[发明专利]一种二维半导体材料负电容场效应晶体管及制备方法

说明书

本发明公开了一种二维半导体材料负电容场效应晶体管及其制备方法，采用二维合金半导体材料HfZrSe₂作为沟道材料，使之表面在空气中氧化生成HfZrO₂，再通过退火得到具有铁电性的HfZrO₂介质层，并在其上方淀积一层高k栅介质层，形成混合结构的栅介质。这样的器件结构不仅可以获得良好的栅介质和沟道二维半导体材料界面，减小界面态对亚阈特性的恶化，有利于获得超陡的亚阈斜率，同时，上层的高k栅介质能够保护下方的铁电特性的HfZrO₂介质，使其和空气隔绝，使得器件的稳定性大大提高。本发明器件制备工艺简单，可实现大规模生产。

技术领域

本发明属于纳电子学技术领域，具体涉及一种二维半导体材料的负电容场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

随着传统MOSFET特征尺寸的减小，集成度的提高，器件的工作电压和阈值电压逐渐降低。随之而来的短沟道效应更加明显，漏致势垒降低和源-漏带带隧穿会引起器件的泄漏电流和功耗增大。另外，由于MOSFET热发射的电流机制，其亚阈值斜率受热电势的限制，存在理论极限60mV/dec，且无法随着器件尺寸的减小而降低，因此导致器件的泄漏电流进一步增大，功耗问题加剧。目前，功耗问题已经是小尺寸逻辑器件设计重点关心的方面，因而超陡亚阈值斜率器件等相关研究引起了广泛关注。

作为一种超陡亚阈值斜率器件，负电容场效应晶体管(NC-FET)通过在栅介质中引入一层具有负电容效应的铁电材料，实现亚阈值斜率低于60mV/dec的极限。当在传统金属氧化物半导体的栅介质中引入铁电材料时，会产生负电容效应，带来电压放大的效果，也就是半导体器件沟道的表面势变化量大于器件栅极施加电压的变化量，大大增强了栅压对沟道表面势的控制能力，从而实现超陡亚阈斜率。同时，近年来二维半导体材料由于其原子级厚度可以实现理想栅控，成为了后摩尔时代非常有前景的一类半导体材料。同时以二硫化钼为代表的二维半导体材料具有较大的禁带宽度，可以有效抑制源漏带带隧穿电流。那么基于二维半导体材料的负电容场效应晶体管就引起了人们的极大关注。但是目前多数基于二维材料的场效应晶体管的栅介质材料仍采用原子层淀积的方式实现，得到的栅介质和二维半导体材料之间的界面态比较严重，会恶化器件的亚阈值斜率。那么如何能够更好的实现基于二维半导体材料的负电容器件，最大程度降低界面态，获得超陡的亚阈斜率，就成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于二维半导体材料的负电容场效应晶体管及其制备方法。在本发明中采用二维合金半导体材料HfZrSe₂作为沟道材料，这种材料在空气中表面能够氧化生成HfZrO₂，通过合适温度的退火，可以得到具有铁电性的HfZrO₂，为了进一步保护这层介质，增强其在空气中的稳定性，在铁电性的HfZrO₂上方淀积一层高k栅介质，形成混合结构的栅介质。这样的器件结构不仅可以获得良好的栅介质和沟道二维半导体材料界面，减小界面态对亚阈特性的恶化，有利于获得超陡的亚阈斜率，同时，上层的高k介质能够保护下方的铁电特性的HfZrO₂介质，使其和空气隔绝，使得器件的稳定性大大提高。最后该器件制备工艺简单，可实现大规模生产。

具体的，本发明的技术方案如下：

一种基于二维半导体材料的负电容场效应晶体管，包括绝缘衬底，在绝缘衬底上为作为沟道的二维合金半导体材料HfZrSe₂层，HfZrSe₂层表面为具有铁电特性的HfZrO₂介质层，该具有铁电特性的HfZrO₂介质层的厚度在10nm以下；源、漏电极位于所述HfZrO₂介质层上，在源、漏电极之间为高k栅介质层，控制栅电极位于高k栅介质层上。

上述基于二维半导体材料的负电容场效应晶体管中，所述绝缘衬底具有绝缘层，绝缘层材料可选自SiO₂、高k绝缘介质等传统绝缘体，或者BN等其他二维材料绝缘体。