基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管、制法和应用的制作方法

本发明特别涉及一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管、制法和应用，属于半导体电子器件技术领域。

背景技术：

石墨烯等二维材料的出现和成功制备为各领域的发展注入了新的活力，二维材料种类包括金属、半导体及绝缘体，其中，具有半导体特性的二维材料在微电子器件方面有着广阔的应用前景。但受到二维材料本身材料的限制，并不适合制作高功率和高耐压器件。并且由于缺乏有效的性能表征手段，二维材料的发展受到了极大的限制。

现有的二维材料场效应晶体管多利用二维材料作为沟道层制备场效应晶体管，其结构如图1所示，其自下而上依次有导电基底、绝缘介质层、二维材料、金属电极。该方法简化了二维材料场效应晶体管的制备工艺、提高制备效率和成品率。

例如，cn107068745a公开了一种场效应晶体管的制备方法，其将两种不同的二维晶体组成异质结结构，利用该异质结结构作为导电沟道材料制备场效应晶体管，该器件适用于集成电路等领域；cn104078501a中公开了基于二维半导体材料的低压场效应晶体管，其包括：栅区、源区、漏区、沟道区和衬底。其栅介质为对电子绝缘、对离子导电的无机多孔材料，同时含有正、负两种离子。栅介质与沟道区的界面形成双电层电容，使得器件工作电压大大减低，同时采用少层二维半导体材料作为沟道区材料，使得器件可以同时实现电子导电和空穴导电。

然而，现有技术多采用导电基底作为背栅，与其他器件的集成度差，而且具有较大的寄生电容，以及实验可重复性差，工艺复杂，操作难度大，无法批量制备；并且现有晶体管对栅介质材料要求苛刻，难以达到理想的效果。因此，提供一种可调制背栅的二维材料晶体管仍是业界亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管、制法和应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提方面提供了一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管，其包括：

异质结，其包括第一半导体和形成于第一半导体上的第二半导体，所述第二半导体具有宽于第一半导体的带隙，且所述异质结中形成有二维电子气或二维空穴气；以及

形成于所述异质结上的源极、漏极和栅极，所述源极、漏极分布在第二半导体上且彼此间隔设置，同时，所述源极与漏极之间经二维材料电连接，所述二维材料用作所述晶体管的导通沟道，所述栅极与所述二维电子气或二维空穴气电连接。

在一些实施方案中，还可在第二半导体上设置绝缘介质层，并将所述源极、漏极设置在绝缘介质层上。

本发明实施例还提供了一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的制作方法，其包括：

提供异质结，所述异质结包含第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成在第一半导体上，且具有宽于所述第一半导体的带隙，所述异质结中形成有二维电子气或二维空穴气；

于所述异质结上制作栅极，并使所述栅极与所述二维电子气或二维空穴气电连接；

于所述第二半导体上制作彼此间隔设置的源极和漏极；

在所述源极和漏极之间设置二维材料，所述二维材料用作所述晶体管的导通沟道。

本发明实施例还提供了所述基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管于制备二维材料传感装置或探测装置中的用途。

本发明实施例还提供了一种二维材料的特性变化检测方法，其包括：

依据所述基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的制作方法制作形成二维材料晶体管；

在所述二维材料晶体管上加载电压或通入电流，测出其中二维材料的转移输出特性；

对所述二维材料晶体管中的二维材料进行特性变化处理，之后再次在所述二维材料晶体管上加载电压或通入电流，再次测得二维材料的转移输出特性，实现对二维材料的特性变化检测。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

(1)本发明实施例利用二维电子气的电子高迁移率特性，实现了可调制背栅的二维材料晶体管，由于采用二维材料作为沟道不需要对器件进行掺杂或离子注入，避免了因掺杂或离子注入工艺引入的均匀性、重复性和引入损伤问题，并且保证了与栅电极相连的二维电子气的高电子迁移率，降低了器件的导通损耗。此外，由于器件的整体结构生长得到简化，减少了刻蚀工艺，所以可以有效降低器件复杂性和制备成本；

(2)由于本发明实施例的二维材料晶体管使用二维电子气作为背栅，可以更加灵敏的测试出二维材料的特性变化，适用于各类二维材料传感器及探测器，如光敏传感器、气敏传感器、光电探测器；也可适用于二维材料掺杂特性的研究。

附图说明

图1是现有技术中利用二维材料作为沟道层制备形成的场效应晶体管的结构示意图；

图2是本发明实施例1步骤1)中形成的材料结构示意图；

图3是本发明实施例1步骤2)中形成栅电极后的器件结构示意图；

图4是本发明实施例1步骤3)中形成源电极和漏电极后的器件结构示意图；

图5是本发明实施例1步骤4)中覆盖二维材料后的器件结构示意图；

图6是本发明实施例1步骤5)中最终形成的一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的器件结构示意图；

图7是本发明实施例2中一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的器件又一结构示意图；

图8是本发明实施例1中一种石墨烯晶体管的转移特性曲线；

图9是本发明实施例1中一种石墨烯晶体管的输出特性曲线。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例一方面提供了一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管，其包括：

异质结，其包括第一半导体和形成于第一半导体上的第二半导体，所述第二半导体具有宽于第一半导体的带隙，且所述异质结中形成有二维电子气或二维空穴气；以及

形成于所述异质结上的源极、漏极和栅极，所述源极、漏极分布在第二半导体上且彼此间隔设置，同时，所述源极与漏极之间经二维材料电连接，所述二维材料用作所述晶体管的导通沟道，所述栅极与所述二维电子气或二维空穴气电连接。

前述二维电子气(2deg)是指可以自由在二维方向移动，而在第三维上受到限制的自由电子。在调制掺杂异质结中二维电子气沿着平面方向运动的迁移率将非常高并且在极低温度下都不会复合消失，故又称这些电子为高迁移率二维电子气。电子迁移率是影响器件工作频率的重要因素，高迁移率二维电子气的应用成为当前的研究热点并具有非常大的应用优势。

进一步的，所述栅极与所述二维电子气或二维空穴气之间形成欧姆接触。

本发明实施例提供的二维材料晶体管的栅电极与二维电子气相连，而二维电子气存在于势垒层下面，构成了背栅调控，制备工艺简单，集成度好。而且还可以保证与栅电极相连的二维电子气的高电子迁移率。

进一步的，所述第一半导体选自iii-v族化合物。

优选的，所述第一半导体的材质包括gan或gaas，但不限于此。

进一步的，第二半导体选自选自iii-v族化合物。

优选的，所述第二半导体的材质包括algan或algaas，但不限于此。

进一步的，所述栅极的厚度为10-1000nm。

优选的，所述栅极的材质包括ti、al、ni、au、cr、pt、mo、pd中的任意一种或两种以上的组合，例如可以选自如下的组：ti/al/ni/au、ti/al/ti/au、ti/al/cr/au、ti/al/pt/au、ti/al/mo/au、ti/al/pd/au，但不限于此。

进一步的，所述源极和/或漏极的厚度为10-1000nm。

优选的，所述源极和/或漏极的材质包括au、cr、pt、ag中的任意一种或两种以上形成的合金，但不限于此。

进一步的，所述二维材料的层数为1-100层。

更进一步的，所述二维材料为单一种类的二维材料或二维材料异质结。

优选的，所述二维材料包括石墨烯、mos2、ws2中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述异质结上还形成有绝缘介质层，所述源极、漏极设置于所述绝缘介质层上。

优选的，所述绝缘介质层的厚度为1-1000nm。

优选的，所述绝缘介质层的材质包括sio2、aln、si3n4中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述异质结形成在基底上，并且所述异质结与基底之间还分布有缓冲层。

本发明实施例另一方面还提供了一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的制作方法，其包括：

提供异质结，所述异质结包含第一半导体和第二半导体，所述第二半导体形成在第一半导体上，且具有宽于所述第一半导体的带隙，所述异质结中形成有二维电子气或二维空穴气；

于所述异质结上制作栅极，并使所述栅极与所述二维电子气或二维空穴气电连接；

于所述第二半导体上制作彼此间隔设置的源极和漏极；

在所述源极和漏极之间设置二维材料，所述二维材料用作所述晶体管的导通沟道。

本发明实施例提供的二维材料晶体管的制备方法中，由于不需要对器件进行掺杂或离子注入，避免了因掺杂或离子注入工艺引入的均匀性、重复性和引入损伤问题。

进一步的，所述基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的制备方法具体包括：于所述异质结上制作完成栅极之后，对形成的器件结构进行快速退火，退火温度为500-1000℃，时间为0.1-100min，使所述栅极与所述二维电子气或二维空穴气之间形成欧姆接触。

进一步的，所述基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的制备方法具体包括：先于所述第二半导体上形成绝缘介质层，之后在所述绝缘介质层上制作形成所述源极、漏极。

更进一步的，所述基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的制备方法具体包括：

将二维材料转移至源极和漏极之间，并使源极与漏极经二维材料电连接；

或者，在源极和漏极之间原位生长形成二维材料，并使源极与漏极经二维材料电连接。

进一步的，所述第一半导体选自iii-v族化合物。例如，所述第一半导体的材质可以包括gan或gaas等，但不限于此。

进一步的，第二半导体选自选自iii-v族化合物。

例如，所述第二半导体的材质可以包括algan或algaas等，但不限于此。

进一步的，所述栅极的厚度为10-1000nm。

优选的，所述栅极的材质包括ti、al、ni、au、cr、pt、mo、pd中的任意一种或两种以上的组合，例如可以选自如下的组：ti/al/ni/au、ti/al/ti/au、ti/al/cr/au、ti/al/pt/au、ti/al/mo/au、ti/al/pd/au，但不限于此。以其中的ti/al/ni/au为例，其是指依次层叠设置的ti层、al层、ni层、au层。

进一步的，所述源极和/或漏极的厚度为10-1000nm。

优选的，所述源极和/或漏极的材质包括au、cr、pt、ag中的任意一种或两种以上形成的合金，但不限于此。

进一步的，所述二维材料的层数为1-100层。

更进一步的，所述二维材料为单一种类的二维材料或二维材料异质结。

优选的，所述二维材料包括石墨烯、mos2、ws2中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，还可以在所述异质结上设置绝缘介质层，并将所述源极、漏极设置于所述绝缘介质层上。

优选的，所述绝缘介质层的厚度为1-1000nm。

优选的，所述绝缘介质层的材质包括sio2、aln、si3n4中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

本发明实施例提供的二维材料晶体管的制备方法中，由于器件的整体结构生长工艺得到简化，减少了刻蚀工艺，有效降低了器件的复杂性和制备成本。

本发明实施例还提供了所述基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管于制备二维材料传感装置或探测装置中的用途。

本发明实施例还提供了一种二维材料的特性变化检测方法，其包括：

依据所述基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的制作方法制作形成二维材料晶体管；

在所述二维材料晶体管上加载电压或通入电流，测出其中二维材料的转移输出特性；

对所述二维材料晶体管中的二维材料进行特性变化处理，之后再次在所述二维材料晶体管上加载电压或通入电流，再次测得二维材料的转移输出特性，实现对二维材料的特性变化检测。

进一步的，前述特性变化处理包括掺杂或等离子体处理等，但不限于此。

例如，在一些实施例中，可以将所述二维材料晶体管中的二维材料与指定的化学物质、电磁波等接触，从而使其物理和/或化学特性发生变化。

如下将结合附图与具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

实施例1

该实施例提供的一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的结构可以如图6所示，其可以包括于衬底上依次设置的缓冲层、沟道层(亦可称为第一半导体)、势垒层(亦可称为第二半导体)，所述势垒层上间隔设置有源极和漏极，源极与漏极之间经二维材料电连接，栅极与二维电子气电连接，该二维电子气形成于由沟道层和势垒层组成的异质结中。

该实施例提供的一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的制备方法可以包括如下步骤：

1)利用金属有机化合物化学气相沉积(mocvd)或分子束外延(mbe)或氢化物气相外延(hvpe)等外延技术，生长基底/缓冲层/沟道层/势垒层的材料结构，其结构如图2所示；基底可以是硅片、蓝宝石等，沟道层的材质包括gan或gaas，势垒层的材质包括algan或algaas，在沟道层和势垒层之间形成有二维电子气或二维空穴气；势垒层的导电性较差，如algan的电导率为10ω/m或10ω/m以上；

2)利用电子束蒸发或溅射等金属沉积技术，在步骤1)中的材料结构表面上制作栅电极，并用快速退火炉退火，退火温度为500-1000℃，时间为0.1-100min，使栅电极与步骤1)中的材料结构表面形成欧姆接触，且栅电极与二维电子气或二维空穴气电连接，制作形成栅电极后的器件结构如图3所示；栅电极的厚度为10-1000nm，栅电极的材质包括ti/al/ni/au、ti/al/ti/au、ti/al/cr/au、ti/al/pt/au、ti/al/mo/au、ti/al/pd/au中的任意一种；

3)利用电子束蒸发或溅射等金属沉积技术，在步骤2)中的器件结构表面上制作源电极和漏电极，制作形成源电极、漏电极后的器件结构如图4所示；源电极和漏电极的厚度均为10-1000nm；源电极和漏电极的材质均包括au、cr、pt、ag中的任意一种金属或其他导电性良好的金属及其合金；

4)利用机械剥离、化学气相沉积(cvd)等方法生长二维材料(如石墨烯、二硫化钼等)并转移到步骤3)中制作形成源电极、漏电极后的器件结构表面或者直接在步骤3)中制作形成源电极、漏电极后的器件结构表面生长二维材料，生长二维材料后的器件结构如图5所示；优选的，二维材料的层数为1-100层；二维材料包括单一种类的二维材料或由两种以上二维材料形成的二维材料异质结；优选的，二维材料包括石墨烯、mos2、ws2中的任意一种，例如石墨烯/mos2、石墨烯/ws2；

5)利用氧等离子体或反应离子刻蚀或离子束刻蚀等刻蚀技术，刻蚀掉除源电极和漏电极之间区域以外区域的二维材料，使二维材料与源电极、漏电极形成欧姆接触；刻蚀区域可以通过光刻和掩膜转移等技术进行确定，最终形成的器件结构如图6所示。

进一步的，本实施例还可利用半导体参数仪对制备形成的前述二维材料晶体管进行测试，获得二维材料的转移输出特性，研究器件的性能。

进一步的，本实施例还可对前述二维材料晶体管表面的二维材料进行掺杂或等离子体处理，再利用半导体参数仪进行测试，测出二维材料的转移输出特性，研究分析器件特性的变化。

例如，以本实施例所获的一种石墨烯晶体管为例，采用半导体参数仪对该石墨烯晶体管进行测试，在源极、漏极间施加一固定电压vds，栅极施加变化的电压vg，测出器件源极、漏极间电流ids随栅极电压vg变化的曲线即转移特性曲线，转移特性曲线如图8所示；在栅极施加一固定电压vg，源极、漏极间施加变化的电压vds，测出源极、漏极间电流ids随漏极电压vds变化的曲线即输出特性曲线，输出特性曲线如图9所示。

实施例2：该实施例提供的一种基于二维电子气调控背栅的二维材料晶体管的结构可以参阅图7所示，其与实施例1的二维材料晶体管的区别之处在于：势垒层上还设有绝缘介质层，源极、二维材料、漏极均设置在该绝缘介质层上。

该实施例提供的二维材料晶体管的制备方法与实施例1基本相同，区别之处在于：步骤1)还包括在势垒层上形成绝缘介质层，并以反应离子刻蚀或湿法腐蚀等刻蚀方法刻蚀除去栅电极下方区域的绝缘介质层，之后再沉积栅极金属；或者步骤2)还包括在制作形成栅电极之后，以原子层沉积(ald)或等离子增强化学气相沉积(pecvd)等方式在势垒层和栅电极上沉积一层绝缘介质层，然后除去栅电极上方的绝缘介质层。所述绝缘介质层的厚度可以为1-1000nm，绝缘介质层的材质包括sio2、aln、si3n4中的任意一种或两种以上的组合。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。