[发明专利]基于二维碲化镓材料场效应管的真空退火方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于二维碲化镓(GaTe)材料器件的退火方法，特别涉及一种基于二维碲化镓材料场效应管的真空退火方法。

背景技术

文献1“Liu F,Shimotani H,Shang H,et al.High-sensitivity photodetectors based on multilayer GaTe flakes[J].ACS Nano,2014,8(1):752-760.”公开了一种基于微机械剥离法制备的二维GaTe材料构筑场效应管的方法，该方法基于块体GaTe材料，采用思高胶带制备二维GaTe材料，将其转移至SiO₂/Si衬底表面后，再采用光刻和热蒸镀方法进行电极制备。该文献中报道的空气中器件迁移率为0.2cm²V^-1s^-1。

该文献虽然成功制备了基于二维GaTe材料的场效应管，但其器件迁移率较低，尚不能满足高迁移率二维GaTe场效应管的制备要求。

发明内容

为了克服现有方法制备的基于二维GaTe材料场效应管的迁移率低的不足，本发明提供一种基于二维碲化镓材料场效应管的真空退火方法。该方法在现有二维GaTe场效应管构筑工艺的基础上，在器件构筑结束后，补充引入高真空退火过程(10^-5Pa，150℃-200℃)，去除沟道材料表面以及沟道材料与金属电极之间吸附的气体分子，降低表面吸附分子的散射作用，促进沟道材料与电极之间的有效接触，可以提高器件的迁移率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于二维碲化镓材料场效应管的真空退火方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、采用传统的光刻-金属化-剥离工艺，在洁净的10mm×10mm 300nm SiO₂/Si衬底表面制备场效应管的栅极、源极及漏极，其中栅极、源极及漏极的材料为5nm Ti/30nm Au，沟道宽度为2μm-10μm。

步骤二、选取表面光滑无褶皱的GaTe材料，并沿自然解理面将GaTe材料分离为多块。

步骤三、使用思高胶带从GaTe块体材料表面撕离一块厚度为6-8μm的GaTe薄片。

步骤四、将带有GaTe薄片的思高胶带多次粘合分离，直至胶带表面不再光亮，成功附着密集的数百纳米厚度的GaTe片层。为了保护GaTe材料平整的表面，剥离时应使GaTe表面与思高胶带表面充分接触。思高胶带分离时，需要单方向缓慢进行。

步骤五、将带有GaTe片层的思高胶带贴合在厚度为0.5±0.03mm的PDMS薄膜表面，并用棉签均匀按压思高胶带表面使思高胶带与PDMS充分贴合。再迅速将思高胶带与PDMS分离。

步骤六、使用金相显微镜观察PDMS表面，选取厚度均匀的二维GaTe材料进行拍照，并记下二维GaTe材料在PDMS表面的位置。

步骤七、将标记的二维GaTe材料通过对准-转移平台搭接到300nm SiO₂/Si表面的源极与漏极之间。

步骤八、将构筑完毕的二维GaTe场效应管放到内径为15±1mm的石英坩埚中，并使用真空泵机组将石英坩埚内抽真空至10^-5Pa量级，并用氢氧焰将石英坩埚口烤实密封。

步骤九、将密封后的石英坩埚置于150℃-200℃恒温退火炉中保温100-140分钟，然后在空气中进行冷却，完成退火过程。

本发明的有益效果是：该方法在现有二维GaTe场效应管构筑工艺的基础上，引入高真空退火过程(10^-5Pa，150℃-200℃)。由于在高真空环境下气体分子浓度极低，促使吸附在沟道材料表面以及沟道材料与金属电极界面处的氧气分子、水分子向环境中扩散，有效阻止了化学吸附导致的沟道材料本征物性的退化以及表面吸附分子对载流子的散射，能够有效地提高二维GaTe场效应管的迁移率，而保温阶段加速了这一过程的进行；另一方面退火环境温度较高，促进了金属电极中的金属原子与二维GaTe材料之间的互扩散，使金属电极与二维GaTe材料边缘形成更有效的接触，能够显著降低材料与金属电极之间的接触势垒。经测试，本发明制备的基于二维GaTe材料场效应管的迁移率由背景技术的0.2cm²V^-1s^-1提高至3.4-4.5cm²V^-1s^-1，成功率为60％-90％。