[发明专利]一种层状二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，更具体地，涉及一种层状二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯等二维材料由于具有高迁移率(超过15000cm²/V·s)、高载流子浓度(可高达10¹³/cm²)、良好的力学性能、透明度高(可见波段≈97.7％)等优异的特性，被认为是下一代半导体材料而被广泛关注。但是石墨烯不存在带隙，因此其场效应晶体管开关比低，限制了其电子器件的应用。

层状二硫化钼(MoS₂)二维半导体材料，其单层能带结构为直接带隙，带隙为1.8eV，而多层的能带为间接带隙，带隙为1.2eV，解决了二维材料中0带隙的问题而被广泛关注。同时层状二硫化钼具有单层或少层厚度导电沟道，较高的比表面积，因此在高密度集成中克服短沟道效应及利用气体分子与其场效应晶体管沟道的强相互作用实现超高灵敏气体传感器等方面，具有巨大的潜在应用价值，其器件示意图如图1所示。但是，由于天然二硫化钼晶体材料中本身硫空位的存在，使二硫化钼有较高的自掺杂浓度和电子浓度，展现为常开态(0栅压下为开态)，导致其场效应晶体管需要施加较高的负栅压才能实现截止关态，即开启电压一般处于-60V到-40V之间(二氧化硅为介电层时)。如此高的开启电压，限制了层状二硫化钼场效应器件及气体传感器等方面的应用，因此实际应用中亟需要降低二硫化钼场效应晶体管开启电压。

在现有技术中，参见Leong,W.S.等，Tuning the threshold voltage of MoS₂field-effect transistors via surface treatment.,Nanoscale，7卷，第24期，10823-10831页，在真空环境中，将硫粉与二硫化钼置于同一炉管内高温退火2小时以上，通过填补二硫化钼中的硫空位降低掺杂浓度来实现减小电子浓度，并降低二硫化钼场效应晶体管的开启电压。然而在上述技术显而易见非常有局限性，首先退火掺杂很容易改变器件界面结构，很可能降低场效应器件性能；其次，上述过程需要较高温度，操作复杂，且由于很难完全填补硫空位，使得对开启电压调控能力弱，该文章中只能调控至-20V，但依旧难以满足实际应用中低电压的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何降低二硫化钼场效应晶体管的开启电压，使开启或阈值电压接近零伏，以满足实际应用中低工作电压的需求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种层状二硫化钼场效应晶体管，在该场效应晶体管的层状二硫化钼表面覆盖F4-TCNQ分子层。

本发明将有机小分子F4-TCNQ覆盖于二硫化钼片层上，二硫化钼层中由硫空位自掺杂的电子将自发注入到F4-TCNQ分子中形成局域电子，从而降低二硫化钼片层中的自由电子浓度，如图3所示。因此只需要较低的负栅压就可使器件处于截止关态，即实现较低的开启电压。

在一个优选实施方式中，F4-TCNQ分子层的厚度为5-20nm，优选为6-15nm，进一步优选为10nm。

在一个优选实施方式中，层状二硫化钼层的厚度为0.6-20nm。

在一个优选实施方式中，使用真空蒸镀在层状二硫化钼表面覆盖F4-TCNQ分子层。

在二硫化钼表面真空蒸镀F4-TCNQ层的场效应晶体管的开启电压大幅降低，对比未覆盖F4-TCNQ层的场效应晶体管的开启电压，至少降低90％，调控后的开启电压可降至约为-5V。同时，真空蒸镀F4-TCNQ降低了场效应晶体管的亚阈值摆幅，至少降低50％，提高了场效应晶体管的开启速度。

其中，真空蒸镀的工作参数可以为：真空度为1×10^-5Pa-9×10^-5Pa，真空蒸镀的速度为0.05-0.3nm/s。

更优选地是，真空蒸镀的工作参数为：真空度为2×10^-5Pa-5×10^-5Pa；真空蒸镀的速度为0.1-0.2nm/s。

在本发明中，二硫化钼场效应晶体管可以为本领域中任意含有层状二硫化钼片层的场效应晶体管，只需要在上述场效应晶体管的二硫化钼表面真空蒸镀F4-TCNQ层即可实现降低开启电压的功效。

在一个优选实施方式中，二硫化钼场效应晶体管还可以包括：自下而上依次为栅极、二氧化硅层、二硫化钼层以及覆盖于二硫化钼表面的金属源极和金属漏极，如图2所示。