[发明专利]基于二维半导体材料的双极性晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体晶体管技术领域，具体涉及一种基于二维半导体材料的双极性晶体管的制备方法。

背景技术

随着1947年贝尔实验室发明双极性晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）以后，在随后的几十年中对于BJT的研究取得了重大突破，主要有NPN型，以及PNP型等。双极性晶体管除了能够提供信号放大，以及用来测量温度以外，其在功率控制、模拟信号处理等领域都有所应用。现在随着工艺线的提高BJT的尺寸越来越小，其性能也得到了大幅度的提高。

另一方面，自石墨烯被发现开始，二维材料开始走进人们的视线中，同时受到越来越多的关注，但由于石墨烯特殊的结构，无法被应用于半导体晶体管中，这时候类石墨烯结构的二维过渡族金属化合物（TMDCs）走进人们的眼中。过渡族金属化合物不仅有较高的迁移率，而且当其薄膜厚度减到单层，仍然保持着优异的电学特性，是作半导体器件的良好材料。

在放大状态，双极性晶体管发射区正偏，发射极多子移动到基区，当基区厚度足够薄的时候，这些多子很容易移动到集电结一端，同时因为集电结反偏，这些载流子又会移动到集电结。因此，以二维半导体材料做双极性晶体管的基区，可以极大提高双极性晶体管的电学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二维半导体材料的双极性晶体管的制备方法。

本发明可以根据需要制得不同基区厚度的双极性晶体管，根据不同材料的选择，可以实现NPN以及PNP。因为基区厚度可以做到超薄，甚至1纳米，因此可以实现高性能双极性晶体管的制备。

本发明提供的基于二维半导体材料的双极性晶体管的制备方法，具体步骤为：

（1）在衬底上转移第一层二维材料MoS₂薄膜，作为基区材料，应尽量选择较薄的MoS₂薄膜，厚度控制在1-15nm，远低于传统双极型晶体管的基区厚度（100nm-200nm）；

其中，所述衬底可为：不带有氧化层的低掺杂衬底，包括裸硅、裸锗衬底等。所述二维材料薄膜可以是通过机械剥离方法获得的二维材料薄膜，也可以是通过生长获得的大面积并可控层数的二维材料薄膜。

（2）在转移了一层二维材料薄膜的样品左右两侧各淀积绝缘层，绝缘层厚度不限，起电学绝缘作用即可。

其中，淀积的绝缘介质可采用光刻工艺，定义其图案形状。

优选为，所述绝缘层材料选自氧化铝（Al₂O₃），氧化铪（HfO₂）等；

优选为，所述绝缘层可以使用紫外光刻工艺，通过曝光、显影等手段将光刻胶曝光成所需要的图形；或者使用电子束光刻工艺（e-beam lithography, EBL）曝光形成所需图形。

优选为，所述淀积电极绝缘介质层的方法采用低温原子层淀积工艺。

优选为，对于淀积了电极绝缘介质层样品采用在丙酮中加热到55-65℃浸泡10-15分钟，然后超声10-15min，剥离掉多余的绝缘介质。

（3）在淀积绝缘层的样品上转移第二层二维材料GaTe薄膜，第二层二维材料GaTe薄膜覆盖一侧绝缘层和第一层二维材料薄膜之上，GaTe薄膜作为发射区，厚度不必选择太薄，控制在5nm以上，一般为5-20nm；

优选为，所示转移方法可以使用干法转移或者湿法转移。

（4）在转移了第二层二维材料薄膜的样品上形成一定图形的金属电极，发射极电极覆盖部分GaTe薄膜和绝缘层，不与第一层二维材料薄膜和衬底接触。具体方法包括：采用光刻工艺在样品薄膜上将光刻胶曝光成所需的电极图形；或者采用淀积金属方法沉积金属电极。

优选为，所述光刻工艺采用紫外光刻或者电子束光刻工艺。

优选为，所述淀积金属方法可以使用物理气相沉积、电子束蒸发。

优选为，所述金属为常见的Au、Cr、Ag或Pt等。

本发明效果

由于传统双极性晶体管的结构，材料以及制备方法的限制，使得其无法在放大倍数以及小型化中取得重大突破。本发明由于采用二维材料堆叠的方法，使得形成基区的时候，不用采用离子注入的方法，从而可以很好的控制基区厚度在1nm左右，使得发射区注入的载流子能够很快的移动到集电节附近，在反偏电压的作用下，移动到集电区，从而极大的增高放大倍数。

根据本发明，可以制得基于二维半导体材料的双极性晶体管。所获得的双极性晶体管具有响应快，大的增益等良好电学性能。

附图说明