一種層狀二硫化鉬場效應晶體管及其制備方法和應用與流程

本發明涉及電子器件技術領域，更具體地，涉及一種層狀二硫化鉬場效應晶體管及其制備方法和應用。

背景技術：

石墨烯等二維材料由于具有高遷移率(超過15000cm²/v·s)、高載流子濃度(可高達10¹³/cm²)、良好的力學性能、透明度高(可見波段≈97.7％)等優異的特性，被認為是下一代半導體材料而被廣泛關注。但是石墨烯不存在帶隙，因此其場效應晶體管開關比低，限制了其電子器件的應用。

層狀二硫化鉬(mos2)二維半導體材料，其單層能帶結構為直接帶隙，帶隙為1.8ev，而多層的能帶為間接帶隙，帶隙為1.2ev，解決了二維材料中0帶隙的問題而被廣泛關注。同時層狀二硫化鉬具有單層或少層厚度導電溝道，較高的比表面積，因此在高密度集成中克服短溝道效應及利用氣體分子與其場效應晶體管溝道的強相互作用實現超高靈敏氣體傳感器等方面，具有巨大的潛在應用價值，其器件示意圖如圖1所示。但是，由于天然二硫化鉬晶體材料中本身硫空位的存在，使二硫化鉬有較高的自摻雜濃度和電子濃度，展現為常開態(0柵壓下為開態)，導致其場效應晶體管需要施加較高的負柵壓才能實現截止關態，即開啟電壓一般處于-60v到-40v之間(二氧化硅為介電層時)。如此高的開啟電壓，限制了層狀二硫化鉬場效應器件及氣體傳感器等方面的應用，因此實際應用中亟需要降低二硫化鉬場效應晶體管開啟電壓。

在現有技術中，參見leong,w.s.等，tuningthethresholdvoltageofmos2field-effecttransistorsviasurfacetreatment.,nanoscale，7卷，第24期，10823-10831頁，在真空環境中，將硫粉與二硫化鉬置于同一爐管內高溫退火2小時以上，通過填補二硫化鉬中的硫空位降低摻雜濃度來實現減小電子濃度，并降低二硫化鉬場效應晶體管的開啟電壓。然而在上述技術顯而易見非常有局限性，首先退火摻雜很容易改變器件界面結構，很可能降低場效應器件性能；其次，上述過程需要較高溫度，操作復雜，且由于很難完全填補硫空位，使得對開啟電壓調控能力弱，該文章中只能調控至-20v，但依舊難以滿足實際應用中低電壓的需求。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是如何降低二硫化鉬場效應晶體管的開啟電壓，使開啟或閾值電壓接近零伏，以滿足實際應用中低工作電壓的需求。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種層狀二硫化鉬場效應晶體管，在該場效應晶體管的層狀二硫化鉬表面覆蓋f4-tcnq分子層。

本發明將有機小分子f4-tcnq覆蓋于二硫化鉬片層上，二硫化鉬層中由硫空位自摻雜的電子將自發注入到f4-tcnq分子中形成局域電子，從而降低二硫化鉬片層中的自由電子濃度，如圖3所示。因此只需要較低的負柵壓就可使器件處于截止關態，即實現較低的開啟電壓。

在一個優選實施方式中，f4-tcnq分子層的厚度為5-20nm，優選為6-15nm，進一步優選為10nm。

在一個優選實施方式中，層狀二硫化鉬層的厚度為0.6-20nm。

在一個優選實施方式中，使用真空蒸鍍在層狀二硫化鉬表面覆蓋f4-tcnq分子層。

在二硫化鉬表面真空蒸鍍f4-tcnq層的場效應晶體管的開啟電壓大幅降低，對比未覆蓋f4-tcnq層的場效應晶體管的開啟電壓，至少降低90％，調控后的開啟電壓可降至約為-5v。同時，真空蒸鍍f4-tcnq降低了場效應晶體管的亞閾值擺幅，至少降低50％，提高了場效應晶體管的開啟速度。

其中，真空蒸鍍的工作參數可以為：真空度為1×10^-5pa-9×10^-5pa，真空蒸鍍的速度為0.05-0.3nm/s。

更優選地是，真空蒸鍍的工作參數為：真空度為2×10^-5pa-5×10^-5pa；真空蒸鍍的速度為0.1-0.2nm/s。

在本發明中，二硫化鉬場效應晶體管可以為本領域中任意含有層狀二硫化鉬片層的場效應晶體管，只需要在上述場效應晶體管的二硫化鉬表面真空蒸鍍f4-tcnq層即可實現降低開啟電壓的功效。

在一個優選實施方式中，二硫化鉬場效應晶體管還可以包括：自下而上依次為柵極、二氧化硅層、二硫化鉬層以及覆蓋于二硫化鉬表面的金屬源極和金屬漏極，如圖2所示。

其中，f4-tcnq分子層可以覆蓋在含有電極的二硫化鉬表面，也可以覆蓋在不含有電極的二硫化鉬表面。

其中，二氧化硅層可以為sio2/si復合襯底。優選為在其表面熱氧化形成有200-300nm厚sio2的si襯底。

其中，金屬源極和金屬漏極也可以使用真空蒸鍍來覆蓋在二硫化鉬上，真空蒸鍍的參數可以為：真空度為1×10^-5pa-5×10^-5pa，速度為0.005nm/s-0.05nm/s。

本發明二硫化鉬場效應晶體管可以使用本領域中常用的方法制得，以保證在二硫化鉬表面真空蒸鍍f4-tcnq層即可。

本發明的另一方面，還提供了上述二硫化鉬場效應晶體管的制備方法，包括：

1)制備二硫化鉬場效應晶體管；

2)在二硫化鉬表面真空蒸鍍f4-tcnq層。

在一個優選實施方式中，步驟1)具體可以為：

通過機械剝離法在含有柵極的二氧化硅層上獲得二硫化鉬層，利用電子束曝光制備電極圖案，在1×10^-5pa-5×10^-5pa下，以0.005nm/s-0.05nm/s的速度真空蒸鍍au/cr，得到二硫化鉬場效應晶體管。其中，真空度優選為3×10^-5pa，上述真空蒸鍍速度優選為0.01nm/s。

在一個優選實施方式中，au/cr的厚度為30-50nm/6-10nm，優選為40nm/8nm。

在一個優選實施方式中，上述二硫化鉬場效應晶體管的制備方法，包括：

1)通過機械剝離法在含有柵極的二氧化硅層上獲得二硫化鉬層，利用電子束曝光制備電極圖案，在1×10^-5pa-5×10^-5pa下，以0.005nm/s-0.05nm/s的速度真空蒸鍍au/cr，得到二硫化鉬場效應晶體管；

2)在上述二硫化鉬場效應晶體管上，在1×10^-5pa-9×10^-5pa真空度下以0.05-0.3nm/s的速度真空蒸鍍5-20nmf4-tcnq層。

另外，由于f4-tcnq電負性強，而nh3易被氧化失去電子，當nh3接觸摻雜f4-tcnq的mos2場效應晶體管，f4-tcnq分子會奪取nh3分子的電子，抑制了電子從二硫化鉬向f4-tcnq的注入，使得mos2場效應晶體管的開啟電壓產生移動。利用這一性質，可以實現低柵壓下mos2場效應晶體管的nh3傳感器的功能。

即本發明的再一個方面，提供了上述二硫化鉬場效應晶體管或上述二硫化鉬場效應晶體管的制備方法在制備低柵壓nh3傳感器中的應用。

其中，低柵壓可低至－5v。

同時，使用本發明的二硫化鉬效應晶體管制備的nh3傳感器，其1000ppm的靈敏度達到約670000％。

本發明將最低未占據軌道遠低于二硫化鉬導帶的有機小分子材料f4-tcnq真空低溫蒸鍍于二硫化鉬上，使得二硫化鉬自摻雜的電子可以自發注入至f4-tcnq，降低了二硫化鉬本身的電子濃度，達到降低二硫化鉬場效應晶體管的開啟電壓的目的，調控后的開啟電壓約為-5v。

附圖說明

圖1為現有技術中二硫化鉬場效應晶體管器件示意圖；

圖2為根據本發明一個優選實施方式中摻雜f4-tcnq的二硫化鉬場效應晶體管示意圖；

圖3為根據本發明的mos2和f4-tcnq的能級示意圖；

圖4為根據本發明實施例1中摻雜f4-tcnq和不摻雜的mos2場效應晶體管轉移曲線圖；

圖5為根據本發明實施例1中摻雜f4-tcnq的mos2場效應晶體管的nh3傳感測量圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

以下通過實例對本方案進行詳細描述。以下實例中，f4-tcnq從sigma-aldrich商購獲得，純度為99％，mos2是從spi商購獲得的天然h-相材料，真空蒸鍍儀購于bocedwards公司，型號為auto306，真空探針臺購于lakeshore公司。

實施例1

通過機械剝離法在sio2/si襯底上獲得mos2，利用電子束曝光制備電極圖案。在3×10^-5pa情況下以0.01nm/s的速度真空蒸鍍40nm/8nmau/cr，獲得mos2場效應晶體管。然后在mos2場效應晶體管上，于3×10^-5pa真空度下以0.1nm/s的速度真空蒸鍍10nmf4-tcnq，如圖2所示。在真空探針臺中對器件進行測量，其轉移曲線如圖4所示。可以看出不摻雜的mos2場效應晶體管的開啟電壓為-60v，摻雜f4-tcnq后的開啟電壓大幅降低，約為-5v。并且摻雜f4-tcnq降低了器件的亞閾值擺幅，從2.14v/decade減少到0.91v/decade，提高了器件的開啟速度。

實施例2

進一步進行了nh3傳感器的測量，向探針臺真空腔室內通入定量的nh3，測量傳感器的靈敏度，如圖5所示。可以看出，該方案制備的mos2場效應晶體管可以作為低柵壓(-5v)的nh3傳感器，其1000ppm的靈敏度達到約670000％，遠高于現有技術中報道的60％的靈敏度(如late,d.j.etal.sensingbehaviorofatomicallythin-layeredmos2transistors.acsnano，7卷，第6期，4879-4891頁)，證明本發明具有制備優異的傳感器的潛在應用價值。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。