[发明专利]一种新型薄层二硫化钼场效应晶体管

说明书

本发明属于半导体电子器件领域，具体涉及一种基于薄层二硫化钼(MoS₂)导电沟道的新型场效应晶体管。该场效应晶体管包括源极、漏极、栅极、栅介质、导电沟道和金属焊盘。源极和漏极为石墨烯，栅极为重掺杂硅衬底，栅介质为AlN薄膜，导电沟道为薄层MoS₂。相比之前的同类器件，本发明具有如下优点：相比传统的SiO₂薄膜栅介质，AlN薄膜具有更大的介电常数和热导率，不仅能显著提高场效应晶体管栅极对导电沟道中载流子输运的调控能力，并且能将导电沟道中产生的热量快速耗散，抑制场效应晶体管的自热效应。相比金属材料，石墨烯作为源极和漏极能有效减小源极和漏极与薄层MoS₂之间的接触电阻。

技术领域

本发明属于半导体电子器件领域，具体涉及一种新型薄层二硫化钼(MoS₂)场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

场效应晶体管(FET)是构建现在集成电路的重要基石。最常见的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)主要由源极、漏极、导电沟道、栅极和栅介质等部分构成，通过栅极电压来调控源极和漏极间沟道电流的大小从而实现逻辑操作。在摩尔定律驱动下，通过缩小器件尺寸来提高集成电路晶体管密度成为过去几十年来行之有效的方法。然而，在当前器件特征尺寸迫近5nm的背景下，摩尔定律的延续面临一些重大技术挑战，如FET的短沟道效应、能耗与散热以及栅介质漏电等问题。其中，散热问题是当前限制FET集成度进一步提高的主要原因之一。FET在大电流情况下会产生显著的自热效应。自热效应增大了器件功耗，且热量聚集引起的温度升高会对器件性能和可靠性带来诸多不利影响。

薄层二硫化钼(MoS₂)是一种新兴的二维纳米材料。采用薄层MoS₂作为FET导电沟道具有如下优点：①相比零带隙的石墨烯，大的禁带宽度(单层约1.85eV，体材料约1.2eV) 使得薄层MoS₂FET呈现出大的电流开关比；②相比硅，薄层MoS₂具有更大的电子有效质量和禁带宽度，更低的面内介电常数，使得在亚5nm尺度薄层MoS₂FET更不易受短沟道效应影响；③MoS₂层间由范德华力结合，可实现原子级均匀的厚度控制，可减薄到单层。A.Kis 等人[Nature Nanotechnology 6,147(2011)]报道了基于SiO₂和HfO₂薄膜栅介质，Au源极和漏极的薄层MoS₂FET，电流开关比约10⁸，亚阈值摆幅为74mV/dec。W.Bao等人[Applied PhysicsLetters 102,042104(2013)]报道了基于SiO₂和PMMA薄膜栅介质，Ti/Al源极和漏极的薄层MoS₂FET，并对其电输运特性进行了表征。随着薄层MoS₂FET特征尺寸的减小及其在SiO₂、HfO₂以及柔性低导热衬底上的应用，自热效应对器件电学性能的影响愈发明显。Y.Wu和L.Liao等人[Advanced Materials 27,1547(2015)；Advanced Materials 28,8302(2016)]实验证实了自热效应导致基于SiO₂薄膜栅介质的薄层MoS₂FET出现负阻现象。E.Pop等人[NanoLetters 17,3429(2017)]发现基于SiO₂栅介质的薄层MoS₂FET在大电流下工作数分钟后易由于自热效应引起的温度升高导致器件失效。因此，如何减弱自热效应对薄层MoS₂FET性能的影响是当前亟需解决的问题。

发明内容