[发明专利]一种基于二维半导体材料的陡亚阈器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于二维半导体材料的陡亚阈器件及其制备方法，在器件源区和沟道区之间插入由两种不同电子亲和势的纳米厚度的二维半导体材料重复堆垛形成的超晶格结构，构成能量窗口。当器件处于关态时，高于能量窗口的载流子被截断，无法进入沟道当中，可以获得超低泄漏电流。在施加栅压的过程中，势垒逐渐降低，源区位于能量窗口内的载流子可以通过窗口进入沟道，被漏端收集形成电流，可以获得小于60mV/dec的亚阈值斜率。当器件处于开态时，栅压可以调控二维半导体材料之间的能带对准方式，降低源区和超晶格之间势垒高度，相比传统的三维半导体材料构成的超晶格陡亚阈器件来讲，可以获得更高的开态电流。该器件制备工艺简单，具备大规模生产能力。

技术领域

本发明属于纳电子学技术领域，具体涉及一种基于二维半导体材料的陡亚阈器件及其制备方法。

背景技术

随着传统MOSFET特征尺寸的减小，集成度的提高，器件的工作电压和阈值电压逐渐降低。随之而来的短沟道效应更加明显，漏致势垒降低和源-漏带带隧穿会引起器件的泄漏电流和功耗增大。另外，由于MOSFET热发射的电流机制，其亚阈值斜率受热电势的限制，存在理论极限60mV/dec，且无法随着器件尺寸的减小而降低，因此导致器件的泄漏电流进一步增大，功耗问题加剧。目前，功耗问题已经是小尺寸逻辑器件设计重点关心的方面，因而超陡亚阈值斜率器件等相关研究引起了广泛关注。

作为一种超陡亚阈值斜率器件，隧穿场效应晶体管(TFET)打破传统MOSFET热发射的电流机制，利用带带隧穿机制，可以突破亚阈值斜率60mV/dec的极限。同时TFET的P-I-N结构使其具有低泄漏电流和工艺兼容性好等优点。但传统Si基TFET的隧穿势垒较高，导致隧穿几率较低，限制了TFET的广泛应用。目前研究者们提出了多种方法提升隧穿几率，改善TFET开态电流，比如采用异质结能带设计，或者应变技术等。但TFET的开态电流仍无法和MOS器件相当。于是人们提出了采用能量过滤的方法实现陡亚阈器件，主要思想是在源和沟道之间插入一层能量过滤窗口，使得高于能量窗口的载流子被截断，无法进入沟道当中，可以获得超低泄漏电流。在施加栅压的过程中，势垒逐渐降低，源区位于能量窗口内的载流子可以通过窗口进入沟道，被漏端收集形成电流，可以获得小于60mV/dec的亚阈值斜率。同时，可以获得和传统MOS相当的开态电流。在实现过程中，这样的能量过滤窗口通常采用超晶格结构实现。超晶格结构一般由具有不同禁带宽度的半导体材料薄膜重复堆垛形成，当组成超晶格的材料较薄时，势阱中的孤立能级会相互耦合，形成微带结构，在微带中载流子存在公有化运动，这就构成了能量窗口。然而对于传统的三维半导体材料，例如Si，Ge，III-V材料在形成超晶格的过程中存在诸多问题。首先超晶格结构中要求不同禁带宽度的半导体薄膜厚度较小，通常在纳米尺度，传统三维材料中通过外延生长或者溅射的方法对于厚度控制存在很大难度。同时不同半导体材料界面处的界面态，尤其是III-V材料的界面态，会带来陷阱辅助隧穿等电流，使得器件的泄漏电流退化，严重时影响器件的亚阈值斜率。二维半导体材料由于具有合适的禁带宽度，以及表面不存在悬挂键，不同的材料在形成异质结时层间是范德瓦尔斯力结合，不存在晶格失配带来的界面态等问题，在低功耗领域具有极大的应用优势。那么如何能够利用二维半导体材料实现这样的超晶格结构，从而实现陡亚阈斜率的器件，就成为一个亟待解决的问题。

发明内容