[发明专利]基于二硫化钨/锑化镓结型场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于WS₂/GaSb结型场效应晶体管及其制备方法。所述的结型场效应晶体管包括衬底、N型WS₂薄膜、P型GaSb纳米线、源电极、漏电极和栅电极；P型GaSb纳米线设于衬底的表面，源电极与漏电极设于P型GaSb纳米线表面的两端，N型WS₂薄膜设于P型GaSb纳米线表面且位于源电极与漏电极之间；栅电极设于N型WS₂薄膜的表面且位于源电极与漏电极之间。本发明将GaSb和WS₂二维半导体应用于JFET中，确保了抑制界面缺陷的产生，减少了界面态对载流子输运的影响，并借助JFET没有复杂介电工程的优势，降低器件的亚阈值摆幅，提高开关比和电流密度。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种基于二硫化钨（WS₂）/锑化镓（GaSb）结型场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

III-V半导体纳米线因其大玻尔激子半径、窄带隙、载流子迁移率高等优异特性而在下一代电子学和光电子学中引起了广泛的关注。特别是，作为一种重要的P型半导体，GaSb纳米线表现出约0.726eV的带隙，理论空穴迁移率高达1000 cm²V^-1s^-1，以及强自旋轨道相互作用，已被用作电子和光电器件中通道的替代候选者（[1] Borg, M.; Schmid, H.;Gooth, J.; et al. High-Mobility GaSb Nanostructures Cointegrated with InAs onSi. ACS Nano. 2017, 11, 2554-2560.）。例如，基于GaSb的光检测器呈现出在1550nm光照下的高响应率为6000A/W、3.7×10⁹Jones的特定检测率和38μs的响应时间（[2] Li, D.;Lan, C.; Manikandan, A.; et al. Ultra-fast photodetectors based on high-mobility indium gallium antimonide nanowires. Nat Commun. 2019, 10, 1664.）。具有表面钝化的GaSb纳米线，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有约为400cm²V^-1s^-1的峰值孔迁移率和2.2×10¹⁸cm^-3空穴浓度，表明其在光电子学中的潜在应用（[3] Yang,Z. X.; Yip, S.; Li, D.; et al. Approaching the Hole Mobility Limit of GaSbNanowires. ACS Nano. 2015, 9, 9268-9275.）。

如今，由于高工作效率和高输入阻抗，MOSFET是集成电路中应用最广的电子器件。但是，对于基于GaSb纳米线的MOSFET，仍然存在有待解决的问题，例如较大的磁滞（ 5 V），较差的亚阈值摆幅（接近1000 mV dec^-1），较高的漏极电压（7 V）（[4] Yang, Z. X.; Liu,L.; Yip, S.; et al. Complementary Metal Oxide Semiconductor-Compatible, High-Mobility, 111-Oriented GaSb Nanowires Enabled by Vapor-Solid-Solid ChemicalVapor Deposition. ACS Nano. 2017, 11, 4237-4246.）。这个缺点严重限制了它们在具有氧化物介电层的短沟道器件中的应用，因为介电层的沉积过程会在沟道半导体中引入界面缺陷状态。此外，具有低缺陷态密度和高介电常数的高质量栅极电介质层仍然是短沟道MOSFET的挑战。必须设计器件结构以避免短沟道效应和复杂的介电工程。