[发明专利]以氧化黑磷介电层为顶栅的黑磷场效应晶体管的制备方法

说明书

本发明公开了一种以氧化黑磷介电层为顶栅的黑磷场效应晶体管的制备方法，其利用微机械剥离法得到薄层黑磷，并利用氧等离子体刻蚀在薄层黑磷表面直接生成氧化黑磷层，以氧化黑磷作为介质栅，构建出黑磷场效应晶体管。根据本发明提出的氧化黑磷介电层为顶栅的黑磷晶体管，为改善栅绝缘体与黑磷半导体通道接触的不良界面带来一种新的实现方式。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种以氧化黑磷介电层为顶栅的黑磷场效应晶体管的制备方法。

背景技术

2004年，随单层石墨烯的成功分离，二维材料由此出现并引起了科学界的广泛关注。这些材料由于超短的电荷传输通道以及超薄厚度带来的易于栅极调谐及高机械柔性等特性，在逻辑器件、光电探测器、射频器件和柔性器件等领域有着广阔的应用前景。但由于栅绝缘体和二维半导体通道材料的不良界面，以二维材料作为半导体通道制作的电学器件，会呈现不同程度的电学性能退化。此外由于二维材料表面缺少悬挂键，二维材料上的非晶态氧化物生长受到阻碍。因此，在具有范德华界面的二维半导体上，实现直接生长的具有低密度悬挂键的高介电常数的原子级平坦氧化物对于电子应用具有巨大的技术意义。

黑磷（BP）与石墨烯相同，都是由单原子层堆叠而成的二维层状结构。黑磷拥有直接带隙，其可调的半导体特性和高的载流子迁移率使黑磷成为构建场效应晶体管的理想材料。此外，黑磷的“类硅”特性，使黑磷表面能形成氧化层（氧化黑磷，P_xO_y），形成的 P_xO_y 层不会影响黑磷本身的优异性能，并且可以抑制下层黑磷的进一步氧化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有二维材料须经过表面预处理才能集成高介电常数栅介质，以及栅绝缘体与通道材料的晶格不匹配行为，提供一种不需要沉积栅绝缘体，而在材料表面直接生成氧化物并以此作为介电层的方法，基于此制作的以氧化黑磷介电层为顶栅的黑磷场效应晶体管。

为了达到上述目的，本发明提供了一种以氧化黑磷介电层为顶栅的黑磷场效应晶体管的制备方法，其包括利用微机械剥离法得到的薄层黑磷，转移到已制备的电极衬底上，采用氧等离子体刻蚀在薄层黑磷表面形成氧化层作为介电层。

其利用微机械剥离法得到薄层黑磷，并利用氧等离子体刻蚀在薄层黑磷表面直接生成氧化黑磷层，以氧化黑磷作为介质栅，构建出黑磷场效应晶体管。根据本发明提出的氧化黑磷介电层为顶栅的黑磷晶体管，为改善栅绝缘体与黑磷半导体通道接触的不良界面带来一种新的实现方式。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种以氧化黑磷介电层为顶栅的黑磷场效应晶体管的制备方法，其特征在于：利用微机械剥离法得到的薄层黑磷，转移到已图案化制备的电极衬底上，采用氧等离子体刻蚀在薄层黑磷表面形成氧化层作为介质栅。

进一步地，所述氧化黑磷介质栅为致密的P_xO_y层。

进一步地，其具体包括以下步骤：

步骤S1：在 SiO₂/Si 衬底上利用电子束镀膜制作电极图案；

步骤S2：运用微机械剥离方法将块体黑磷减薄至若干黑磷层，定点转移到已图案化制备的 SiO₂/Si 衬底的金电极上；

步骤S3：利用氧等离子体刻蚀的方法，在源电极和漏电极上的黑磷纳米片表面形成一层致密的氧化层 P_xO_y；

步骤S4：利用微机械剥离法获得薄层石墨烯，转移薄层石墨烯连接栅电极和 P_xO_y介质栅，以石墨烯作为接触电极。

进一步地，所述的氧等离子体刻蚀在形成致密氧化层 P_xO_y的同时减薄黑磷晶体。