本发明专利技术公开了一种调控材料载流子浓度的方法、场效应晶体管和制造方法，该制备携带被调材料的场效应晶体管的步骤，其中，衬底、在衬底上生长的被调材料薄膜或者转移到衬底上的被调材料薄层、在衬底的被调材料薄膜或薄层上设置的源电极和漏电极、以及在衬底的另一面上设置的栅电极，其中，衬底为固体离子导体。将场效应晶体管放在设定环境中，在其栅电极和源电极之间加上电压，对被调材料的载流子浓度进行调控。根据本发明专利技术的方法，克服了固态氧化物或液态电解质作为栅介质的晶体管调控材料载流子浓度方法的局限，具有更大的击穿电场。对于层状具有范德瓦尔斯力的材料，能调节材料整体的载流子浓度，甚至可以获得新结构材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及物理、材料科学领域和半导体
，具体涉及一种电场效应调控材料载流子浓度的方法、用于电场效应调控材料载流子浓度的方法的场效应晶体管及其制造方法。
技术介绍
材料的性质与载流子浓度密切相关，调控材料的载流子浓度是改变材料性质的重要手段。对绝缘体进行载流子掺杂是寻找新超导体的重要方法，铜基高温超导体就是对其绝缘母体进行空穴或者电子掺杂实现的，铁基高温超导体也是通过载流子掺杂实现超导或者获得更高超导转变温度的。除此之外，载流子浓度的调节还可以调控材料的量子相变，例如铁磁转变和莫特-哈伯德(Mott-Hubbard)转变。一般情况下，材料载流子浓度的改变都是通过化学方法实现的，例如元素替代，这不可避免的会引入无序，无序对获得高性能的材料是不利的。受材料结构的影响，化学掺杂对载流子浓度的调节往往是不连续的。半导体技术也需要通过掺杂实现空穴型或电子型的半导体，原位电场调控载流子对半导体技术和工业将有重要的意义和应用。为了获得一种干净和连续可调的方式，提出了利用电场效应调控载流子浓度的方法，到1960年场效应管的专利技术，该技术进入了实际应用的阶段。目前应用最广泛的是两类场效应管：一类是使用二氧化硅(SiO2)、钛酸锶(SrTiO3)等固态氧化物做栅介质的全固态场效应管，另一类是使用离子液体等液态电解质作为栅介质的电双层晶体管。无论哪种场效应管，其基本原理都是：在材料表面镀上源电极和漏电极，在栅电极和源电极之间加上电压，在电场的作用下，固态氧化物栅介质中的电子或空穴、液
态电解质中的阴离子或阳离子向材料移动，排列在栅介质和材料形成的界面上，与此同时，在材料靠近栅介质的表面会聚集等量异号的电荷。改变电压可以改变电荷的积累量，从而实现对载流子浓度的连续可调。因为仅仅是通过电荷的积累，对材料本身的结构没有任何影响，因此是一种非常干净的调节载流子浓度的方法。目前，利用电场效应调控载流子浓度的方法被广泛应用于探索新的超导体、制备新型器件和半导体工业。但是目前使用的两类场效应管都有各自的局限性：使用二氧化硅(SiO2)、钛酸锶(SrTiO3)等固态氧化物做栅介质的全固态场效应管，受栅介质击穿电场低的影响，其载流子浓度的调节能力非常有限。以200纳米厚的二氧化硅(SiO2)为例，其击穿电场小于10兆伏每厘米(MV/cm)，能聚集的最大载流子浓度为2×1013每平方厘米(cm-2)(Journal of the Physical Society of Japan 83,032001(2014))。到目前为止，应用此种方法调节未掺杂绝缘体的载流子浓度还未发现超导体。使用离子液体等液态电解质作为栅介质的电双层晶体管，有很强的载流子浓度调节能力，以N,N-二乙基-N-甲基-N-乙基(2-甲氧基)季胺-二(三氟甲基磺酰)亚胺(DEME-TFSI)为例，能聚集的最大载流子浓度为8×1014每平方厘米(cm-2)(Journal of the Physical Society of Japan 83,032001(2014))，已经在很多绝缘材料中发现了超导电性。以能带绝缘体(band insulator)锆氮氯(ZrNCl)为例，用离子液体(DEME-TFSI)构成电双层场效应管，当施加5伏的门电压时，可以获得14开尔文(K)超导转变温度(Nature Materials 9,125–128(2010))。但是，使用离子液体等液态电解质作为栅介质需要考虑材料和电解质的电化学稳定性，很多材料会与离子液体发生电化学反应。而且，由于栅介质是液态的，其在器件上的应用受到了很大的限制，同时一般的表征手段无法使用，限制了其在材料物理领域的应用。两类场效应管都是通过电场控制载流子在材料表面的积累，受电屏蔽长度的影响，其只能调控材料表面的载流子浓度，对材料整体无能为力，因此这些方法应用受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电场效应调控材料载流子浓度的方法，以打破使用固态氧化物作为栅介质的全固态场效应管和使用液态电解质作为栅介质的电双层晶体管调控材料载流子浓度方法的局限。为此，本专利技术一方面提供了一种用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管，包括衬底、在衬底上生长的被调材料薄膜或者转移到衬底上的被调材料薄层、在衬底的被调材料薄膜或薄层上设置例如由蒸镀形成的源电极和漏电极、以及在衬底的另一面上设置的栅电极，其中，衬底为固体离子导体。进一步地，上述固体离子导体为一类固体材料，其中的离子(如：锂离子导电玻璃中的Li+，四方氟化镧中的F-)在电场作用下能够移动到被调控的材料表面，或插入被调控材料中，从而改变被调控材料的载流子浓度。进一步地，上述被调材料为层状具有范德瓦尔斯力的材料，例如铁硒薄层、石墨烯薄膜、或1T相二硒化钛薄层。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：利用固体离子导体制作衬底的步骤；在衬底上生长被调材料薄膜或者将被调材料薄层转移到衬底上的步骤；以及在被调材料的表面上制作源电极和漏电极，并在衬底另外一面制作栅电极的步骤。进一步地，上述被调材料为铁硒薄层的场效应晶体管的制造方法包括：(1)用胶带解理的方式获得铁硒薄层；(2)利用转移台将铁硒薄层从聚二甲基硅氧烷薄膜上转移到衬底上；(3)利用光刻以及剥离技术，在铁硒薄层上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。进一步地，上述被调材料为石墨烯薄膜的场效应晶体管的制造方法包括：(1)用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜；(2)将石墨烯薄膜从衬底上剥离，转移到衬底上；(3)在含有石墨烯薄膜的衬底上利用掩膜版的方法，在石墨烯薄膜上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。进一步地，上述被调材料为1T相二硒化钛薄层的场效应晶体管的制造方法包括：(1)用胶带解理的方式获得1T相二硒化钛(1T-TiSe2)薄层；(2)利用转移台，将1T相二硒化钛(1T-TiSe2)薄层样品从聚二甲基硅氧烷薄膜上转移到衬底上；(3)利用光刻以及剥离技术，在1T相二硒化钛薄层上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。进一步地，上述被调材料为石墨烯薄膜的场效应晶体管的制造方法包括：(1)用化学气相沉积生长大面积石墨烯薄膜；(2)将石墨烯薄膜从衬底上剥离，转移到四方氟化镧衬底上；(3)将含有石墨烯薄膜的四方氟化镧衬底上利用掩膜版的方法，在石墨烯薄膜上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在四方氟化镧衬底的另一面涂满银胶，充当栅电极。本专利技术还提供了一种电场效应调控材料载流子浓度的方法，包括：制备携带被调材料的场效应晶体管的步骤，其中，场效应晶体管为根据上面所描述的用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管；将场效应晶体管放在设定环境中，在其栅电极和源电极之间加上电压，对被调材料的载流子浓度进行调控。进一步地，上述设定环境为：真空度小于1毫巴(mbar)、环境温度为220-600开尔文。进一步地，上述场效应晶体管置于真空抽到1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管，其特征在于，包括衬底、在所述衬底上生长的被调材料薄膜或者转移到所述衬底上的被调材料薄层、在所述衬底的被调材料薄膜或薄层上设置的源电极和漏电极、以及在所述衬底的另一面上设置的栅电极，其中，所述衬底为固体离子导体。
【技术特征摘要】
1.一种用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管，其特征在于，包括衬底、在所述衬底上生长的被调材料薄膜或者转移到所述衬底上的被调材料薄层、在所述衬底的被调材料薄膜或薄层上设置的源电极和漏电极、以及在所述衬底的另一面上设置的栅电极，其中，所述衬底为固体离子导体。2.根据权利要求1所述的用于电场效应调控材料载流子浓度的场效应晶体管，其特征在于，所述固体离子导体为一类固体材料，其中的离子在电场作用下能够移动到被调控的材料表面或插入被调控材料中，所述被调材料为层状具有范德瓦尔斯力的材料。3.一种用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：利用固体离子导体制作衬底的步骤；在所述衬底上生长被调材料薄膜或者将被调材料薄层转移到所述衬底上的步骤；以及在所述被调材料的表面上制作源电极和漏电极，并在所述衬底另外一面制作栅电极的步骤。4.根据权利要求3所述的用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述被调材料为铁硒薄层的场效应晶体管的制造方法包括：(1)用胶带解理的方式获得铁硒薄层；(2)利用转移台将铁硒薄层从聚二甲基硅氧烷薄膜上转移到所述衬底上；(3)利用光刻以及剥离技术，在铁硒薄层上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在所述衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。5.根据权利要求3所述的用于调控材料载流子浓度的场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述被调材料为石墨烯薄膜的场效应晶体管的制造方法包括：(1)用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜；(2)将石墨烯薄膜从衬底上剥离，转移到所述衬底上；(3)在含有石墨烯薄膜的所述衬底上利用掩膜版的方法，在所述石墨烯薄膜上镀上源电极和漏电极，以及做四引线电阻测量的另两个测量电极；以及(4)在所述衬底的另一面涂覆银胶，充当栅电极。6.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈仙辉，雷彬，
申请(专利权)人：中国科学技术大学先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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