[发明专利]一种三材料异质栅结构的黑磷场效应管

说明书

本发明公开了一种三材料异质栅结构的黑磷场效应管，包括导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、源极、漏极、栅极；所述的导电沟道、源区和漏区均采用黑磷材料制作，在所述的导电沟道、源区和漏区外有栅极氧化层，在栅极氧化层外再沉淀一层金属电极，作为栅极，所述的栅极采用三种不同功函数的导电金属制作，形成三材料异质栅结构的黑磷场效应管的异质栅，基于非平衡格林函数的方法，本发明给出了异质栅功函数的分配规则。当三种材料的功函数从源极向漏极逐步减小，或是中间功函数最大，靠漏极一侧功函数最小时，该种结构能有效的改善性能，具有更低的泄漏电流，更高的电流开关比，更能抑制漏致势垒降低效应。

技术领域

本发明涉及黑磷场效应管领域，尤其是在黑磷器件的结构对器件性能的优化方面。

背景技术

近年来，一种新的2-D材料黑磷通过实验获得并应用于场效应管。像石墨烯一样，黑磷由单一非金属元素组成，使其比过渡金属硫化物更简单。单层黑磷(ML-BP)结构-磷杂环戊二烯可以机械剥离并在室温下稳定。起皱层结构由磷原子的原子轨道的sp3杂化形成。实验表明，5nm厚的超薄单层黑磷的迁移率可以达到1000cm²/Vs。

黑磷被视为一种具有高空穴迁移率和中等开/关比的新型2D材料运用在场效应晶体管上。更重要的是，ML-BP具有1.5-2.0eV的直接带隙，使其适用于场效应管的运用。与半金属石墨烯具有零带隙和单层MOS2具有直接带隙约1.8eV不同，黑磷显示随厚度而定的直接带隙，其从约0.3eV(块状)变化到＞1.4eV(单层)。这种可调带隙有利于光电子应用(如光电晶体管，pn二极管和太阳能电池)。另外，由于其面内晶格的褶皱性质，BP显示出有趣的各向异性性质。几项研究已经探索了BP中的各向异性输运，这使得BP可以用于可能利用各向异性特性的新型电子和光电子器件中的潜在应用。相比于硅基材料，黑磷场效应管在器件内部电子的输运机制近似于弹道输运，黑磷场效应管能获得更高的驱动电流，更快的响应速度，以及功耗的显著下降。

随着器件尺寸的减小，沟道的长度越来越短，短沟道效应(SCE)的出现减弱了器件的栅控能力。为了提高器件对SCE的抵抗能力，需要进一步改进场效应管的结构。

发明内容

发明目的：针对传统的黑磷场效应管会出现双极性效应，且随着器件尺寸不断缩小，会出现短沟道效应而引起器件性能下降的问题，本发明提供三材料异质栅结构的黑磷场效应管。

技术方案：一种三材料异质栅结构的黑磷场效应管，包括：导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、源极、漏极、栅极；所述的导电沟道、源区和漏区采用一本征半导体黑磷，导电沟道位于源区和漏区之间，对本征半导体黑磷的两端采用分子或金属离子进行重掺杂后，分别作为源区、漏区；在所述的导电沟道、源区和漏区外，生成一层栅极氧化层，在栅极氧化层外再沉淀一层金属电极，作为栅极，所述的栅极采用三种不同功函数的导电金属制作，形成三材料异质栅结构的黑磷场效应管的异质栅；在位于源区和漏区之上的栅极氧化层上分别刻蚀一源极引线孔和漏极引线孔，在该源极引线孔内制备源极，在漏极引线孔内制备漏极。

进一步的，栅极三种材料的部分横向长度相等，均为栅极长度的1/3。

进一步的，栅极的三种材料的功函数分配规则从源区侧向漏区侧逐步减小。

进一步的，栅极的三种材料的功函数分配规则为中间材料功函数最大，靠漏区一侧功函数最小。

进一步的，源区和漏区同为N型重掺杂或P型重掺杂。

进一步的，在所述的导电沟道、源区和漏区外，采用原子沉积方法生成一层栅极氧化层。