[发明专利]一种不稳定的二维材料的半导体薄膜场效应管的制备方法

说明书

本发明涉及一种不稳定的二维材料的半导体薄膜场效应管的制备方法，半导体薄膜场效应管由下至上依次包括硅片衬底、不稳定的二维材料、氧化铪薄膜、氧化铝薄膜、源极及漏极。本发明在不稳定的二维材料沉积氧化铪薄膜，在氧化铪薄膜上沉积氧化铝薄膜，氧化铝薄膜在后期的微纳加工工艺中将起到包覆半导体材料，隔绝空气与工艺溶剂的作用。并且在器件制备完毕后，器件沟道上的氧化铝薄膜作为缓冲层将进一步保护材料的性质，从而使得器件性能可以长时间稳定。氧化铝薄膜质量高，禁带宽度大，光透过谱范围较大，适合光电器件的制作。

技术领域

本发明涉及一种不稳定的二维材料的半导体薄膜场效应管的制备方法，属于半导体工艺的技术领域。

背景技术

从石墨烯的发现开始，对二维层状材料的研究掀起了一股热潮。到目前为止，大量高质量的二维层状半导体材料被开发研究，主要包括三类：过渡金属硫化物，黑磷，和Ⅲ-Ⅵ族硒化物。

在诸多的二维材料中，理论迁移率较高的黑磷和硒化铟等，有着在空气和溶剂环境中性质不稳定的缺点。由于第五主族的磷原子上存在孤对电子，黑磷在遇到水或氧气时会迅速降解，形成磷酸物质。使得二维黑磷纳米片的高迁移率受到极大的抑制，而且器件的电学性质不易保持。黑磷(black phosphorus)的结构如图1所示。

硒化铟InSe是铟原子(In)和硒原子(Se)的二元化合物，厚度为四个原子，原子排列顺序为Se-In-In-Se。2013年，科学家们首次从InSe层状晶体中剥离原子薄膜，2016年，研究出这种材料厚度从1个纳米到几个纳米的光学和电学性能。InSe具有较小的有效电子质量(m*＝0.143m₀)，在室温下的电子迁移率可达1000cm²/vs，其电子迁移率大大高于硅，以及层状二硫化物。此外，随着材料的厚度从体层减少到双层，其带隙增加量超过了0.5eV。InSe的结构如图2所示。

二维材料半导体器件的制作，大多数方法是采取机械剥离法(参见文献【1】D.A.Bandurin,A.V.Tyurnina,G.L.Yu,A.Mishchenko,V.Zolyomi,S.V.Morozov,R.K.Kumar,R.V.Gorbachev,Z.R.Kudrynskyi,S.Pezzini,Z.D.Kovalyuk,U.Zeitler,K.S.Novoselov,A.Patane,L.Eaves,I.V.Grigorieva,V.I.Fal'ko,A.K.Geim,and Y.Cao,High electron mobility,quantum Hall effect and anomalous optical response inatomically thin InSe,Nat Nanotechnol,vol.12,pp.223-227,Mar 2017,doi:10.1038/nnano.2016.242.及文献【2】G.W.Mudd,S.A.Svatek,T.Ren,A.Patane,O.Makarovsky,L.Eaves,P.H.Beton,Z.D.Kovalyuk,G.V.Lashkarev,Z.R.Kudrynskyi,andA.I.Dmitriev,Tuning the bandgap of exfoliated InSe nanosheets by quantumconfinement,Adv Mater,vol.25,pp.5714-8,Oct 252013,doi:10.1002/adma.201302616.)或者液相剥离法。从块体材料或者物理气相沉积得到，把二维材料纳米薄片转移到衬底上，再制作电子器件。InSe的研究都是基于机械剥离法制备的样品，这种方法得到的材料缺陷少，表面平整，迁移率高。大多数高迁移率的二维材料器件都是通过机械剥离法所得到。但是，机械剥离法的缺点是：剥离得到的纳米片厚度以及其在基片上的分布位置随机性很大，无法控制位置，制作器件的产量较小。