一種低壓場效應晶體管的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種低壓場效應晶體管，包括柵區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)、溝道區(qū)和襯底，所述柵區(qū)位于所述溝道區(qū)的下方，所述柵區(qū)包括柵介質(zhì)和柵電極，所述柵電極位于所述柵介質(zhì)之下，所述柵介質(zhì)采用對離子導電、對電子絕緣的固態(tài)多孔材料作為柵介質(zhì)層，柵介質(zhì)與溝道區(qū)的界面形成一個理論厚度只有1nm的雙電層電容，所述所述源區(qū)和所述漏區(qū)位于所述溝道區(qū)的兩側(cè)，所述源區(qū)、所述漏區(qū)和所述柵區(qū)設置在所述襯底之上。本實用新型結(jié)構(gòu)設計合理，器件工作電壓大大減低；采用二維半導體材料制備溝道區(qū)，使得器件可以同時實現(xiàn)電子導電和空穴導電。
【專利說明】一種低壓場效應晶體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及微電子領(lǐng)域，具體涉及一種低壓場效應晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]過去五十多年里，以集成電路為基礎的信息技術(shù)突飛猛進，引發(fā)了人類生產(chǎn)和生活方式的巨大變革。但是隨著半導體器件的尺寸逐漸走向量子極限，傳統(tǒng)硅材料集成電路技術(shù)在未來二十年內(nèi)可能走到盡頭。因此尋找硅材料的替代品成為了全世界范圍內(nèi)的一個熱門研究課題。近年來，以MoS2為代表的二維層狀半導體材料作為溝道材料的場效應晶體管正受到越來越多的關(guān)注和研究，被認為是非常具有潛力的后硅時代材料。MoS2的寬帶隙(塊體為1.2eV，單層為1.8eV)為低靜態(tài)功耗、高開關(guān)比提供了可能。其次MoS2的二維平面性在與傳統(tǒng)半導體工藝兼容的基礎上，可以有效的抑制尺寸縮小引起的短溝道效應。
[0003]國際專利號:W02012/093360Al，“Semiconductordevice”(半導體器件)，該技術(shù)公開了以一種單層、雙層MoS2等二維半導體材料為溝道材料的場效應晶體管，該器件的電子遷移率達到200(^%'開關(guān)比達到108，其缺點是柵極工作電壓比較高(接近10V)，同時該器件只能實現(xiàn)η型導電。近來，一種以雙電層材料為柵介質(zhì)的MoS2場效應晶體管引起了廣泛關(guān)注，這類器件的柵介質(zhì)與溝道區(qū)的界面形成雙電層電容，該電容的厚度理論上僅為lnm，產(chǎn)生的電容比較大，通常比常規(guī)柵介質(zhì)材料高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍。由于其電容值很大，這類器件的工作電壓很低(1V-3V)，因此在低功耗、便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域具有很大的應用前景。例如:Yijin Zhang 等研究人員在題為 Ambipolar MoS2Thin Flake Transistors (Nanoletters 12，n0.3 (2012): 1136-1140)的文獻中提出了一種以少層MoS2為溝道材料，離子液體為柵介質(zhì)的雙極型場效應晶體管，該器件的工作電壓小于3V，且可以同時實現(xiàn)η型和P型導電。Jiang Pu 等研究人員在題為 Highly Flexible MoS2Thin-Film transistor with1n Gel Dielectrics.(Nano letters 12.8(2012):4013-4017)的文獻中提出了一種以少層MoS2為溝道材料，離子凝膠為柵介質(zhì)的柔性場效應晶體管，該器件的工作電壓小于2V，開關(guān)比達到105。上述文獻中均采用離子液體或有機聚合物作為柵介質(zhì)層，其缺點是不能與傳統(tǒng)半導體工藝兼容，器件的穩(wěn)定性差，同時器件的遷移率也比較低。
實用新型內(nèi)容
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本實用新型提供了一種與現(xiàn)有半導體工藝兼容的低壓場效應晶體管，結(jié)構(gòu)設計合理，器件的穩(wěn)定性大大提高。
[0005]本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，本實用新型所述低壓場效應晶體管，包括柵區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)、溝道區(qū)和襯底，所述柵區(qū)位于所述溝道區(qū)的下方，所述柵區(qū)包括柵介質(zhì)和柵電極，所述柵電極位于所述柵介質(zhì)之下，所述源區(qū)和所述漏區(qū)位于所述溝道區(qū)的兩側(cè)，所述源區(qū)、所述漏區(qū)和所述柵區(qū)設置在所述襯底之上，所述溝道區(qū)采用二維層狀半導體材料制成。
[0006]優(yōu)選地，所述二維層狀半導體材料的層數(shù)為I層到10層。二維半導體材料的層數(shù)選為1-10層是因為層數(shù)太多，會造成靜電屏蔽柵電極無法有效調(diào)控溝道區(qū)。
[0007]優(yōu)選地，所述柵介質(zhì)采用對電子絕緣、對離子導電且含有正、負兩種離子的無機多孔材料制成。
[0008]本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，設計合理，柵介質(zhì)可以使柵極工作電壓變低，同時溝道區(qū)采用單層二維半導體晶體，可以同時實現(xiàn)η型和P型導電。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下的有益效果:
[0010]本實用新型的低壓場效應晶體管在具備傳統(tǒng)雙電層低電壓、高載流子濃度優(yōu)點的前提下，結(jié)合二維層狀半導體薄層電荷屏蔽能力差的優(yōu)點，區(qū)別于基于塊體材料雙電層晶體管，可以使得器件同時呈現(xiàn)η型導電和P型導電。同時本實用新型的柵介質(zhì)材料采用無機材料，與傳統(tǒng)半導體工藝兼容，同時器件的穩(wěn)定性大大提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0012]圖1是本實用新型一較優(yōu)實施例的場效應晶體管的結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0013]圖2a和圖2b說明本實用新型場效應晶體管分別在正柵壓和負柵壓情況下工作原理圖；
[0014]圖3為本實用新型場效應晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實施例對本實用新型進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本實用新型的保護范圍。
[0016]如圖1所示，一種低壓場效應晶體管包括柵區(qū)20、源區(qū)40、漏區(qū)50、溝道區(qū)30和襯底10,柵區(qū)20位于溝道區(qū)30的下方,柵區(qū)包括柵介質(zhì)22和柵電極21,柵電極21位于柵介質(zhì)22之下，源區(qū)40和漏區(qū)50位于溝道區(qū)30的兩側(cè)，源區(qū)40、漏區(qū)50和柵區(qū)30均設置在所述襯底10之上。
[0017]所述溝道區(qū)采用二維層狀半導體材料制成，二維層狀半導體材料可以是MoS2、MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, GeS2, GeSe2, GeTe2, SnS2, SnSe2, SnTe2、PbS2、PbSe2、PbTe2、GaS、GaSe、GaTe、InS、InSe、InTe等。所述二維層狀半導體材料的層數(shù)為I層到10層。在本實施例中，溝道區(qū)30采用單層MoS2制成。
[0018]所述襯底材料為絕緣襯底，采用的絕緣材料如硅片、玻璃、石英、陶瓷、塑料、聚亞酰胺、聚對苯二甲酸乙二酯等。在本實施例中襯底10采用硅片。
[0019]所述柵介質(zhì)采用對電子絕緣、對離子導電且含有正、負兩種離子的無機多孔材料制成。所述正離子為鋰離子、鈉離子、鎂離子、鉀離子、鈣離子中一種或多種。所述負離子為氯離子、氫氧根離子中的一種或多種。所述無機多孔材料可以采用Si02、A1203、WO3> Ta2O5,HfO2, ZnO2, T12等。在本實施例中，柵介質(zhì)2采用多孔二氧化硅制成。
[0020]所述的源區(qū)、漏區(qū)和所述柵電極采用導體材料制成，導體材料可以是Au、Pt、T1、ITO等。在本實施例中，源區(qū)40、漏區(qū)50和柵電極21均采用ITO制成。
[0021]本實施例中，所述柵介質(zhì)的離子可以在電場作用下移動到柵介質(zhì)與溝道區(qū)、柵介質(zhì)與柵電極界面形成兩個雙電層電容。
[0022]如圖2a和圖2b所示，當柵電極電壓為正時，柵介質(zhì)中的正離子移動到柵介質(zhì)與溝道區(qū)界面形成雙電層，在溝道區(qū)中感應出電子；柵介質(zhì)中的負離子移動到柵介質(zhì)與柵電極界面形成雙電層。當柵電極電壓為負時，柵介質(zhì)中的負離子移動到柵介質(zhì)與溝道區(qū)界面形成雙電層，在溝道區(qū)中感應出空穴；柵介質(zhì)中的正離子移動到柵介質(zhì)與柵電極界面形成雙電層。
[0023]當柵電極上施加正電壓時(如圖2a)多孔二氧化硅柵介質(zhì)中的Cl—1離子被吸引到柵電極與柵介質(zhì)界面形成一個雙電層電容，Li1+離子移動到柵介質(zhì)與溝道區(qū)的界面形成一個雙電層電容，在單層MoS2中感應出電子。
[0024]當柵電極上施加負電壓時(如圖2b)多孔二氧化硅柵介質(zhì)中的Li1+離子被吸引到柵電極與柵介質(zhì)界面形成一個雙電層電容，CF1離子移動到柵介質(zhì)與溝道區(qū)的界面形成一個雙電層電容，在單層MoS2中感應出空穴。
[0025]如圖3所示的器件轉(zhuǎn)移特性曲線，本實用新型晶體管的工作電壓非常低(〈1.5V)，且同時可以實現(xiàn)電子與空穴導電。
[0026]本實施例中，器件尺寸不受限制，可以根據(jù)實際情況進行設計。上述無機多孔材料、導體材料、絕緣材料等材料均為現(xiàn)有材料。
[0027]本實用新型結(jié)構(gòu)設計合理，結(jié)構(gòu)簡單，采用少層的二維半導體材料制成溝道區(qū)，使得器件可以同時實現(xiàn)電子導電和空穴導電，大大提高器件的穩(wěn)定性；采用對離子導電、對電子絕緣的固態(tài)多孔材料制成柵介質(zhì)，能與傳統(tǒng)工藝兼容，且柵介質(zhì)與溝道區(qū)的界面形成一個理論厚度只有Inm的雙電層電容，使得器件工作電壓大大減低。
[0028]以上對本實用新型的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本實用新型并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本實用新型的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種低壓場效應晶體管，包括柵區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)、溝道區(qū)和襯底，其特征在于:所述柵區(qū)位于所述溝道區(qū)的下方，所述柵區(qū)包括柵介質(zhì)和柵電極，所述柵電極位于所述柵介質(zhì)之下，所述源區(qū)和所述漏區(qū)位于所述溝道區(qū)的兩側(cè)，所述源區(qū)、所述漏區(qū)和所述柵區(qū)設置在所述襯底之上，所述溝道區(qū)采用二維層狀半導體材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓場效應晶體管，其特征在于:所述二維層狀半導體材料的層數(shù)為I層到10層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓場效應晶體管，其特征在于:所述柵介質(zhì)采用對電子絕緣、對離子導電且含有正、負兩種離子的無機多孔材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的低壓場效應晶體管，其特征在于:所述的源區(qū)、漏區(qū)和所述柵電極采用導體材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的低壓場效應晶體管，其特征在于:所述襯底為絕緣襯底。
【文檔編號】H01L29/78GK204011435SQ201420317556
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】劉景全, 郭杰 申請人:上海交通大學