[发明专利]一种利用热蒸发铝种子层制备顶栅型场效应管的方法

说明书

本发明公开了一种利用热蒸发铝种子层制备顶栅型场效应管的方法，其先热蒸发超薄金属至二维材料表面，然后使二维材料表面干燥，并在干燥箱中自然氧化为种子层，再利用原子层沉积法在二维材料表面生长高介电常数栅介质。所述高介电常数栅介质为Alsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;栅介质或HfOsubgt;2/subgt;栅介质。本发明不仅实现了在石墨烯上高质量致密Alsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;电介质层的生长，而且二维材料中不会存在明显的缺陷。

技术领域

本发明涉及顶栅型场效应管，特别是一种利用热蒸发铝种子层制备顶栅型场效应管的方法。

背景技术

自从石墨烯在2004年被发现以来，二维材料就引起了科学界的广泛关注。这些材料在逻辑器件、光电探测器、柔性触摸屏、射频器件等方面有着广泛的应用前景。但目前为止，大部分新奇的物理现象及独特的二维材料特性都是都基于背栅结构发现的。这是因为这些范德瓦尔斯力结合的层状二维材料表面缺少本征的悬挂键，高介电常数栅介质，例如氧化铝（Al₂O₃），氧化铪（HfO₂）难以集成在这些二维材料表面，从而难以制备出顶栅二维材料场效应晶体管（Field effect transistor, FET）。但是为了将二维材料应用在实际的薄膜晶体管电路中，基于顶栅结构的二维材料器件是非常有必要的。首先，背栅场效应晶体管（Field effect transistor, FET）与集成电路技术（Complementary metal oxidesemiconductor, CMOS）不兼容，因为它不能如同顶栅场效应晶体管一样单独调节每个器件的电学特性。第二，为了降低工作电压并进一步减小器件尺寸，栅极栅介质需要更薄并且具有更高的介电常数。第三，对于低功率器件而言，利用顶栅的栅极耦合效应，可以有效抑制石墨烯通道中的库仑散射，从而提高载流子迁移率和最大饱和电流。

作为目前最成熟的工业化栅介质制备技术——原子层沉积工艺（Atomic layerdeposition, ALD），因其精确的厚度控制，出色的样品表面平整度以及较低的生长温度，是CMOS工艺中制备栅介质的标准方法。但是，对于大多数传统的二维材料而言，例如石墨烯和过渡金属硫族化合物，却难以通过这种标准的工艺进行栅介质生长。为了解决二维材料表面缺少本征悬挂键的难题，将栅介质均匀地生长在二维材料表面，前人采取了各种预处理方法用以在二维材料表面形成悬挂键。例如，利用紫外臭氧对样品表面进行氧化，等离子体轰击样品表面，在样品表面旋涂有机聚合物或者热蒸发超薄金属膜作为种子层等等方法。但是这些方法不仅增加了技术复杂性，而且还会损伤二维材料的晶格完整性并减少器件的整体栅极电容。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有二维材料（例如石墨烯以及过渡金属硫化物等）在集成高介电常数栅介质前采用化学方法进行表面预处理会导致晶格缺陷的不足，提供一种表面预处理不会造成二维材料明显结构损伤或缺陷的利用热蒸发铝种子层制备顶栅型场效应管的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用热蒸发铝种子层制备顶栅型场效应管的方法，先热蒸发超薄金属介质至二维材料表面，然后使二维材料表面干燥，并在干燥箱中自然氧化为种子层，再利用原子层沉积法在二维材料表面生长高介电常数栅介质。

本发明在ALD生长高介电常数栅介质之前进行的表面预处理方法为：先热蒸发超薄金属介质至二维材料表面，然后将其放入干燥箱，使其自然氧化为种子层，随后通过标准微纳制造工艺制备出顶栅二维材料FET。该表面预处理方法具有三个优点：（1）利用热蒸发超薄金属介质作为种子层，可以在二维材料表面提供成核位置，从而有效地化学吸附ALD工艺中的前驱体。（2）热蒸发超薄金属在二维材料表面，属于物理过程。因此，与其他化学方法（例如紫外线臭氧或等离子预处理）相比，二维材料中不会出现明显的结构损伤或缺陷。（3）在热蒸发超薄金属介质后，该超薄金属层将迅速氧化形成无定形Al₂O₃或氧化铪（HfO₂），因此不会像聚合物涂层预处理那样显著降低顶栅栅极电容。