一种ZrS3/ZrO异质结顶栅场效应晶体管及其制备方法

本发明属于二维材料晶体管器件领域，具体涉及一种zrs3/zro异质结顶栅场效应晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、随着对硅基半导体器件尺寸的要求越来越严格，硅基半导体领域的研究人员将注意力转向二维材料，基于它们在微纳领域具有优异的性能，近期还发现了准一维过渡金属三硫族化合物—mx3，其中m是过渡金属元素，x是硫族元素。与二维材料类似，过渡金属三硫族化合物也是层状材料，层间力是范德华力，因此很容易通过机械剥离获得薄片，然后制成场效应晶体管。作为过渡金属三硫族化合物的成员，zrs3具有准一维结构，它的晶格常数是其对应的氧化物是一种高介电常数材料，在场效应晶体管和电容器结构中可作为sio2的替代品。

2、介电层是场效应管的基本组成部分之一。栅极介电层的质量直接决定了场效应管的导通电流水平、开/关比、迁移率和漏电流水平。特别是，介电层和沟道材料之间的良好接触对于高性能场效应晶体管至关重要。介电层的质量及其与沟道材料的界面在很大程度上取决于异质结构的制造工艺。硅基半导体可以广泛使用，主要是由于硅基电子元件的通道上存在稳定的天然氧化物。然而，目前制备二维材料介电层的方法主要是原子层沉积，这种方法会引入杂质或产生其他缺陷，从而使界面质量变差。因此，采取合适的工艺获得良好的沟道材料与介电层异质结界面，是制备对应高性能场效应晶体管器件的基础。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术的不足，提供种zrs3/zro异质结顶栅场效应晶体管及其制备方法，具体采用以下的技术方案：

2、本发明提供了一种zrs3/zro异质结顶栅场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)将zrs3薄片转移至衬底上；

4、(2)再在有zrs3薄片的衬底上旋涂pmma，固化，使zrs3薄片的两端曝光出源漏电极区域，待样品显影后，再沉积ti/au源漏电极；

5、(3)再将步骤(2)得到的衬底在空气中氧化3min，制得zrs3/zro异质结；

6、(4)再在步骤(3)制得zrs3/zro异质结上沉积ti/au栅电极，制得zrs3/zro异质结顶栅场效应晶体管器件。

7、本发明通过直接氧化法，可通过控制氧化时间来控制氧化层zro的厚度，再结合电子束刻蚀和真空镀膜技术制得zrs3/zro异质结顶栅场效应晶体管。该制备方法操作简单，成本低、耗时短，只通过一次样品转移即制备出了zrs3/zro异质结且可实现大量异质结同时制备；与常规的异质结制备方法不同，本发明首次提出通过直接氧化沟道材料表层以获得介电层，且无需考虑介电材料与沟道材料的晶格匹配和结合性问题。

8、本发明制备zrs3/zro异质结主要是通过加热使s原子以so2的形式从zrs3和zro之间的界面逸出；在温度的驱动下，o原子会破坏zr-s键并形成zr-o键；so2的逸出会导致zro在热氧化中形成缺陷，这些缺陷为后续的o原子到达界面提供了路径，所以zrs3可以不受限制地被氧化，且不会在界面处引入外界杂质。

9、优选地，步骤(1)前还对衬底进行了预处理，具体步骤为：将衬底依次经过丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗以去除表面的杂质，然后将其表面吹干。衬底是任意具有化学惰性的材料，包括硅片、蓝宝石、钛酸锶、石英等。

10、优选地，将步骤(1)中厚度为10nm的zrs3薄片使用干式法转移至衬底上。该zrs3薄片是通过机械剥离得到的。

11、优选地，步骤(2)中，固化采用烘烤的方式，温度范围在90℃-180℃之间。pmma为有机物，当温度过高时有可能导致其产生变性。

12、步骤(2)中采用电子束刻蚀技术使zrs3薄片的两端曝光出源漏电极区域，然后采用真空镀膜技术沉积源漏电极。采用电子束刻蚀而非光刻，是因为电子束刻蚀精度更高，操作过程更加简便且该过程在高真空环境下进行，不会对器件产生不必要的影响。

13、优选地，步骤(3)中，获得zrs3/zro异质结的具体步骤为：将步骤(2)得到的衬底放置于350℃的条件下，氧化3min，zrs3的表面会生成一层zro，从而制得zrs3/zro异质结；氧化温度及氧化时间会直接影响氧化层和沟道的厚度，进而影响异质结器件的电学性能。若热处理时间太短，则zrs3表层氧化产生的zro较薄，即器件的介电层薄，由于热处理产生的zro会存在缺陷，故而介电层没有足够厚度作保障的话，易被击穿，器件寿命得不到保证；若热处理时间过长。则有较多的表层zrs3氧为zro，导致沟道厚度变薄，使得载流子在沟道内的传输受到阻碍，会影响器件本身的电学性能。用350℃氧化3min是经过优选后的处理条件。在加热时，应先将加热台升温至350℃后，再将步骤(2)得到的衬底放置在加热台上；这是因为加热台的升温过程较为缓慢，将加热台升温至目标温度再进行热处理，避免了zrs3热处理过程中转化为其他中间相。

14、优选地，步骤(4)中采用真空镀膜技术在zrs3/zro异质结上沉积顶栅电极。

15、本发明还提供了一种由上述方法制备得到的zrs3/zro异质结顶栅场效应晶体管。

16、本发明的有益效果为：本发明通过直接氧化法，结合电子束刻蚀和真空镀膜技术制得zr s3/zro异质结顶栅场效应晶体管。该制备方法操作简单，成本低、耗时短，只通过一次样品转移即制备出了zrs3/zro异质结且可实现大量异质结同时制备；与常规的异质结制备方法不同，本发明首次提出通过处理沟道材料表层以获得介电层，且无需考虑介电材料与沟道材料的晶格匹配和结合性问题。

技术特征：

1.一种zrs3/zro异质结顶栅场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)前还对衬底进行了预处理，具体步骤为：将衬底依次经过丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗以去除表面的杂质，之后将衬底表面吹干。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，衬底为硅片、蓝宝石、钛酸锶、石英中的一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将步骤(1)中的厚度为10nm的zrs3薄片使用干式法转移至衬底上。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，固化采用烘烤的方式，温度范围在90℃-180℃之间。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中采用电子束刻蚀技术使zrs3薄片的两端曝光出源漏电极区域，然后采用真空镀膜技术沉积源漏电极。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，获得zrs3/zro异质结的具体步骤为：将步骤(2)得到的衬底放置于350℃的条件下，在空气中氧化3min，zrs3的表面会生成一层zro，从而制得zrs3/zro异质结。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，应先将加热台升温至350℃后，再将步骤(2)得到的衬底放置在加热台上。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中采用真空镀膜技术在zrs3/zro异质结上沉积顶栅电极。

10.一种zrs3/zro异质结顶栅场效应晶体管，其特征在于，由权利要求1-9任一项制备得到的。

技术总结
本发明属于二维材料晶体管器件领域，公开了一种ZrS3/ZrO异质结顶栅场效应晶体管及其制备方法。本发明通过直接氧化法，结合电子束刻蚀和真空镀膜技术制得ZrS3/ZrO异质结顶栅场效应晶体管。该制备方法操作简单，成本低、耗时短，只通过一次样品转移即制备出了ZrS3/ZrO异质结且可实现大量异质结同时制备；与常规的异质结制备方法不同，本发明首次提出通过热氧化处理沟道材料表层以获得介电层，且无需考虑介电材料与沟道材料的晶格匹配和结合性问题，制得的ZrS3/ZrO异质结顶栅场效应晶体管。

技术研发人员：周杨波,刘广健,肖志林,廖霞霞,张家玮,柯明杰
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13