底。

2.氧化物介质层制备

通过热氧化法在硅衬底表面，氧化制备285±5纳米厚度二氧化硅。

3.二维半导体材料制备与转移

用胶带将过渡金属硫族化合物MoS₂晶体进行机械剥离，后将其转移至SiO₂/Si衬底上，MoS₂厚度选择1个分子层。

4.源极、漏极制备

利用电子束光刻方法制备源极、漏极电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬5纳米，金30纳米；结合剥离方法，剥离金属膜，获得源极、漏极电极，沟道宽度为1微米。

5.具有负电容效应的铁电栅电介质层制备

在制备好的背栅器件上运用旋涂方法制备具有负电容效应的P(VDF-TrFE)铁电栅电介质层，并在130℃温度下退火4小时保证P(VDF-TrFE)的结晶特性和负电容特性，P(VDF-TrFE)铁电功能层薄膜的厚度为50纳米。

6.金属栅电极制备

首先在铁电栅电介质层上通过热蒸发技术制备9纳米金属铝，再采用负胶紫外光刻及氩离子刻蚀方法获得特定图形结构电极图形。

7.电学测试

在源极和漏极之间施加微小恒定0.1V的偏置电压，检测二维半导体MoS₂的沟道电流，栅电压扫描范围为-13V至13V，栅电压扫描方向为从负到正再到负。测量器件的转移特性，其中亚阈值摆幅为51.2mV/dec，如图3(a)所示。可以看到，该器件的源漏偏置电压小于0.2V，同时亚阈值摆幅低于60mV/dec。结果说明本发明一种二维半导体负电容场效应管采用二维半导体材料MoS₂为沟道时，可以实现负电容场效应管功能，能够有效地降低器件亚阈值摆幅，提高器件开关速率，降低器件功耗。

实例2：

下面结合附图对本专利的实例2作详细说明：

本专利研制了二维半导体负电容场效应管。利用P(VDF-TrFE)铁电聚合物材料的负电容效应对外加栅压产生放大效果，加强对二维半导体材料载流子及能带的调控，从而可以有效地降低场效应晶体管器件的亚阈值摆幅，提高器件翻转速率，降低器件的整体功耗。

具体步骤如下：

5.衬底选择

选用厚度0.5毫米的重掺杂p型硅做为衬底。

6.氧化物介质层制备

通过热氧化法在硅衬底表面，氧化制备285±5纳米厚度二氧化硅。

7.二维半导体材料制备与转移

用胶带将过渡金属硫族化合物MoS₂晶体进行机械剥离，后将其转移至SiO₂/Si衬底上，MoS₂厚度选择5个分子层。

8.源极、漏极制备

利用电子束光刻方法制备源极、漏极电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬8纳米，金40纳米；结合剥离方法，剥离金属膜，获得源极、漏极电极，沟道宽度为1微米。

5.具有负电容效应的铁电栅电介质层制备

在制备好的背栅器件上运用旋涂方法制备具有负电容效应的P(VDF-TrFE)铁电栅电介质层，并在135℃温度下退火5小时保证P(VDF-TrFE)的结晶特性和负电容特性，P(VDF-TrFE)铁电功能层薄膜的厚度为200纳米。

8.金属栅电极制备

首先在铁电栅电介质层上通过热蒸发技术制备10纳米金属铝，再采用负胶紫外光刻及氩离子刻蚀方法获得特定图形结构电极图形。

9.电学测试

在源极和漏极之间施加微小恒定0.1V的偏置电压，检测二维半导体MoS₂的沟道电流，栅电压扫描范围为-30V至30V，栅电压扫描方向为从负到正再到负。测量器件的转移特性，其中亚阈值摆幅为29.6mV/dec，如图3(b)所示。可以看到，该器件的源漏偏置电压小于0.2V，同时亚阈值摆幅低于60mV/dec。结果说明本发明一种二维半导体负电容场效应管采用二维半导体材料MoS₂为沟道时，可以实现负电容场效应管功能，能够有效地降低器件亚阈值摆幅，提高器件开关速率，降低器件功耗。

实例3：

下面结合附图对本专利的实例3作详细说明：

本专利研制了一种二维半导体负电容场效应管。利用P(VDF-TrFE)铁电聚合物材料的负电容效应对外加栅压产生放大效果，加强对二维半导体材料载流子及能带的调控，从而可以有效地降低场效应晶体管器件的亚阈值摆幅，提高器件翻转速率，降低器件的整体功耗。

具体步骤如下：

1.衬底选择

选用厚度0.5毫米的重掺杂p型硅做为衬底。

2.氧化物介质层制备

通过热氧化法在硅衬底表面，氧化制备285±5纳米厚度二氧化硅。

3.二维半导体材料制备与转移

用胶带将过渡金属硫族化合物MoSe₂晶体进行机械剥离，后将其转移至SiO₂/Si衬底上，MoSe₂厚度选择10个分子层。

4.源极、漏极制备

利用电子束光刻方法制备源极、漏极电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬10纳米，金50纳米；结合剥离方法，剥离金属膜，获得源极、漏极电极，沟道宽度为5微米。

5.具有负电容效应的铁电栅电介质层制备

在制备好的背栅器件上运用旋涂方法制备具有负电容效应的P(VDF-TrFE)铁电栅电介质层，并在140℃温度下退火6小时保证P(VDF-TrFE)的结晶特性和负电容特性，P(VDF-TrFE)铁电功能层薄膜的厚度为300纳米。

6.金属栅电极制备

首先在铁电栅电介质层上通过热蒸发技术制备12纳米金属铝，再采用负胶紫外光刻及氩离子刻蚀方法获得特定图形结构电极图形。

7.电学测试

在源极和漏极之间施加微小恒定0.1V偏置电压，检测二维半导体MoSe₂的沟道电流，栅电压的扫描范围为-40V至40V，栅电压扫描方向为从负到正再到负。测量器件的转移特性，其中转移特性曲线的亚阈值摆幅为24.3mV/dec，如图3(c)所示。可以看到，该器件的源漏偏置电压小于0.2V，同时亚阈值摆幅低于60mV/dec。结果说明本专利一种二维半导体负电容场效应管采用二维半导体材料MoSe₂为沟道时，可以实现负电容场效应管功能，能够有效地降低器件亚阈值摆幅，提高器件开关速率，降低器件功耗。