[发明专利]一种黑磷场效应晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制备技术领域，具体涉及一种二维材料黑磷场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

在半导体行业中，传统的硅基晶体管在三维的尺度上发展的非常成熟，但若按照摩尔定律和按比例微缩准则发展下去，晶体管将很快会达到其物理或材料极限，急需寻找可以替代的材料，二维材料就是其中极富潜力的发展方向之一。自2004年石墨烯发现以来，二维材料的研究热潮经久不衰。短短十年的时间，二维材料已由单一的石墨烯发展为二维材料的体系，其中不仅包含碳族元素化合物，还有氮化硼，过渡金属硫化物，以及黑磷等，所涵盖的元素周期表上的元素种类不断扩展，使得其研究深度和广度也不断加深和拓宽。

尽管石墨烯有着超高的迁移率，但是由于没有能带间隙，导致关态电流大，开关比(on/off)过小，无法用于实际的逻辑晶体管制造。而广泛研究的二硫化钼和钨化硒等过渡态金属硫化物虽然具有可观的光学能隙，单层能隙大于1.6eV，并具有非常高的开关比（可达10⁸）和输出饱和特性（Ids-Vds输出特性），但是其载流子迁移率与石墨烯相比要低几个数量级，通常小于10-200cm²/Vs。实验中得到的载流子迁移率变化幅度很大，导致其器件性能起伏不定，因此也限制了电子器件的应用。

黑磷(black phosphorus)是继石墨烯和过渡态金属硫化物半导体材料之后发现的一种新型二维半导体材料。具有随厚度可调的直接带隙(0.3~2.0 eV)，较高的迁移率（>10³ cm²/Vs）,具有广阔的应用前景；然而，黑磷在环境中的稳定性较差，容易与空气中的水和氧气反应生成磷氧化物，这也成为限制黑磷器件应用的一大因素，因而通过各种方式提高黑磷及其器件的稳定性也是现今的热门研究方向之一。

发明内容

本发明的目的是解决黑磷稳定性差的缺陷，提供一种二维材料黑磷场效应晶体管，其能增强黑磷材料在空气中的稳定性，以实现高性能、高稳定性的黑磷器件。

为达到上述目的，本发明提供了一种二维材料黑磷场效应晶体管，所述晶体管结构从下至上依次为：背栅电极、栅介质层、二维材料黑磷以及源-漏电极。氧化铝钝化层将黑磷场效应晶体管完全覆盖。

如上所述的黑磷场效应晶体管，其中，所述背栅电极是低阻硅衬底，电阻率<0.005 Ω•cm。

上述的黑磷场效应晶体管，其中，所述栅介质层为二氧化硅介质层和氮化铝介质层的叠层。此外，二氧化硅是通过热氧化制得的，厚度范围为280~310 nm；氮化铝是通过原子层沉积工艺制得的，厚度范围为5~15 nm，生长温度范围为150~200 ℃。

上述的黑磷场效应晶体管，其中，所述黑磷有源层的厚度为5~25 nm。

上述的黑磷场效应晶体管，其中，所述源、漏电极可以选择的材料为Ni/Au、Cr/Au或者Ti/Au。

上述的黑磷场效应晶体管，其中，所述氧化铝钝化层是通过原子层沉积工艺制得的，厚度范围为10~30 nm，生长温度范围为150~200 ℃。

本发明还提供了一种上述黑磷场效应晶体管的制备方法，其包含以下步骤：

步骤1、将电阻率<0.005 Ω•cm的低阻硅片直接作为背栅电极，接着在其表面通过热氧化生长二氧化硅介质层，厚度范围为280~310 nm；然后采用原子层沉积工艺生长氮化铝介质层，厚度范围为5~15 nm，生长温度范围为150~200 ℃；

步骤2、在氮化铝介质层上制备金属套刻标记，该套刻标记起到定位作用；

步骤3、运用微机械剥离的方法将黑磷减薄至若干黑磷层，并转移到带有金属套刻标记的氮化铝介质层上，挑选厚度为5~25 nm的黑磷层作为制作器件的黑磷有源层；

步骤4、在黑磷有源层表面通过电子束光刻和标记对准定义出源漏电极图形；接着电子束蒸发一层Ni/Au或Cr/Au或Ti/Au，然后通过丙酮剥离获得源漏电极，形成黑磷场效应晶体管；

步骤5、在黑磷场效应晶体管表面用原子层沉积的方法生长一层厚度范围为10~30 nm的氧化铝钝化层，生长温度范围为150~200 ℃。

较佳地，步骤2采用光刻、金属沉积和剥离工艺制备金属套刻标记。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：