[发明专利]结型场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种结型场效应晶体管及其制备方法。所述的结型场效应晶体管包括衬底、N型二硫化钨薄膜、P型InGeTe₃薄膜、源电极、漏电极和顶栅电极，N型二硫化钨薄膜设于衬底的表面，源电极与漏电极设于N型二硫化钨薄膜表面的两端，P型InGeTe₃薄膜设于N型二硫化钨薄膜表面且位于源电极与漏电极之间，顶栅电极设于P型InGeTe₃薄膜的表面且位于源电极与漏电极之间。本发明将WS₂和InGeTe₃应用于JFET中，通过调控P型InGeTe₃薄膜的电压来实现N型二硫化钨薄膜中耗尽区的宽度，实现沟道电导的调节，确保抑制界面缺陷的产生，减少界面态对载流子输运的影响，并借助JFET没有复杂介电工程的优势，降低器件的亚阈值摆幅，提高开关比和电流密度。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种结型场效应晶体管及其制备方法，尤其涉及一种基于InGeTe₃和二硫化钨的结型场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

以WS₂和MoS₂为代表的二维过渡金属硫化物(TMDCs)由于具有原子级的厚度、可调节的带隙、无表面悬挂键，优越的机械性能，被认为是极具潜力的半导体材料，在光电、微电子、可穿戴柔性器件、军事信息等领域有广阔的应用前景。而InGeTe₃作为一种新型的、具有层状结构的三元材料由于其优异的物理化学性质，成为低维材料研究领域的一颗新星。在理论预测上，InGeTe₃材料从块体到单层均是直接半导体，且单层InGeTe₃直接带隙约为1.41eV，可见光吸收强，具有很高的电子载流子迁移率，可达3×10³cm²V^-1s^-1，在太阳能电池、光电探测器、场效应晶体管等应用领域具有广阔的前景(J.Mater.Chem.A,2017,5(36):19406-19415)。

近年来，随着硅基半导体工艺不断推进，晶体管尺寸已经接近物理极限，半导体器件面对着短沟道效应、漏栅极漏电流增大、功耗增大的挑战。金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)由于具有高阻抗、高工作效率、热稳定性好等的优势，被广泛应用于电子领域中。但是实际上，MOSFET氧化物电介质的质量严重限制了其电学性能和稳定性。相反，结场效应晶体管(JFET)通过改变具有反向偏置的p-n结的半导体沟道中的耗尽区来工作，因此不存在电介质或涉及相关的问题。同时，JFET具有器件尺寸小、低频噪声小和输入阻抗高等优点，在集成电路、光电探测器等领域具有广阔的应用前景。而在JFET中，由于栅极到沟道的电容远大于源极到沟道的电容，在没有复杂介电工程的情况下，JFET的亚阈值摆幅(SS)可以接近于60mV dec^-1的理想值，这也使得JFET在低功耗器件应用上的表现优于MOSFET。

目前已有文献报道将二维材料异质结制成JFET，应用于光电和低功耗器件的领域(Adv.Mater.,2019,1902962；ACS Appl.Mater.Interfaces,2018,10,29724-29729；NanoLett.,2016,16,1293-1298)。延世大学的Pyo Jin Jeon利用黑磷(BP)与ZnO材料构建异质结，制备得到的JFET虽然实现了逻辑电路的逆变器功能，但其开关电流比只有约10⁴，亚阈值摆幅平均大于300mV/dec，且稳定性一般(Nano Lett.,2016,16,1293-1298)。而同样在韩国延世大学的June Yeong Lim课题组等人，基于两种TMDCs材料(MoTe₂和MoS₂)构建JFET，虽然得到的器件迁移率较高，且亚阈值摆幅降低至204mV/dec，但是器件表现出来的最大开关电流比也仅有5×10⁴(NPJ 2D Mater.and Appl.,2018,2,37)。在现有的这些工作中，研究人员都是将一些较为传统的TMDC材料与金属氧化物半导体材料制成异质结，进一步构建JFET器件，缺少了在材料选择上的探索创新，且器件的性能表现一般。