[发明专利]场效应晶体管以及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术以及半导体制造领域，具体而言，本发明涉及场效应晶体管以 及制备方法。

背景技术

石墨烯由于具有高电子迁移率、高导热的性能以及独特的电子结构，被广泛应用于各 类半导体器件中。在场效应晶体管中，在沟道区使用石墨烯材料能够利用其较高的电子迁 移率，提高场效应晶体管的性能。

然而，目前基于石墨烯的场效应晶体管以及制备方法仍有待改进。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

目前基于石墨烯的场效应晶体管，普遍存在器件开关比(on/offratio)不理想，器件性 能不稳定或难以大规模生产等问题。发明人经过深入研究发现，这是由于石墨烯虽然具有 较为优异的电学性能，然而由于石墨烯的禁带宽度为0，因此在将石墨烯用于场效应晶体 管的沟道区材料时，需要对石墨烯进行掺杂，或引入其他材料与来调节沟道区材料的禁带 宽度。然而，利用掺杂来调节石墨烯的禁带宽度，难以保证能够准确调控掺杂后的石墨烯 的电子能级，因此难以扩大生产规模；通过引入其他材料制备复合结构，极易在制备复合 结构的过程中引入缺陷而破坏石墨烯的结构，从而对器件的性能造成影响。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个 目的在于提出一种场效应晶体管，该场效应晶体管利用层状材料与单层石墨烯构成异质结， 实现对石墨烯禁带宽度的调节；且该场效应晶体管具有埋栅结构，能够有效避免栅极形成 过程中对异质结中的石墨烯结构造成破坏。该场效应晶体管具有较大的开关比，且制备简 便，成本低廉，能够实现沟道材料禁带宽度的准确调节，有利于实现大规模生产。

在本发明的一个方面，本发明提出了场效应晶体管。根据本发明的实施例，该场效应 晶体管包括：衬底；栅极，所述栅极嵌在所述衬底中；异质结，所述异质结设置在所述衬 底的上表面，所述异质结包括单层石墨烯以及层状材料；源极，所述源极设置在所述异质 结的上表面；以及漏极，所述漏极设置在所述异质结的上表面。利用单层石墨烯以及层状 材料形成异质结以调节石墨烯的禁带宽度，从而可以提高该场效应晶体管的开关比；嵌在 衬底中的栅极结构有利于保护单层石墨烯结构不在制备栅极的过程中被破坏，也有利于制 备出高深宽比的栅结构，降低栅电阻，从而可以提高该场效应晶体管的性能。

根据本发明的实施例，所述层状材料是二硫化钼、二硫化铼、二硒化钨、二硒化钼、 二硒化铼、二硫化钨以及六方氮化硼的至少之一形成的。上述材料均为二维材料，具有二 维层状结构，且层数不同时，材料具有不同的禁带宽度。上述材料均可以通过对合成条件、 转移、处理方法以及条件的控制，精确控制获得的层状材料的层数，从而可以精确调控利 用上述材料与单层石墨烯构成的异质结的禁带宽度。并且，可以通过调节层状材料与单层 石墨烯晶格之间的角度来对能带进行调整。

根据本发明的实施例，所述层状材料为单层、双层或者三层结构。由此，可以将利用 上述材料与单层石墨烯构成的异质结的禁带宽度调节至适当的范围，以调高场效应晶体管 的器件开关比。

根据本发明的实施例，所述栅极包括：第一条状电极，所述第一条状电极嵌在所述衬 底中，并且与所述衬底的上表面平行；第二条状电极，所述第二条状电极嵌在所述衬底中， 并且与所述第一条状电极平行设置并且位于相同的横截面中；以及介质层，所述介质层至 少覆盖所述第一条状电极和所述第二条状电极的上表面，所述介质层是由高k介质构成的， 所述高k介质包括选自Al₂O₃、HfO₂以及TiO₂的至少之一。具有上述结构的栅极，能够提 高栅极对场效应晶体管器件性能的调控能力，从而可以提高该场效应晶体管的性能。

根据本发明的实施例，该场效应晶体管进一步包括：金属块，所述金属块分别与所述 第一条状电极和所述第二条状电极电连接。由此，可以简便地利用该金属块实现栅极与外 界电源的电连接。

根据本发明的实施例，所述介质层的下表面覆盖在所述第一条状电极和所述第二条状 电极的上表面，并且所述介质层的上表面与所述层状材料接触。由此，可以降低栅极漏电， 从而可以进一步提高该场效应晶体管的性能。