[发明专利]一种基于二维平面异质结增强型场效应管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子器件应用领域，特别是一种可用于数字逻辑电路的高开关比、低功耗的增强型场效应管的制备方法。

技术背景

2004年石墨烯的成功制备，证明了二维材料可以在自然界中稳定存在，也开启了二维纳米材料的研究热潮。对于二维材料，单层石墨烯具有单原子层的厚度，电子被限制在二维尺度范围内，使其电子特性增强。因此，单层石墨烯在室温状态下就具有高的载流子迁移率，达到2.5×10⁵cn²V^-1s^-1。虽然单层石墨烯具有独特的电学性能和优异的稳定性，在未来微电子领域有优越地应用潜力，但是石墨烯材料在费米能级附近，能带具有线性色散关系而发生克莱因隧穿，导致材料制备的器件具有很低的开关比。尽管通过掺杂等方式可以使石墨烯具有一定大小的带隙，但是由于杂质散射或者缺陷作用对载流子迁移率影响很大；同时作为逻辑器件沟道材料使用过程中不能够很好的控制器件的关断，会出现漏电等情况。而通过这种平面异质结来制备场效应晶体管，不仅可以很好地控制器件的开关状态，而且还具有很高的开关比，使该异质结构材料制备的器件具有低功耗；同时，该器件在光电探测方面也具有低暗电流等特性。因此，这种平面异质结构制备的器件在未来的逻辑电路及光电探测器方面可以被广泛地应用。

发明内容

本发明提供一种基于二维平面异质结增强型场效应管的制备方法。该二维平面异质结实现不同二维材料之间线接触，改变传统范德华力面接触，可获得开关比高达10⁶、低暗电流及低功耗等特性的增强型场效应管。并且基于刻蚀的石墨烯材料边界处有较多的悬挂键及缺陷，为其它二维材料的生长提供形核位点，可实现不同材料的二维平面异质结增强型场效应管批量化制备。

本发明的技术方案：一种基于二维平面异质结增强型场效应管的制备方法，其特征在于，按下述步骤进行：

①采用湿法转移，将CVD法制备生长于铜箔上的石墨烯膜转移至带有氧化层的单晶硅片衬底；

②在转移后的石墨烯膜上进行均匀旋涂光刻胶，再将掩膜版上的图案通过曝光转移至光刻胶上；

③采用等离子体刻蚀机刻蚀掉非图案部分，将石墨烯膜刻蚀成一定形状和间距的石墨烯条或块，石墨烯条或块的长、宽值在2～60μm之间，石墨烯条或块之间的距离为5～30μm，然后进行去光刻胶处理；

④将这种带有石墨烯条或块的衬底作为生长的基底，以CVD法在相邻的两石墨烯条或块之间进行生长MX₂类(MoS₂、WS₂等过渡族硫化物)单层或者少层材料，与石墨烯条或块之间形成石墨烯-MX₂-石墨烯面内异质结层；

⑤在石墨烯-MX₂-石墨烯面内异质结层上均匀旋涂光刻胶，再将掩膜版上的图案通过曝光转移至光刻胶上，并采用电子束蒸镀在石墨烯-MX₂-石墨烯面内异质结层两边的石墨烯上沉积Ti/Au金属得到Ti/Au电极，制得二维平面异质结增强型场效应管。

其中，优选地，步骤①中的湿法移过程中腐蚀铜箔采用腐蚀液为过硫酸铵((NH4)₂S₂O₈)溶液，溶液浓度为0.3mol/L～0.8mol/L。

其中，优选地，步骤①中衬底采用的是带二氧化硅氧化层的硅片，氧化层的厚度在290～300nm，衬底为厚度400μm的P型高掺杂硅片。

其中，优选地，所述步骤②中对转移后的石墨烯膜进行旋涂光刻胶，匀胶机低速挡转速选择350～450r/min，高速挡转速30000～3500r/min。

其中，优选地，所述步骤③中采用等离子体刻蚀机刻蚀，刻蚀采用的气体为O₂，气流量的大小为30～50sccm，刻蚀时间为7～10min。

其中，优选地，所述步骤③刻蚀的石墨烯为条或块状，石墨烯条或块的长、宽数值在10～50μm之间，条块之间的距离为5～20μm。

其中，优选地，所述步骤④中以CVD法生长MX₂类二维材料，选用常压条件下可生长的MoS₂、WS₂等材料。

前述的基于二维平面异质结增强型场效应管的制备方法中，其中，优选地，所述石墨烯-MX₂-石墨烯异面内质结中的石墨烯原材料为转移CVD法生长于铜箔表面的膜状石墨烯。