[发明专利]一种非对称峰值掺杂结合梯度掺杂的黑磷场效应管

说明书

本发明公开了一种非对称峰值掺杂结合梯度掺杂的黑磷场效应管，包括与黑磷原子层平行的源极、漏极以及沟道，所述沟道从源极至漏极依次包括第一N型重掺杂区、第一梯度掺杂结构、峰值掺杂结构、本征黑磷、第二梯度掺杂结构和第二N型重掺杂区。本发明对黑磷场效应管的沟道进行峰值对称梯度掺杂，具有更大的阈值电压、更低的关态电流、更好的开关特性、更好的高频特性，表明该器件能更好的抑制漏致势垒降低效应，更低的亚阈区栅压摆幅，说明该器件拥有更优的栅控能力，能更好的抑制短沟道效应，梯度掺杂结构的引入，使得器件抑制热载流子效应的能力也增强。在较低的工作电压下，能够获得较大的驱动电流，并有望在数字电路中获得应用。

技术领域

本发明涉及一种非对称峰值掺杂结合梯度掺杂的黑磷场效应管，属于黑磷纳米场效应管领域。

背景技术

随着纳米技术的发展，纳米电子器件引起了广泛的关注，二维纳米电子器件的电子输运性质也得到了广泛的研究。当今信息时代，集成电路(Integrate Circuit)起着举足轻重的作用，它是电子信息技术发展的核心和基础。集成电路的快速发展和现代通信、计算机、因特网和多媒体技术的发展相互带动，极大地影响着现代生活的方方面面。因此IC产业的发展水平已经成为衡量一个国家综合国力的重要标志。自石墨烯被发现以来，具有原子层厚度的二维层状材料因其独特的维度特性而成为前沿研究热点。国际半导体技术蓝图(ITRS)指出2028年将是硅材料的末日，而二维材料有望成为最具潜力的硅的替代材料。二维材料的研究从石墨烯逐步向过渡金属硫化物、四族硅锗锡、三族硼和五族磷砷锑拓展。二维材料家族不断壮大，例如近年来迅猛发展的二维黑磷因其合适的可控直接带隙、高的载流子迁移率、高的电流调制率、相对合适的开关电流比、良好的热导率和电导率、较好的各向异性和宽频快响应能力而备受关注。2015年5月陈仙辉教授研究组与张远波教授课题在首次制备出二维黑磷场效应晶体管的基础上，通过提高黑磷晶体质量以及用薄层六方氮化硼(h-BN)作衬底，薄层黑磷场效应晶体管在低温下电场诱导的空穴载流子和电子载流子的霍耳迁移率已分别达到2000cm²/(v·s)和900cm²/(v·s)，而空穴的场效应迁移率在低温下则高达3900cm²/(v·s)；迁移率显著提升之后，强磁场下电阻的量子振荡现象首次在黑磷中被成功观测到；理论计算则表明黑磷场效应管当中的导电通道局限在距离黑磷和衬底的界面2nm以内的狭窄量子阱当中，且绝大部分载流子的空间分布集中在距离界面两个原子层之内。实验与理论结果一致表明在薄层黑磷和h-BN衬底的界面附近存在由外加电场诱导产生的二维高迁移率电子气，其最佳迁移率已经达到在电子学领域中可以应用的水平。这标志着薄层黑磷已经成为又一种能够用于制备高迁移率电子元件，并拥有广泛应用前景的二维材料。2016年9月复旦大学张远波教授课题组与美国加州大学伯克利分校王枫教授课题组、中国科学技术大学陈仙辉教授课题组等课题组合作完成的关于少层黑磷能带结构演变的文章发表于《Nature Nanotechnology》。研究人员用光学手段研究了磷烯能带结构随层数的变化，首先通过测量磷烯的光学吸收谱首次确定了单层、双层及三层黑磷的带隙，发现与硅的带隙和远程通讯光子能量相匹配；其次发现其发光峰能量与吸收谱中的吸收边能量高度重合，从实验上首次证明了黑磷的直接带隙特性，且其直接带隙特征不随层数发生变化；最后在两层及多层的黑磷中，吸收光谱中高于带隙能量的位置发现了新的共振峰，从而揭示了黑磷能带结构随层数变化的过程，并由此得出了黑磷层间相互作用的强度信息。该项实验结果揭示了磷烯随层数可调的带隙能量填补了其他二维材料的空白，覆盖了重要的光谱波段，而磷烯的直接带隙特性极大地提高了其光吸收效率，结合它本身的高载流子迁移率，使得黑磷在通讯及能源方面具有重要的潜在应用价值。

发明内容

发明目的：本发明提出一种非对称峰值掺杂结合梯度掺杂的黑磷场效应管，有效抑制漏致势垒降低效应。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种非对称峰值掺杂结合梯度掺杂的黑磷场效应管，包括与黑磷原子层平行的源极、漏极以及沟道，所述沟道从源极至漏极依次包括第一N型重掺杂区、第一梯度掺杂结构、峰值掺杂结构、本征黑磷、第二梯度掺杂结构和第二N型重掺杂区。