[发明专利]基于黑磷的具有高开关比低亚阀值摆幅的场效应晶体管

说明书

本发明提供基于黑磷的具有高开关比低亚阀值摆幅的场效应晶体管，其特征在于：包括设置在最底层的硅衬底，所述硅衬底的顶端设有热氧化的二氧化硅，所述热氧化的二氧化硅的顶端设有薄层黑磷，所述薄层黑磷的左右两侧分别设有漏电极和源电极，所述薄层黑磷利用浸泡在刻蚀溶液中的方法制备，刻蚀温度为室温20‑25℃，所述刻蚀溶液为(1‑50)：(1‑50)的2,2,6,6‑四甲基哌啶氧化物和三苯基四氟硼酸碳的二氯甲烷溶液，刻蚀浸泡时间为5min‑7h。本发明的有益效果是得到的黑磷场效应晶体管具有很高的开关比，很低的亚阈值摆幅。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其是涉及一种基于黑磷的具有高开关比低亚阀值摆幅的场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

经过几十年的快速发展，场效应晶体管的尺寸得到很大程度的减小，极大的提高了计算器的计算速度、功能，同时降低了微处理器的生产成本。然而受到量子效应的影响，其栅极长度的缩减已经逼近物理极限。所以进一步缩小晶体管的长度将面临更大挑战。急需一种新方法、新材料和新的工艺来克服目前纳米尺寸CMOS技术所遇瓶颈，进一步提升性能。

近年来,具有层状结构的黑磷烯,以其比过渡金属硫化物更低有效质量，并且其有效质量是高度各向异性的，受到极大的关注。并且禁带宽度会碎厚度的增加从0.3eV增加到2.0eV。但是单层黑磷不易获得，研究表明5nm左右厚度的黑磷具有很高的空穴迁移率。但是由于在SiO₂/Si衬底上制作的黑磷器件，由于磷原子与衬底氧的作用形成P-O键，导致其亚阈值摆幅较高11(1.5-17.2V/decade)。

发明内容

为了克服以上制备薄层黑磷器件的弊端，本发明的目的在于：提供一种采用操作简单，快速的方法来制备薄层黑磷，并通过涂胶，电子束刻蚀(EBL)，沉积金属电极，制作出高开关比，低亚阈值摆幅，高电学性能的晶体管。

本发明的技术方案是：

基于黑磷的具有高开关比低亚阀值摆幅的场效应晶体管，包括设置在最底层的硅衬底，所述硅衬底的顶端设有热氧化的二氧化硅，所述热氧化的二氧化硅的顶端设有薄层黑磷，所述薄层黑磷的左右两侧分别设有漏电极和源电极，所述薄层黑磷利用浸泡在刻蚀溶液中的方法制备，刻蚀温度为室温20-25℃，所述刻蚀溶液为(1-50)：(1-50)的2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物和三苯基四氟硼酸碳的二氯甲烷溶液，刻蚀浸泡时间为5min-7h。

优选的，所述漏电极为Cr/Pd，所述源电极为Cr/Pd。

优选的，所述薄层黑磷的厚度随刻蚀浸泡时间的延长变小，优选为4nm。

优选的，所述基于黑磷的具有高开关比低亚阀值摆幅的场效应晶体管的开关比为10⁶，亚阈值摆幅为450mV/decade，源漏电压差V_ds在-40mV～40mV范围内，源漏电流随源漏电压成线性变化，且高度对称。

优选的，所述刻蚀溶液为等摩尔比的2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物和三苯基四氟硼酸碳的二氯甲烷溶液。

一种制备基于黑磷的具有高开关比低亚阀值摆幅的场效应晶体管的方法：

(1)片状黑磷转移到SiO₂/Si衬底上；

(2)将步骤(1)中所得的样品浸入刻蚀溶液中，于室温20-25℃条件下进行湿法刻蚀，所述刻蚀溶液为摩尔比为(1-50)：(1-50)的2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物和三苯基四氟硼酸碳的二氯甲烷溶液。

(3)将上述处理过的样品放在匀胶机上，旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，经电子束光刻得到场效应晶体管图案，接着用电子束蒸镀沉积Cr/Pd(5nm/50nm)电极，最后用丙酮洗掉PMMA，制作成黑磷场效应晶体管。

优选的，所述刻蚀溶液中的2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物和三苯基四氟硼酸碳的摩尔比为1:1。