[发明专利]基于碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种二硫化钼晶体管及制备方法，可用于数字电路。

背景技术

近年来，二维层状结构材料由于在热学、光学和电子器件上其独特的物理特性引起了人们的极大兴趣。其中，半导体过渡金属硫化物TMDS材料已被公认为最有可能应用于固态器件的另一种类型的二维材料。二硫化钼是一种典型的层状结构过渡金属硫化物，其由共价键硫-钼-硫(S-Mo-S)结合的薄片通过弱范德华力而组成，它以大于1eV的较大的带隙和合理的载流子迁移率优势在器件应用方面具有潜在的应用前景。此外，它的二维性质在减少器件尺寸对短沟道影响的同时，增加了力学上的柔韧性。MoS₂单层的场效应晶体管在首次成功展示后不久，单层或多层的MoS₂数字电路的构建模块，如逻辑门，静态随机存取存储器和环形振荡器已经实现。由于这些设备都是基于单个MOSFET，这对于MoS₂单个晶体管的性能要求越来越高。为了提高器件的性能，近年来对MoS₂场效应晶体管FET的研究已主要集中在以下几个方面：1)缩小器件尺寸；2)使用高介电常数材料的顶栅器件；3)降低接触电阻；4)研究MoS₂场效应晶体管在不同衬底上的传输行为。

由于迄今所报道的大部分MoS₂场效应晶体管通常受到金属/半导体界面肖特基势垒的限制，因此其电学性能受到的阻碍主要来源于接触电阻而不是本身固有的材料特性。通过对MoS₂掺杂从而降低界面接触电阻是一种有效的提高MoS₂场效应晶体管器件性能的方法，但是由于MoS₂层状晶体其本身超薄的性质，通过掺杂的方法提高电子性能仍然研究的比较少。MoS₂的超薄体性质决定了不能采用传统的掺杂方法如离子注入对它进行掺杂，若采用面内取代等方法进行掺杂又存在制作工艺复杂、成本高昂的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对目前MoS₂场效应晶体管接触电阻过高的不足，提供一种基于碱金属溶液掺杂的MoS₂场效应晶体管及制备方法，以在提高MoS₂场效应晶体管载流子迁移率的同时，简化制作工艺，降低成本。

为实现上述目的，本发明基于碱金属溶液掺杂的MoS₂的场效应晶体管，包括自下而上依次设置的底栅和介电层，介质层上方设置有源电极、漏电极和半导体层，其特征在于：半导体层与源电极之间设有源掺杂区域，半导体层与漏电极之间设有漏掺杂区域，这两个掺杂区均采用10％-30％氢氧化钾水溶液进行掺杂。

为实现上述目的，本发明基于碱金属溶液掺杂的MoS₂的场效应晶体管制备方法，包括

1)将带有200-300nm SiO₂的p型重掺杂硅片衬底清洗干净后用氮气枪吹干；

2)采用胶带撕拉剥离的方法从MoS₂固体上获取MoS₂薄膜，粘在吹干后的硅片上，去掉胶带，将MoS₂薄膜转移到硅片上；

3)在覆盖有MoS₂薄膜的硅片衬底上旋涂180-300nm厚的聚甲基丙烯酸甲脂光刻胶，采用电子束光刻的方法在光刻胶上刻出电极的图形，去掉电极区域的光刻胶，暴露出需要掺杂部分的MoS₂薄膜；

4)将刻有电极图形的MoS₂薄膜置于浓度为10％-30％的KOH溶液中浸泡5-30分钟，完成对已刻有电极图案的MoS₂薄膜的表面掺杂；

5)在已刻有电极图形的MoS₂薄膜上淀积50-100nm厚的Au，再将其置于丙酮中浸泡5-12小时，以去除电极图形以外多余的Au薄膜，形成器件的源漏电极。

本发明具有以下有益效果：

1.降低了二硫化钼与源漏电极的接触电阻，提高了器件的性能

本发明采用浓度为10-30％的氢氧化钾水溶液作为掺杂剂，利用溶液中的钾离子对单层或多层MoS₂进行有效地n型表面掺杂，从而降低了二硫化钼与源漏电极的接触电阻，增加了器件的源漏电流，降低了阈值电压降低，提高了载流子的迁移率。

2.降低了二硫化钼掺杂工艺的复杂性