[发明专利]一种基于铁电栅介质和薄层二硫化钼沟道的光电晶体管

说明书

本发明属于微纳半导体光电子器件领域，具体涉及一种基于铁电栅介质和薄层MoS₂沟道的光电晶体管及其制备方法。该器件包括源极、漏极、沟道、栅极、栅介质、金属焊盘和衬底。源极和漏极为石墨烯，沟道为薄层MoS₂，栅介质为PZT铁电薄膜。相比之前同类器件，本发明具有如下优点：1)PZT铁电薄膜大的介电常数提高了栅极对沟道载流子的调控能力；2)PZT铁电薄膜可以利用其剩余极化场强来调控沟道载流子，降低器件功耗；3)PZT铁电薄膜相比有机铁电材料P(VDF‑TrFE)，具有高剩余极化、低矫顽场强、性质稳定且与微电子工艺兼容等优点；4)石墨烯作为源极和漏极，能增强信号光透过率，提高器件光响应度和增益等性能。

技术领域

本发明属于微纳半导体光电子器件领域，具体涉及一种基于石墨烯电极、锆钛酸铅(PZT，PbZr_xTi_(1-x)O₃)铁电薄膜栅介质和薄层二硫化钼(MoS₂)沟道的光电晶体管及其制备方法。

背景技术

光电探测器是一类将光信号转变成电信号的器件，被广泛应用于传感、成像、显示和光通信等领域。光电探测器按照工作原理大致可以分为三类：光电导型、光电二极管型和光电晶体管型。光电导型光电探测器由半导体材料和两端的欧姆接触构成，具有高增益和结构简单的优点。光电二极管型光电探测器通常由p-n结、p-i-n结或肖特基结构成，具有响应时间短和探测灵敏度高等优点。光电晶体管是一类三端器件，通常结构包括金属-氧化物-半导体场效应管型、结型场效应晶体管型和金属-半导体场效应晶体管型。其中，金属-氧化物-半导体场效应管型光电晶体管是较常见的一种结构(主要结构包括源极、漏极、沟道、栅极、栅介质和衬底)，其主要原理是利用沟道材料的光电导效应来探测入射光，并且可以通过栅极施加栅压来调控沟道中载流子的输运特性。

继石墨烯发现之后，二维半导体材料，比如MoS₂，由于其独特的物理特性，也成为学术界关注的焦点之一。MoS₂体材料是禁带宽度约1.2eV的间接带隙半导体。随着其厚度的减少，其带隙逐渐变大，单层MoS₂为禁带宽度约1.85eV的直接带隙半导体。H.Zhang等人[ACS Nano6,74(2012)]最早报道的背栅结构的基于单层MoS₂光电晶体管中栅介质为SiO₂，源极和漏极为Ti/Au，其光响应度约7.5mA/W。H.Lee等人[Nano Letters 12,3695(2012)]制备了顶栅结构的薄层MoS₂光电晶体管，其中Al₂O₃作为栅介质，Au作为源极和漏极。X.Wang等人[Advanced Materials 27,6575(2015)]制备了一种利用有机铁电材料P(VDF-TrFE)作为栅介质，Cr/Au作为源极和漏极，薄层MoS₂作为沟道的光电晶体管，其最大光响应度约2570A/W。然而，有机铁电材料P(VDF-TrFE)具有如下难以克服的缺点：较慢的铁电畴反转速率，较高的矫顽场强，较差的机械和热稳定性，并且不与微电子工艺兼容。

发明内容