一种基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件及制备方法技术

一种基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件及制备方法,属于新材料和分子场效应晶体管领域。由二维材料模板条带阵列、超平金属电极、二维材料支撑绝缘纳米孔阵列、自组装单分子膜、二维材料漏端电极条带、绝缘二维材料介质层以及导电二维材料栅电极条带构成。本发明专利技术采用新型二维材料替代传统场效应晶体管中的栅极和介电层材料，引入二维材料绝缘层对电极间距进行原子级厚度的精准控制，引入二维材料模板层对金属电极平整度进行改善，使得器件达到原子级平整并且原子层厚度可控，实现了具有可集成能力的在室温下可以稳定工作的固态栅极调控的并且具有超平金属电极的垂直单分子场效应晶体管，提高了器件稳定性以及大规模集成可能性。以及大规模集成可能性。以及大规模集成可能性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件及制备方法


[0001]本专利技术属于新材料以及分子场效应晶体管领域，特别涉及一种以二维材料为超平金属电极生长模板、绝缘支撑层、栅电极层、介质层、漏端电极的垂直单分子场效应晶体管集成器件。

技术介绍

[0002]分子场效应晶体管具备分子级尺寸，可以在量子隧穿状态下工作，是未来集成电路中最有可能的电子元件。通常，通过在分子异质结中施加栅压就可以调控分子的能级位置，从而改变分子能级与电极费米能级的相对位置，进一步调控分子的导电特性。
[0003]一般情况下，分子场效应晶体管的制造方法是在分子结的一侧放置一个固态背栅或电化学栅极，以调整中心分子的能级。然而，这种基于固态栅极产生的电场调控分子的能级的器件栅调控强度弱，调控效率低，制备效率低，稳定性较差。具体地，这样的器件对介电层厚度敏感，然而目前的介电层多是二氧化硅和二氧化铪材料，想要制备出与分子尺寸匹配的厚度的固态介电层在工艺实施上是极为困难的。同样地，也是材料问题，目前的栅极使用的材料多为掺杂硅，不易做得特别小，无法精准对单个分子异质结施加栅压，漏电流对器件的影响较大。又由于栅极和介质层与分子直接接触，导致分子异质结极不稳定，既降低了栅调控的强度，又降低了器件的稳定性。以上种种原因都使得分子场效应晶体管制造工艺复杂，稳定性低，制备成功率低，难以集成。
[0004]近年报告的新型垂直分子隧穿晶体管(Sci.Adv.2018，4,eaat8237)，基于离子液体栅极/石墨烯/自组装单层分子膜(SAMs)/金膜跨平面垂直异质结构，在一定程度上解决了分子场效应晶体管存在的部分问题，比如说栅介电层都不与分子产生直接接触，且通过离子液体双电层，在分子上下两侧原子级别距离内形成栅电场，这就解决了以往分子场效应晶体管室温下不稳定，制备效率低，栅调控弱等问题，使之可以在室温下稳定运行。但这样的结构还是没能很好解决集成的问题，并且也带来了几方面问题：1：采用的是离子液体栅极，与现有加工工艺不兼容，难以集成；2：直接用Si基底，也为大面积集成带来挑战；3：绝缘支撑层使用氧化硅材料，厚度难以控制；4：由于是垂直结构，底部的金电极的平整度对分子结的形成和稳定性有着决定性的影响，而在这个器件中，金膜是直接在Si衬底上的，达不到原子级别的平整度。最重要的是，该器件是分子膜体系，如果做成集成器件，那么我们无法保证每个器件单元中的分子个数相同，因此，开发一种具有可集成能力的在室温下能稳定工作的固态栅极调控的并且具有超平金属电极的垂直单分子场效应晶体管是十分必要的。
[0005]二维材料的兴起便为实现这一目标提供了一种好的解决方案。二维材料种类极其丰富，从金属性到绝缘性的材料都有，并且具有原子级的表面平整度。目前已知的二维材料有数百种，许多是天然半导体、金属和绝缘体。二维材料的特征是具有强平面内共价键的层状晶体结构，表面无悬键，因此即使在单原子厚度的极限下也能表现出优异的电子和光学
性能，这与典型的块体半导体表面和界面上存在的悬键和俘获态形成了鲜明对比。同时，二维材料层间通过弱范德华力(vdW)耦合在一起，可保持层与层之间的紧密接触。将不同二维材料组装，可以形成种类丰富的异质结构。因此，二维材料也是一种良好的组装模板。它们还具有平面可加工性，方便集成时对各个部分的形状进行图案化控制，从而达到精准地对单个单元进行调控。另外，六方氮化硼(h
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BN)、亚硒酸氧铋(Bi2SeO5)、氮化镓(Ga2N3)或钛酸锶(SrTiO3)等二维材料，具有大的带隙，同时具有物理惰性和化学惰性，难以和其他物质反应，是一种很好的绝缘介电材料。用他们作为绝缘层来控制电极间距，可以达到原子级可控的精准度。而且利用二维材料间的紧密接触，将单分子异质结封装在一个相对密闭的环境中，可以大大提高稳定性，有助于集成。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件及其制备方法，不仅解决现有方案室温下稳定性差，栅调控效率低，难以集成等问题，还将二维材料的自身固有特性，比如原子级平整和原子层可控的优势引入垂直分子场效应晶体管。利用二维材料的原子级平整作为生长模板，形成超平金属电极；利用二维材料的原子级可控来精准实现电极间距的控制；利用二维材料的范德华接触来实现异质结之间的层叠，形成垂直器件；尤其是栅极提供的栅压通过这样的结构垂直施加到分子上，避免了与分子的直接接触又将分子与栅极的间距控制在原子级别，大大提高了稳定性和栅调控的强度。另外，利用二维材料的平面可加工性，对各个二维材料层形状进行图案化控制，以绝缘二维材料六方氮化硼(h
‑
BN)、亚硒酸氧铋(Bi2SeO5)、氮化镓(Ga2N3)或钛酸锶(SrTiO3)作为器件中绝缘支撑层的材料，构筑纳米孔阵列，和二维材料漏端电极条带阵列一同将单个分子异质结功能单元封装在对应的孔洞中并采用h
‑
BN作为保护层，这些方案都进一步为实现器件的大规模集成提供可能性。
[0007]为实现上述目的，基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件由二维材料模板条带(1)、超平金属电极条带(2)、二维材料绝缘支撑纳米孔阵列(3)、自组装单分子(4)、二维材料漏端电极条带阵列(5)、绝缘二维材料介质层(6)以及导电二维材料栅电极条带阵列(7)构成
[0008]所述栅极二维材料选用石墨烯，1T相二硫化钛(1T
‑
TiS2)，1T相二硫化钼(1T
‑
MoS2),1T相硒化钒(1T
‑
VSe2)，1T相锑化钨(1T
‑
WTe2)或者可导电的其余金属型二维材料，厚度从单层到多层不等；以上层状二维材料均可通过机械剥离或CVD生长得到，均可通过干法转移或者湿法转移方式实现层叠组装；均具备平面可加工性，可通过图案化加工形成相应的二维材料条带阵列；
[0009]所述自组装单个分子与所述超平金属电极之间通过Au
‑
S、Ag
‑
S或者Pt
‑
S键连接；与二维材料漏端电极之间为范德华作用力；
[0010]所述单个分子由单侧末端有巯基修饰的4,4
‑
二(乙炔苯)苯硫酚分子自组装得到；
[0011]所述超平金属电极条带材料为Au、Ag或Pt；
[0012]所述绝缘二维材料介质层与所述导电二维材料栅电极条带阵列之间为范德华接触，与所述二维材料漏端电极条带阵列之间也是范德华接触；
[0013]所述二维材料绝缘支撑纳米孔阵列中每个纳米孔直径为1
‑
3nm，所述纳米孔阵列
的高度与所述二维材料绝缘支撑层厚度相等，能够暴露出孔洞中的金属电极条带；
[0014]所述二维材料绝缘支撑层所用材料为六方氮化硼(h
‑
BN)、亚硒酸氧铋(Bi2SeO5)、氮化镓(Ga2N3)或钛酸锶(SrTiO3)，在二维材料漏端电极条带阵列和超平金属电极条带本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件，其特征是：由二维材料模板条带(1)、超平金属电极条带(2)、二维材料绝缘支撑纳米孔阵列(3)、自组装单分子(4)、二维材料漏端电极条带阵列(5)、绝缘二维材料介质层(6)以及导电二维材料栅电极条带阵列(7)构成。2.根据权利要求1所述的基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件，其特征是：具有栅极/介质层/二维材料漏端电极/单个自组装分子/超平金属电极跨平面垂直异质结构；导电二维材料栅电极条带阵列(7)包括但不限于石墨烯、1T相二硫化钛(1T
‑
TiS2)、1T相二硫化钼(1T
‑
MoS2)、1T相硒化钒(1T
‑
VSe2)、1T相锑化钨(1T
‑
WTe2)作为顶栅电极；导电二维材料栅电极条带阵列(7)材料厚度原子层可控，厚度为1
‑
100nm；绝缘二维材料介质层(6)包括但不限于用h
‑
BN，Bi2SeO5，Ga2N3或SrTiO3作为介质层；绝缘二维材料介质层(6)材料厚度原子层可控，h
‑
BN厚度为1
‑
30nm，Ga2N3厚度为1
‑
30nm，SrTiO3厚度为1
‑
30nm，Bi2SeO5厚度为1
‑
30nm；二维材料绝缘支撑纳米孔阵列(3)所用材料包括但不限于h
‑
BN，Bi2SeO5，Ga2N3或SrTiO3；二维材料绝缘支撑纳米孔阵列(3)厚度为3
‑
5nm；二维材料模板条带(1)包括但不限于二硫化钼(MoS2)、二硫化铪(HfS2)、二硒化钒(VSe2)、二硒化钨(WSe2)、二锑化钨(WTe2)、二锑化钼(MoTe2)中的一种；二维材料模板条带(1)厚度为1
‑
3nm，宽度为7
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50nm；超平金属电极条带(2)材料为Au、Ag或Pt，厚度为1
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10nm，宽度为7
‑
50nm，具有原子级平整表面。3.根据权利要求1所述的基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件，其特征是：自组装单分子(4)选用单侧末端有巯基修饰的4,4
‑
二(乙炔苯)苯硫酚分子，采用化学自组装的方式；与二维材料漏端电极条带阵列之间是非共价键的范德华作用，与所述超平金属电极条带之间通过Au
‑
S、Ag
‑
S或者Pt
‑
S键连接。4.权利要求1
‑
3任一项所述的基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件的制备方法，其特征是：采用范德华组装工艺，其中材料与材料之间以范德华作用力方式接触，包括以下步骤：1)二维叠层组装；2)作为器件各组成部分的二维材料具有原子级可控平整度和厚度；3)具有超平金属源端电极；4)源漏电极间距原子层可控；5)与跨平面垂直异质结构结合,介质层与栅电极层与分子均没有直接接触；6)使用纳米孔阵列实现单分子垂直场效应晶体管的集成。5.根据权利要求4所述的基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件的制备方法，其特征是：二维叠层组装采用原子级平整的硅片、云母、蓝宝石或者柔性材料作为衬底；所述柔性材料包括但不限于聚酰亚胺(PI)、聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)中的一种。6.根据权利要求4所述的基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件的制备方法，其特征是：叠层器件制备采用干法转移工艺，采用机械剥离方式，首先用胶带从二维材料晶体A上撕下一小块，再用新的胶带不停对撕，获得单层或少层的二维材料A；用载玻片1顶部的聚二甲基硅氧烷(PDMS)接触胶带上的二维材料A，再次分离的时候，二维材料A会留在PDMS上；再用相同的机械剥离方法，用胶带获得单层或少层的二维材料B，接着用载玻片2顶部的聚二甲基硅氧烷(PDMS)接触胶带上的二维材料B，再次分离的时候，二维材料B薄层会留在PDMS上；接着在显微镜下寻找PDMS上的超薄二维材料B，通过显微镜分辨两种二维材料的空间位置，通过三维平移台调整A和B在空间位置上达到完全一致从而重叠和接触；此时，让B所在的载玻片2轻微施力，A和B就粘附在一起，接着缓慢地分离PDMS和A
‑
B异质
结，这样PDMS就会脱离B，在载玻片1上留下A
‑
B异质结，然后再通过显微镜和三维平移台将该结构与实验所需的衬底对准，让载玻片1轻微施力，使A
‑
B异质结粘附在衬底上的其他二维材料上，再缓慢地将PDMS与结构分离，以此实现二维材料层的进一步组装。7.根据权利要求4所述的基于二维材料纳米孔的垂直单分子场效应晶体管集成器件的制备方法，其特征是：叠层器件制备采用湿法转移工艺，(1)首先在经退火工艺处理得到的Cu(111)箔上利用CVD生长单层h
‑
BN，重复步骤(1)，获得多个单层h
‑
BN
‑
铜箔；(2)在h
‑
BN上旋涂PMMA胶，形成PMMA
‑
(h
‑
BN)
‑
铜箔三明治结构；(3)将该结构放入浓度为3％的过硫酸铵溶液中进行刻蚀，待铜箔溶解完毕后，先将样品转移到干净的去离子水中，以除去残留的过硫酸铵，获得PMMA
‑
(h
‑
BN)结构；(4)将PMMA
‑
(h
‑
BN)结构与(1)中获得的(h
‑
BN)
‑
铜箔结构堆叠在一起，获得PMMA
‑
(h
‑
BN)2‑
铜箔结构，重复步骤(3)，去除铜箔，得到PMMA
‑
(h
‑
BN)2结构；(5)根据厚度要求，多次重复步骤(4)，可获得需要的PMMA
‑
(h
‑
BN)
n
结构，其中下标n表示h
‑
BN层数；(6)将该结构转移至权利要求1所述的二维材料漏端电极上，利用丙酮溶液的浸泡去除PMMA胶，得到h
‑
BN介质层；(7)然后在铜箔上利用化学气相沉积(CVD)方法生长大面积石墨烯薄膜；(8)在石墨烯上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶，形成PMMA
‑
石墨烯
‑
铜箔三明治结构，将该结构放入浓度为3％的过硫酸铵溶液中进行刻蚀，待铜箔溶解完毕后，先将样品转移到干净的去离子水中，以除去石墨烯中残留的过硫酸铵；(9)然后将石墨烯
‑
PMMA结构转移到h
‑
BN介质层上，利用丙酮溶液的浸...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾传成，李佩慧，郭雪峰，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：