阅读说明：本技术 结型场效应晶体管及其制备方法 (Junction field effect transistor and preparation method thereof ) 是由 张胜利 周戬 程子超 高洁 宋秀峰 陈翔 于 2020-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种结型场效应晶体管及其制备方法。所述的结型场效应晶体管包括衬底、N型二硫化钨薄膜、P型InGeTe_3薄膜、源电极、漏电极和顶栅电极,N型二硫化钨薄膜设于衬底的表面,源电极与漏电极设于N型二硫化钨薄膜表面的两端,P型InGeTe_3薄膜设于N型二硫化钨薄膜表面且位于源电极与漏电极之间,顶栅电极设于P型InGeTe_3薄膜的表面且位于源电极与漏电极之间。本发明将WS_2和InGeTe_3应用于JFET中,通过调控P型InGeTe_3薄膜的电压来实现N型二硫化钨薄膜中耗尽区的宽度,实现沟道电导的调节,确保抑制界面缺陷的产生,减少界面态对载流子输运的影响,并借助JFET没有复杂介电工程的优势,降低器件的亚阈值摆幅,提高开关比和电流密度。(The invention discloses a junction field effect transistor and a preparation method thereof. The junction field effect transistor comprises a substrate, an N-type tungsten disulfide film and a P-type InGeTe 3 A film, a source electrode, a drain electrode and a top gate electrode, wherein the N-type tungsten disulfide film is arranged on the surface of the substrate, the source electrode and the drain electrode are arranged at two ends of the surface of the N-type tungsten disulfide film, and the P-type InGeTe is 3 The film is arranged on the surface of the N-type tungsten disulfide film and is positioned between the source electrode and the drain electrode, and the top gate electrode is arranged on the P-type InGeTe 3 The surface of the film is positioned between the source electrode and the drain electrode. WS of the invention 2 And InGeTe 3 Applied to JFET (junction field effect transistor) by regulating and controlling P-type InGeTe 3 The voltage of the film realizes the width of a depletion region in the N-type tungsten disulfide film, realizes the adjustment of channel conductance, ensures that the generation of interface defects is inhibited, and reduces the boundaryThe influence of the surface state on carrier transport is avoided, the advantage of no complex dielectric engineering of a JFET is utilized, the sub-threshold swing amplitude of the device is reduced, and the switching ratio and the current density are improved.)

结型场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种结型场效应晶体管及其制备方法，尤其涉及一种基于InGeTe₃和二硫化钨的结型场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

以WS₂和MoS₂为代表的二维过渡金属硫化物(TMDCs)由于具有原子级的厚度、可调节的带隙、无表面悬挂键，优越的机械性能，被认为是极具潜力的半导体材料，在光电、微电子、可穿戴柔性器件、军事信息等领域有广阔的应用前景。而InGeTe₃作为一种新型的、具有层状结构的三元材料由于其优异的物理化学性质，成为低维材料研究领域的一颗新星。在理论预测上，InGeTe₃材料从块体到单层均是直接半导体，且单层InGeTe₃直接带隙约为1.41eV，可见光吸收强，具有很高的电子载流子迁移率，可达3×10³cm²V^-1s^-1，在太阳能电池、光电探测器、场效应晶体管等应用领域具有广阔的前景(J.Mater.Chem.A,2017,5(36):19406-19415)。

近年来，随着硅基半导体工艺不断推进，晶体管尺寸已经接近物理极限，半导体器件面对着短沟道效应、漏栅极漏电流增大、功耗增大的挑战。金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)由于具有高阻抗、高工作效率、热稳定性好等的优势，被广泛应用于电子领域中。但是实际上，MOSFET氧化物电介质的质量严重限制了其电学性能和稳定性。相反，结场效应晶体管(JFET)通过改变具有反向偏置的p-n结的半导体沟道中的耗尽区来工作，因此不存在电介质或涉及相关的问题。同时，JFET具有器件尺寸小、低频噪声小和输入阻抗高等优点，在集成电路、光电探测器等领域具有广阔的应用前景。而在JFET中，由于栅极到沟道的电容远大于源极到沟道的电容，在没有复杂介电工程的情况下，JFET的亚阈值摆幅(SS)可以接近于60mV dec^-1的理想值，这也使得JFET在低功耗器件应用上的表现优于MOSFET。

目前已有文献报道将二维材料异质结制成JFET，应用于光电和低功耗器件的领域(Adv.Mater.,2019,1902962；ACS Appl.Mater.Interfaces,2018,10,29724-29729；NanoLett.,2016,16,1293-1298)。延世大学的Pyo Jin Jeon利用黑磷(BP)与ZnO材料构建异质结，制备得到的JFET虽然实现了逻辑电路的逆变器功能，但其开关电流比只有约10⁴，亚阈值摆幅平均大于300mV/dec，且稳定性一般(Nano Lett.,2016,16,1293-1298)。而同样在韩国延世大学的June Yeong Lim课题组等人，基于两种TMDCs材料(MoTe₂和MoS₂)构建JFET，虽然得到的器件迁移率较高，且亚阈值摆幅降低至204mV/dec，但是器件表现出来的最大开关电流比也仅有5×10⁴(NPJ 2D Mater.and Appl.,2018,2,37)。在现有的这些工作中，研究人员都是将一些较为传统的TMDC材料与金属氧化物半导体材料制成异质结，进一步构建JFET器件，缺少了在材料选择上的探索创新，且器件的性能表现一般。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于InGeTe₃和二硫化钨的结型场效应晶体管及其制备方法。本发明首次将无表面悬挂键的二维三元半导体材料InGeTe₃薄膜与二维WS₂薄膜结合，构建p-n结，将InGeTe₃/WS₂异质结加工为高性能的JFET，提高载流子迁移率，降低器件的亚阈值摆幅，改善器件的性能。

实现本发明目的的技术方案如下：

结型场效应晶体管，包括：衬底、N型二硫化钨薄膜、P型InGeTe₃薄膜、源电极、漏电极和顶栅电极。

上述结型场效应晶体管中，所述的N型二硫化钨薄膜设于衬底的表面，源电极与漏电极设于N型二硫化钨薄膜表面的两端，所述的P型InGeTe₃薄膜设于N型二硫化钨薄膜表面，且所述的P型InGeTe₃薄膜位于源电极与漏电极之间；顶栅电极设于P型InGeTe₃薄膜的表面，且顶栅电极位于源电极与漏电极之间。

本发明中，所述的衬底为本领域常规使用的绝缘衬底，包括但不限于SiO₂、Al₂O₃、BN、SiNx、AlN衬底，或者基底材料上沉积SiO₂、Al₂O₃、BN、SiNx、AlN作为衬底。所述的基底材料为本领域常规使用的材料，包括但不限于Si或塑料(PET)。

进一步的，所述的N型二硫化钨薄膜，其厚度为1nm～200nm，更优选为1nm～50nm。

进一步的，所述的P型InGeTe₃薄膜，其厚度为1nm～200nm，更优选为50nm～100nm。

进一步的，所述的源电极、所述的漏电极和所述的顶栅电极为本领域常规使用的源电极、漏电极和顶栅电极，为Cr、Ti、Ni、Au、Pd、Pt、Ag中的一种或者多种的组合，其厚度为40nm～100nm。

本发明还提供上述结型场效应晶体管的制备方法，包括下述步骤：

步骤(1)，在衬底上制备N型二硫化钨薄膜；

步骤(2)，在PDMS上，制备InGeTe₃薄膜；

步骤(3)，将步骤(2)制备的InGeTe₃薄膜转移到步骤(1)制备的N型二硫化钨薄膜上；

步骤(4)，在步骤(3)制得的带有InGeTe₃薄膜和二硫化钨薄膜的衬底上制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形，并对源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形进行金属沉积后得到源电极、漏电极和顶栅电极。

具体的，步骤(1)中，采用机械剥离的方法在衬底上制备N型二硫化钨薄膜。

具体的，步骤(2)中，在PDMS上制备InGeTe₃薄膜的方法为：在载玻片的上表面贴附表面平滑的PDMS膜，并准备好通过机械剥离获得的带有InGeTe₃样品的胶带，将胶带紧密粘附在PDMS膜上使InGeTe₃样品接触PDMS膜，取下胶带，InGeTe₃薄膜即附着在PDMS膜上。

具体的，步骤(3)中，将InGeTe₃薄膜转移到二硫化钨薄膜方法为：旋转载玻片，使载有InGeTe₃薄膜的PDMS膜朝向下，并将载玻片安装在三维位移平台上；通过显微镜观察，将InGeTe₃薄膜对准将要转移的目标，通过三维位移平台将PDMS膜逐渐靠近并使InGeTe₃薄膜接触二硫化钨薄膜，同时对衬底加热并逐渐升起载玻片，使InGeTe₃薄膜与PDMS膜分离，InGeTe₃薄膜压在二硫化钨薄膜上。

具体的，步骤(4)中，采用光刻技术、电子束曝光技术或激光直写技术的方法制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形。

具体的，步骤(4)中，采用电子束蒸镀技术、热蒸镀技术、磁控溅射技术或脉冲激光沉积技术的方法进行金属沉积得到源电极、漏电极和顶栅电极。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用转移法将无表面悬挂键的WS₂和InGeTe₃等二维半导体制备JFET，确保了抑制界面缺陷的产生，保证界面的纯度，减少了界面态对载流子输运的影响，并借助JFET没有复杂介电工程的优势，进而提高了器件的开关比(大于10⁵)，降低了亚阈值摆幅SS(约200mV/dec)，在低功耗高性能器件的应用上表现出较大优势。

附图说明

图1是本发明的基于InGeTe₃和二硫化钨的结型场效应晶体管的结构示意图；图中：1、衬底；2、二硫化钨薄膜；3、InGeTe₃薄膜；4、源电极；5、漏电极；6、顶栅电极。

图2是实施例制备得到的基于InGeTe₃和二硫化钨的结型场效应晶体管的光学显微图；

图3是实施例制备得到的结型场效应晶体管电学输出特性图；

图4是实施例制备得到的结型场效应晶体管电学转移特性图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图多本发明作进一步详述。

图1是本发明的基于InGeTe₃和二硫化钨的结型场效应晶体管的结构示意图。所述的结型场效应晶体管包括：衬底层1、二硫化钨薄膜层2、InGeTe₃薄膜层3、源电极4、漏电极5、顶栅电极6，二硫化钨薄膜层2与InGeTe₃薄膜层3范德瓦尔斯接触，形成二硫化钨/InGeTe₃异质结。

实施例

本实施例中二硫化钨薄膜的厚度为10nm，InGeTe₃薄膜的厚度为150nm。

本实施例制备的结型场效应晶体管中，衬底为Si/SiO₂、源电极、漏电极和顶栅电极为Cr/Au，其厚度为Cr：10nm，Au：50nm。

具体制备过程为：

(1)选取热氧化硅片作为衬底，先分别使用乙醇、丙酮、去离子水水超声5min，然后在加热台上300℃热处理衬底1h，静止于干燥环境中保存；

(2)准备思高胶带，将WS₂的单晶在思高胶带上反复撕粘至胶带表面无明显起伏，然后将所述胶带粘贴在氧化硅衬底表面并压紧，6h后将胶带取下，即可在衬底表面获得所需的N型二硫化钨薄膜。

(3)在载玻片的上表面贴附表面平滑的PDMS(聚二甲基硅氧烷)膜，并准备好通过机械剥离获得的带有InGeTe₃样品的胶带，将胶带紧密粘附在PDMS膜上使InGeTe₃样品接触PDMS膜，取下胶带，InGeTe₃即附着在PDMS膜上。

(4)旋转载玻片，使载有InGeTe₃薄膜的PDMS膜朝向下，并将载玻片安装在三维位移平台上；通过显微镜观察，将InGeTe₃薄膜对准将要转移的目标，通过三维位移平台将PDMS膜逐渐靠近并使InGeTe₃薄膜接触二硫化钨薄膜，同时对衬底加热并逐渐升起载玻片，使InGeTe₃薄膜与PDMS膜分离，InGeTe₃薄膜压在二硫化钨薄膜上。

(5)然后，在衬底上旋涂光刻胶，利用电子束曝光技术制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形。采用电子束蒸镀技术对源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形均依次沉积Cr和Au膜。然后，将蒸镀了Cr与Au的衬底放在丙酮中清洗，去除光刻胶，再用异丙醇清洗掉残留的丙酮，用氮气枪吹干。得到基于InGeTe₃和二硫化钨的结型场效应晶体管，如图2所示。

本实施例制备的结型场效应晶体管利用二硫化钨作为沟道，InGeTe₃薄膜作为栅极，对该晶体管的电学性能进行测试，测试结果如图3、图4所示。由图3的基于InGeTe₃和二硫化钨的结型场效应晶体管的转移特性曲线可以看出，阈值电压为-1.4V，亚阈值摆幅为250meV/dec，开关比大于10⁵。由图4的结型场效应晶体管的输出特性曲线可以看出，器件在顶栅电压Vtg＝0.5V，0V，以及-0.5V情况下都表现出良好的电流饱和和尖锐的夹断特性。这说明利用利用InGeTe₃薄膜作为顶部栅极，很好地调控了N型二硫化钨沟道的耗尽区，使结型场效应晶体管表现出优异的电学特性。