一种二维相变场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种二维相变场效应晶体管及其制备方法，二维相变场效应晶体管包括多晶硅衬底层，多晶硅衬底层自下而上依次设置介质层、二维材料层和铁电材料层，二维材料层和铁电材料层之间还设置将它们部分分隔开的绝缘材料层，二维材料层两端分别设置A电极和B电极，铁电材料层上部设置C电极，多晶硅衬底层底部设置D电极。与现有技术相比，本发明专利技术C电极施加电压时，二维材料层在垂直电场作用下由半导体到金属相变，从而使与电极接触方式由金属‑半导体接触转变为欧姆接触，寄生电阻减小，降低场效应管功耗，具有广泛应用前景；采用的二维材料具有二维平面结构，能够与现代高科技的微纳加工技术相衔接，实现器件的高密度集成。

Two dimensional phase change field effect transistor and preparation method thereof

The invention relates to a two-dimensional phase change field effect transistor and a preparation method thereof. The two-dimensional phase change field effect transistor comprises a polycrystalline silicon substrate layer, a dielectric layer, a two-dimensional material layer and a ferroelectric material layer are arranged successively from the bottom to the top of the polycrystalline silicon substrate layer, and a two-dimensional material layer and a ferroelectric material layer are also arranged to partially separate them. The edge material layer, two-dimensional material layer with A electrode and B electrode at both ends, ferroelectric material layer with C electrode at the top, polycrystalline silicon substrate layer with D electrode at the bottom. Compared with the prior art, when the C electrode of the invention is applied voltage, the two-dimensional material layer changes from semiconductor to metal under the action of vertical electric field, so that the contact mode with the electrode is changed from metal-semiconductor contact to ohmic contact, the parasitic resistance is reduced, and the power consumption of the field effect transistor is reduced, so the two-dimensional material layer has a wide application prospect. Material has two-dimensional planar structure, which can connect with modern high-tech micro-nano processing technology to achieve high-density integration of devices.

【技术实现步骤摘要】
一种二维相变场效应晶体管及其制备方法
本专利技术属于微电子
，具体涉及一种二维相变场效应晶体管及其制备方法。
技术介绍
自2004年石墨烯被发现以来，二维材料已成为近十余年的研究热点。2011年发现的二维过渡金属硫族化物(例如二硫化钼MoS2)是具有合适带隙的半导体材料。利用二维过渡金属硫族化物制备出的电子与光电器件表现出优异的性能，在电子与光电器件应用等方面展现出巨大潜力，为后摩尔时代集成化电子器件的研究开辟了新的方向。场效应晶体管是利用栅极电压、源极、漏极电压来控制多数载流子在半导体器件中的分布从而达到控制源、漏电极之间I-V(电流-电压)等关系的作用。与传统的硅材料场效应晶体管相比，二维材料器件由于其高迁移率，极高的开关比备受青睐。这些材料在单层或者几个原子层的时候，都显示出与其体块截然不同的性质，为原子尺度的电子器件的制作提供了可能性。随着集成电路规模的不断扩大，集成元件数量不断增多，集成电路线宽和尺寸不断下降，为节省电路空间，电路层数也不断增多，充分利用电路空间是有效提高生产效率、降低制造成本、提高性能的一种办法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种二维相变场效应晶体管及其制备方法，用以减小场效应晶体管寄生电阻，降低功耗，提高器件集成度和便携性。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种二维相变场效应晶体管，包括多晶硅衬底层，所述多晶硅衬底层自下而上依次设置介质层、二维材料层和铁电材料层，所述二维材料层和铁电材料层之间还设置将它们部分分隔开的绝缘材料层，所述二维材料层两端分别设置A电极和B电极，所述铁电材料层上部设置C电极，所述多晶硅衬底层底部设置D电极。当在C电极上外加电场时，与铁电材料层相接触的二维材料层由于铁电材料的影响，载流子浓度发生变化导致相变，实现从半导体相转变为金属相，被绝缘材料层覆盖的部分则保持原来的半导体相，从而实现A、B电极与二维材料层的接触从金属-半导体接触转变为欧姆接触，大大降低场效应管寄生电阻。优选地，所述二维材料层为具有低相变转变能的MoTe2或具有半导体-金属相变现象的二硫属化合物原子层晶体材料，厚度在0.5-1nm。MoTe2材料同时存在半导体相和金属相，并且半导体-金属相变转换能非常低，只有几十meV。在外界强极化电场的作用下，导致二维材料中载流子浓度提高，达到1013cm-2以上，高浓度载流子引起系统能量升高，从而在电声相互作用下，促使MoTe2材料发生相变，然而被绝缘材料覆盖部分由于电场低，载流子浓度少，不发生相变，从而保持原来的半导体相。优选地，所述介质层为SiO2介质，厚度在10-100nm。优选地，所述绝缘材料层为氮化硼，厚度为10-50nm。优选地，所述铁电材料为PVDF-TrFE或离子液体。优选地，所述A电极、B电极、C电极和D电极均为金属材料，选用金、银、铝或钛，厚度为10-200nm。所述的一种二维相变场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：(a)将多晶硅衬底层清洗；(b)在多晶硅衬底层层上淀积介质层；(c)在介质层上直接生长或通过转移方法覆盖一层二维材料层；(d)在二维材料层上的部分区域设置绝缘材料层；(e)在二维材料层及绝缘材料层上覆盖铁电材料层；(d)由磁控溅射方法或电子束蒸发、热蒸发方法淀积金属铬膜，然后通过剥离制成A电极、B电极、C电极和D电极，即得到本产品。步骤(c)所述二维材料层可在介质层上直接使用CVD法生长，也可采用机械剥离法、化学液相合成或CVD法制备，之后再转移至介质层上。与目前通用的半导体硅材料场效应晶体管相比，本专利技术具有的有益效果是：(1)施加电压时，二维材料层在垂直电场作用下由半导体到金属相变，从而使与电极接触方式由金属-半导体接触转变为欧姆接触，寄生电阻减小，降低场效应管功耗，具有广泛应用前景。(2)采用的二维材料具有独特二维平面结构，能够与现代高科技的微纳加工技术相衔接，实现器件的高密度集成。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图中：1-多晶硅衬底层、2-介质层、3-二维材料层、4-绝缘材料层、5-铁电材料层、6-A电极、7-B电极、8-C电极、9-D电极。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。一种二维相变场效应晶体管，如图1所示，包括多晶硅衬底层1，多晶硅衬底层1自下而上依次设置介质层2、二维材料层3和铁电材料层5，二维材料层3和铁电材料层5之间还设置将它们部分分隔开的绝缘材料层4，二维材料层3两端分别设置A电极6和B电极7，铁电材料层5上部设置C电极8，多晶硅衬底层1底部设置D电极9。二维材料层3为具有低相变转变能的MoTe2或具有半导体-金属相变现象的二硫属化合物原子层晶体材料，厚度在0.5-1nm。介质层2为SiO2介质，厚度在10-100nm。绝缘材料层4为氮化硼，厚度为10-50nm。铁电材料层5为PVDF-TrFE或离子液体。A电极6、B电极7、C电极8和D电极9均为金属材料，选用金、银、铝或钛，厚度为10-200nm。二维相变场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：(a)将多晶硅衬底层清洗；(b)在多晶硅衬底层层上淀积介质层；(c)在介质层上直接生长或通过转移方法覆盖一层二维材料层；(d)在二维材料层上的部分区域设置绝缘材料层；(e)在二维材料层及绝缘材料层上覆盖铁电材料层；(d)由磁控溅射方法或电子束蒸发、热蒸发方法淀积金属铬膜，然后通过剥离制成A电极、B电极、C电极和D电极，即得到本产品。其中，步骤(c)所述二维材料层可在介质层上直接使用CVD法生长，也可采用机械剥离法、化学液相合成或CVD法制备，之后再转移至介质层上。实施例1一种二维相变场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：首先，采用多晶硅为衬底材料，并清洗衬底。在衬底层上淀积一层SiO2介质层，以增加单层二维材料和衬底之间的粘附性。SiO2介质层厚度为50nm。之后，在SiO2介质层上直接生长或通过转移技术的方法覆盖一层二维材料，其中二维层状原子晶体半导体材料层为MoTe2但不限于，二维材料为单层，厚度为0.7nm，采用机械剥离法制备该层，之后通过转移技术转移在SiO2介质层上。在二维材料层上部分区域制备一层氮化硼绝缘材料层，其厚度为10nm。在二维材料层及氮化硼绝缘层上用铁电材料PVDF-TrFE完全覆盖二维材料及氮化硼绝缘层。再由磁控溅射方法淀积一层10nm厚的金属铬膜，然后通过剥离工艺制成金属形成四个电极层(A电极、B电极、C电极和D电极)，电极为金属材料，采用铬，即得到本产品。实施例2一种二维相变场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：首先，采用多晶硅为衬底材料，并清洗衬底。在衬底层上淀积一层SiO2介质层，以增加单层二维材料和衬底之间的粘附性。SiO2介质层厚度为10nm。之后，在SiO2介质层上直接生长或通过转移技术的方法覆盖一层二维材料，其中二维层状原子晶体半导体材料层为MoTe2但不限于，二维材料为单层，厚度为0.5nm，采用机械剥离法制备该层，之后通过转移技术转移在SiO2介质层上。在二维材料层上部分区域制备一层氮化硼绝缘材料层，其厚度为50nm。在二维材料层及氮化硼绝缘层上用铁电材料PVDF-TrFE完全覆盖二维材料及氮化硼绝缘层。再由磁控溅射方法淀积一层为100nm厚的金属铬膜，然后通过剥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维相变场效应晶体管，其特征在于，包括多晶硅衬底层(1)，所述多晶硅衬底层(1)自下而上依次设置介质层(2)、二维材料层(3)和铁电材料层(5)，所述二维材料层(3)和铁电材料层(5)之间还设置将它们部分分隔开的绝缘材料层(4)，所述二维材料层(3)两端分别设置A电极(6)和B电极(7)，所述铁电材料层(5)上部设置C电极(8)，所述多晶硅衬底层(1)底部设置D电极(9)。

【技术特征摘要】
1.一种二维相变场效应晶体管，其特征在于，包括多晶硅衬底层(1)，所述多晶硅衬底层(1)自下而上依次设置介质层(2)、二维材料层(3)和铁电材料层(5)，所述二维材料层(3)和铁电材料层(5)之间还设置将它们部分分隔开的绝缘材料层(4)，所述二维材料层(3)两端分别设置A电极(6)和B电极(7)，所述铁电材料层(5)上部设置C电极(8)，所述多晶硅衬底层(1)底部设置D电极(9)。2.根据权利要求1所述的一种二维相变场效应晶体管，其特征在于，所述二维材料层(3)为具有低相变转变能的MoTe2或具有半导体-金属相变现象的二硫属化合物原子层晶体材料，厚度在0.5-1nm。3.根据权利要求1所述的一种二维相变场效应晶体管，其特征在于，所述介质层(2)为SiO2介质，厚度在10-100nm。4.根据权利要求1所述的一种二维相变场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘材料层(4)为氮化硼，厚度为10-50nm。5.根据权利要求1所述的一种二维相变场效应晶体管，其特征在于，所述铁电材料层(5)为PVDF-Tr...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤乃云，王倩倩，徐浩然，杜琛，单亚兵，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31