二维晶体管阵列及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种二维晶体管阵列及其制备方法，方法包括：提供一导热基底；于导热基底上形成导热生长层以及位于单晶导热层上的包括多个二维材料单元的阵列；于各二维材料单元上形成源电极层、漏电极层、栅介质层及栅电极层，源电极层和漏电极层在水平方向上相隔设置，栅介质层和栅电极层设置于源电极层与漏电极层之间。本发明专利技术以高热导率的基底和高导热率的AlN等材料作为二维材料晶体管的衬底材料，可以将二维材料晶体管工作产生的焦耳热高效的传导出去，减弱器件工作时的升温，有利于维持二维材料沟道的高迁移率，获得较高的开态电流，降低门延迟，提升二维集成电路的工作速度。同时，本发明专利技术可以有效降低二维晶体管的制作成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
二维晶体管阵列及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种二维晶体管阵列及其制备方法。

技术介绍

[0002]二维材料的全名为二维原子晶体材料，是伴随人们成功分离出单原子层的石墨材料
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石墨烯(graphene)而提出的。
[0003]二维材料因其载流子迁移被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质。其带隙可调的特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛；不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或光学特性的各向异性，包括拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性，在偏振光电器件、偏振热电器件、仿生器件、偏振光探测等领域也具有很大的发展潜力。
[0004]二维材料通常可以制备在蓝宝石、SiO2/Si、Al2O3/Si、HfO2/Si等衬底上。为了提高电路工作速度、降低门延迟，需要晶体管工作时具有尽可能高的开态电流，然而蓝宝石、SiO2、Al2O3、HfO2的低热导率使得基于二维材料制备的晶体管产生的焦耳热难以有效传导，使晶体管工作时升温严重，导致载流子迁移率下降、开态电流降低，器件性能发生退化，无法满足大规模集成电路的需要。
[0005]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路
<br/>[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种二维晶体管阵列及其制备方法，用于解决现有技术中二维材料晶体管产生的焦耳热难以有效传导的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种二维晶体管阵列的制备方法，所述制备方法包括：1)提供一导热基底；2)于所述导热基底上形成导热生长层以及位于所述单晶导热层上的包括多个二维材料单元的阵列；3)于各二维材料单元上形成源电极层、漏电极层、栅介质层及栅电极层，所述源电极层和漏电极层在水平方向上相隔设置，所述栅介质层设置于所述源电极层与所述漏电极层之间，所述栅电极层位于所述栅介质层上。
[0008]可选地，步骤2)包括：于所述导热基底上形成导热生长层；于所述导热生长层上形成二维材料层；将所述二维材料层图形化以形成包括多个二维材料单元的阵列。
[0009]可选地，步骤2)包括：于所述导热基底上形成导热生长层；对所述导热生长层进行图形化，以在所述导热生长层中形成包含多个分立岛状结构的阵列或包含多个鳍片结构的阵列；于各分立岛状结构上形成二维材料单元，或于各鳍片结构的顶部和侧壁形成二维材料单元。
[0010]可选地，当所述导热生长层中形成包含多个分立岛状结构的阵列时，所述分立岛
状结构之间保留部分厚度的所述导热生长层，或所述分立岛状结构之间的所述导热生长层被完全去除以显露所述导热基底；当所述导热生长层中形成包含多个鳍片结构的阵列时，所述鳍片结构之间保留部分厚度的所述导热生长层，或所述鳍片结构之间的所述导热生长层被完全去除以显露所述导热基底。
[0011]可选地，所述导热生长层包括单晶AlN薄膜及多晶AlN薄膜中的一种。
[0012]可选地，所述单晶AlN薄膜或所述多晶AlN薄膜的形成方法包括物理气相沉积工艺PVD、脉冲激光沉积工艺PLD、分子束外延工艺MBE、金属有机物化学气相沉积工艺MOCVD、氢化物气相沉积工艺HVPE及物理气相输运工艺PVT中的一种。
[0013]可选地，所述高导热基底包括单晶硅、氮化镓、碳化硅、金刚石、氮化硅、氮化铝中的一种或两种以上的复合材料。
[0014]可选地，所述源电极层和所述漏电极层的材质包括钛、锆、钽、钨、金、银、铜、铝、钯、铂、镍、锑、铋、铟及铬中的至少一种。
[0015]可选地，所述栅介质层的材质包括二氧化硅和高K介质中的至少一种，所述高K介质的介电常数K大于3.9。
[0016]可选地，所述栅电极层的材质包括多晶硅、金属、金属硅化物中的至少一种。
[0017]可选地，所述二维材料单元包括单层二维材料及多层二维材料中的一种。
[0018]可选地，所述二维材料单元包括单晶二维材料。
[0019]可选地，所述二维材料单元的形成方法包括化学气相沉积工艺CVD、分子束外延工艺MBE、原子层沉积工艺ALD、物理气相输运工艺PVT、机械剥离工艺、湿法转移工艺及干法转移工艺中的一种。
[0020]可选地，还包括于所述导热生长层表面覆盖缓冲层，所述缓冲层包括HfO2，以降低二维晶体管的声子散射。
[0021]本专利技术还提供一种如上任意一项方案所述的二维晶体管阵列的制备方法所制备的二维晶体管阵列，包括：导热基底；导热生长层，形成于所述导热基底上；二维材料阵列，形成于所述导热生长层上，包含多个二维材料单元；源电极层、漏电极层、栅介质层及栅电极层，所述源电极层和漏电极层在水平方向上相隔设置，所述栅介质层设置于所述源电极层与所述漏电极层之间，所述栅电极层位于所述栅介质层上。
[0022]如上所述，本专利技术的二维晶体管阵列及其制备方法，具有以下有益效果：
[0023]本专利技术以高热导率的基底和高导热率的AlN等材料作为二维材料晶体管的衬底材料，可以将二维材料晶体管工作产生的焦耳热高效的传导出去，减弱器件工作时的升温，有利于维持二维材料沟道的高迁移率，获得较高的开态电流，降低门延迟，提升二维集成电路的工作速度。
[0024]由于AlN体材料价格昂贵，本专利技术在高导热基底上外延AlN层能够大幅降低生产成本，同时获得相似的散热效果。在AlN层上生长六方晶格二维材料如TMD类材料可以获得较高的二维材料薄膜质量，减少晶界缺陷。
[0025]本专利技术在单晶AlN层上制备的二维材料可以直接用于制备二维材料晶体管等器件，无需再进行转移过程，避免了二维材料在转移过程中产生的缺陷、残胶、掺杂等不利影响。
[0026]本专利技术的AlN鳍片结构使得在相同版图面积中能够排列更多的晶体管，提升电路
器件密度，有利于高性能集成电路的制备。
[0027]本专利技术可以对单晶AlN层进行图形化后再生长二维材料，分立岛状结构与鳍片结构的AlN层能够更有效减小生长工艺中AlN层与衬底之间热失配导致的应力，可有效提高所能承受的工艺温度并有利于获得较高的器件产率。
附图说明
[0028]所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。
[0029]图1～图7显示为本专利技术实施例1的二维晶体管阵列的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
[0030]图8显示本专利技术为实施例2的二维晶体管阵列的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
[0031]图9～图10显示为本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维晶体管阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1)提供一导热基底；2)于所述导热基底上形成导热生长层以及位于所述单晶导热层上的包括多个二维材料单元的阵列；3)于各二维材料单元上形成源电极层、漏电极层、栅介质层及栅电极层，所述源电极层和漏电极层在水平方向上相隔设置，所述栅介质层设置于所述源电极层与所述漏电极层之间，所述栅电极层位于所述栅介质层上。2.根据权利要求1所述的二维晶体管阵列的制备方法，其特征在于，步骤2)包括：于所述导热基底上形成导热生长层；于所述导热生长层上形成二维材料层；将所述二维材料层图形化以形成包括多个二维材料单元的阵列。3.根据权利要求1所述的二维晶体管阵列的制备方法，其特征在于：步骤2)包括：于所述导热基底上形成导热生长层；对所述导热生长层进行图形化，以在所述导热生长层中形成包含多个分立岛状结构的阵列或包含多个鳍片结构的阵列；于各分立岛状结构上形成二维材料单元，或于各鳍片结构的顶部和侧壁形成二维材料单元。4.根据权利要求3所述的二维晶体管阵列的制备方法，其特征在于：当所述导热生长层中形成包含多个分立岛状结构的阵列时，所述分立岛状结构之间保留部分厚度的所述导热生长层，或所述分立岛状结构之间的所述导热生长层被完全去除以显露所述导热基底；当所述导热生长层中形成包含多个鳍片结构的阵列时，所述鳍片结构之间保留部分厚度的所述导热生长层，或所述鳍片结构之间的所述导热生长层被完全去除以显露所述导热基底。5.根据权利要求1所述的二维晶体管阵列的制备方法，其特征在于：所述导热生长层包括单晶AlN薄膜及多晶AlN薄膜中的一种。6.根据权利要求5所述的二维晶体管阵列的制备方法，其特征在于：所述单晶AlN薄膜或所述多晶AlN薄膜的形成方法包括物理气相沉积工艺PVD、脉冲激光沉积工艺PLD、分子束外延工艺MBE、金属有机物化学气相沉积工艺MOCVD、氢化物气相沉积工艺HVPE及物理气相输运工艺PV...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冠宇，狄增峰，刘强，俞文杰，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：