[发明专利]一种石墨烯为源漏电极的二维薄膜晶体管及制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯为源漏电极的二维薄膜晶体管及制备方法，所述二维晶体管属于底栅顶接触型晶体管。其制备方法首先使用机械剥离法用英格兰蓝色胶带从二维材料块材上剥离薄膜到Gelpak机械剥离专用PF凝胶膜，选择合适厚度且表面均匀的材料转移到硅/二氧化硅衬底上作为N型半导体沟道层。再剥离两块石墨烯薄膜分别转移到半导体层两端作为源、漏电极，最后利用掩模版通过热蒸发法蒸镀金电极，由此制备得到所述二维薄膜晶体管。本发明区别于其他二维器件制备工艺，无需复杂昂贵的电子束光刻，所用材料安全环保，成本低廉，不仅得到了以二维材料为源漏电极和沟道的微电子器件，而且从迁移率、开关比等方面优化了现有的二维晶体管。

技术领域

本发明涉及二维薄膜晶体管制备技术领域，具体地说，是采用二维材料石墨烯作为晶体管的源漏电极，从而优化传统的二维薄膜晶体管。

背景技术

近年来，以二硫化物、石墨烯和黑磷(BP)等为代表的二维层状半导体材料由于具有优异的电学性能受到了广泛关注。科研人员已经研制出基于二维半导体的高性能电子器件，但其实际应用却受到半导体材料自发氧化的严重影响。例如，少层黑磷在室温下具有高的p型载流子迁移率(1000cm²V^-1S^-1)，由于在空气中不稳定，限制了其在电子器件和电路方面的应用。为了解决器件稳定性问题，研究人员已研发出多种方案对沟道材料进行保护以避免自发氧化，包括剥离后的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂层、原子层沉积(ALD)生长的Al₂O₃涂层、h-BN封装，以及选择使用隔离水氧的手套箱进行材料制备等。当然由于其不稳定问题，导致二维晶体管中半导体层与金属电极之间的接触问题也尤为重要，严重影响了二维器件的进一步发展。

另一方面，HfS₂具有独特的结构且带隙可由层数调控，是一种具有超高电学性能的二维材料，有望在电子/光电子器件领域实现应用，尽管二硫化铪具有许多吸引人的电学和光电特性，但是二硫化铪的水氧性很差，在空气中暴露数小时后，二硫化铪薄膜会由于吸附水分和氧而严重的自发氧化，从而致使器件的电学性能出现严重退化。并且由于二维材料与金属电极之间存在接触问题，严重影响到二维薄膜晶体管的电学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种以石墨烯为源/漏电极的N型二维薄膜晶体管及其制备方法。其制备方法适用的二维薄膜晶体管为底栅顶接触结构，晶体管由下至上依次是栅极、介电层、N型半导体有源层、源/漏电极。该方法在二维薄膜晶体管半导体层制备完毕后，通过同样的机械剥离方法制备并转移得到二维材料源/漏电极，通过该方法既可以改善二维材料只能用电子束光刻和尺寸较小的铜网进行掩膜制备的限制，又可以改善二维材料与金电极之间的接触，从而提升了N型二维薄膜半导体的电学性能。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种石墨烯为源漏电极的二维薄膜晶体管的制备方法，该制备方法包括以下具体步骤：

步骤1：二维材料薄膜的制备

A1：二硫化铪半导体薄膜的制备

将二硫化铪晶体块材置于英格兰蓝色胶带上，对折胶带，按压，然后撕开；在撕开的英格兰胶带上会自然黏附一层二硫化铪薄片，将所述胶带在新鲜胶带表面对撕3-5次，减薄二硫化铪薄片后，贴附到附在载玻片上的Gelpak机械剥离专用PF凝胶膜上再轻轻揭起，用光学显微镜观察所述PF凝胶膜，通过颜色判断二硫化铪薄膜的厚度，选择蓝色半透明、厚度为10-15nm、表面均匀且长度15-200μm的材料标记备用；

A2：石墨烯薄膜材料的制备