本發(fā)明涉及二維納米材料制備及其場效應(yīng)晶體管的制備方法，主要是利用范德瓦耳斯力將二種不同的二維晶體組成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，利用該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)電溝道材料制備場效應(yīng)晶體管，該器件適用于集成電路等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

ic工業(yè)中隨著器件尺寸越來越小，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體已經(jīng)逐步接近材料本身的物理極限。硅基微電子技術(shù)愈來愈受到短溝道效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)，功率損耗等因素的挑戰(zhàn)，急需找到能夠替代硅的下一代半導(dǎo)體材料。

隨著2004年石墨烯的發(fā)現(xiàn)，開始掀起一陣研究二維材料的浪潮。當(dāng)過渡金屬二硫化物(tmdcs)由體材料變?yōu)槎S結(jié)構(gòu)時(shí)，電子的能帶結(jié)構(gòu)會(huì)由間接帶隙變?yōu)橹苯訋?，這會(huì)使過渡金屬二硫化物的光學(xué)和電學(xué)性能發(fā)生很大的變化，被譽(yù)為半導(dǎo)體界的“石墨烯”。二維材料以其超薄的材料厚度，載流子遷移率和帶隙寬度可調(diào)控，超高的光吸收系數(shù)、良好的導(dǎo)電性、非常好的機(jī)械強(qiáng)度、延展性、柔性、不同材料之間不需要嚴(yán)格的晶格匹配等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體高效率的太陽能電池、光探測器、電子及光電子器件應(yīng)用方面展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力。

這其中，像過渡金屬二硫化物中的二硫化鉬、二硫化鎢和二硫化錫等具有較寬帶隙有利于克服器件的短溝道效應(yīng)，制備出更小尺寸的器件；材料具有層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間僅靠微弱的范德瓦耳斯力結(jié)合在一起，容易通過機(jī)械剝離法制備成二維材料。

更為重要的是，這些二維晶體可以用于制備新型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且不同材料之間可以靠范德瓦爾斯力結(jié)合在一起，不需要嚴(yán)格的晶格匹配，并從根本上給材料科學(xué)帶來革命性的進(jìn)展。

現(xiàn)階段場效應(yīng)晶體管制備工藝需要經(jīng)過襯底材料熱生長，摻雜等多道復(fù)雜工藝，而且對于襯底與生長材料之間的晶格匹配要求嚴(yán)格。本專利意在提供一種工藝流程簡單，對襯底和不同材料間晶格匹配要求低，不需要進(jìn)行材料摻雜等工藝，而是利用范德瓦耳斯力將二種不同的二維晶體組成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，再利用該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)電溝道材料制備場效應(yīng)晶體管及其制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述問題，本發(fā)明提供了一種場效應(yīng)晶體管的制備方法：

步驟一，二維晶體的制備：將pet貼膜剪成兩個(gè)2×5cm的長方形狀，將高純度晶體(石墨或硫化物晶體)置于兩片pet膜粘性面之間，使兩片pet膜不斷接觸和分離達(dá)到使晶體變薄的目的。然后將pet膜粘性面與pdms(聚二甲基硅氧烷)接觸再將pet膜緩慢揭開，一部分晶體轉(zhuǎn)移到pdms上，實(shí)現(xiàn)單層或少層石墨烯或二維硫化物晶體樣品的制備。

步驟二，二維石墨烯和硫化物的篩選、轉(zhuǎn)移：取步驟一中帶有晶體的pdms，將其放到顯微鏡下觀察，利用光學(xué)顯微鏡的對比度篩選出想要的二維晶體。然后轉(zhuǎn)移二維硫化物晶體，將pdms與硅襯底接觸，再將pdms緩慢揭開，這樣二維硫化物晶體就轉(zhuǎn)到了硅襯底上。

步驟三，借助于光學(xué)顯微鏡，將獲得的少層石墨烯覆蓋在少層二維硫化物晶體上，利用范德瓦耳斯力將少層石墨烯和少層二維硫化物晶體結(jié)合在一起組成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

步驟四，場效應(yīng)晶體管的制備：取步驟二中找到薄層的硅襯底，用丙酮溶液浸泡，然后再快速旋涂一層pmma光刻膠，將涂好光刻膠的硅片放入熱板上烘烤。將硅襯底放上掩膜版，用電子束曝光機(jī)進(jìn)行電極的曝光。用質(zhì)量比為1:3的甲基異丁酮和異丙醇混合液作為顯影液顯影，并用ipa定影后用干燥氮?dú)獯蹈?。電子束蒸發(fā)在襯底和二種不同的二維晶體組成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)上沉積金屬薄膜電極層。

所述步驟一中，1)使用的原材料為高純度的石墨或硫化物體材料；2)其中pdms為將184有機(jī)硅彈性體套件中基底與愈合劑按照10:1的比例混合而成，使用前先用透明膠帶撕去上面幾層保證其表面潔凈；3)其中pet貼膜為生活中使用的pet材質(zhì)手機(jī)膜，其粘性較弱容易克服高純度的石墨或硫化物體晶體間微弱的范德瓦爾斯力；4)pet膜接觸和分離的次數(shù)由以下決定，直到肉眼觀察晶體厚度變薄并且均勻鋪滿pet膜表面，增大剝離出單層或少層的概率。所述步驟二中，所使用的光學(xué)顯微鏡為配備xy方向移動(dòng)平臺(tái)的型號(hào)。所述步驟三中，主要依靠高倍光學(xué)顯微鏡和pdms的透光特性，實(shí)現(xiàn)石墨烯與二維硫化物異質(zhì)結(jié)的精確組裝；所述步驟四中，旋涂光刻膠速度為5000轉(zhuǎn)每分鐘，厚度為200納米；烘烤溫度為180攝氏度，時(shí)間1分鐘；顯影液顯影時(shí)間為40秒，定影時(shí)間為30秒；電子束蒸發(fā)沉積的金屬電極為鈦和金。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明先是在pdms襯底上利用機(jī)械剝離法制備的二維石墨烯和硫化物晶體，組成二維異質(zhì)結(jié)后，將其轉(zhuǎn)移到硅襯底上，再利用其制備場效應(yīng)晶體管。二維晶體及其異質(zhì)節(jié)的制備操作簡單、快速、成本低，同時(shí)不需要經(jīng)過摻雜工藝，保留了材料自身固有性質(zhì)。利用二維石墨烯和硫化物納米級別的厚度特性，可以有效減小器件尺寸。

本發(fā)明經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出一種行之有效的制備方法，相比于現(xiàn)有晶體管的制備方法，不僅工藝簡單，而且對襯底的要求更低，同時(shí)材料本身超薄的特性，可以構(gòu)建垂直結(jié)構(gòu)的器件，減小器件尺寸。

附圖說明

圖1：二維硫化物制備和轉(zhuǎn)移示意圖(a)制備過程(b)轉(zhuǎn)移過程（二維晶體異質(zhì)結(jié)制備示意圖(a)二維晶體制備過程(b)二維晶體異質(zhì)結(jié)組裝過程）；

圖2：二硫化錫表征圖(a)原子力顯微鏡表征圖(b)晶體管光鏡圖；

圖3：二維硫化物晶體管光鏡圖(a)氮化硼為絕緣層的二硒化鉬晶體管

(b)二硒化鉬晶體管(c)三硫化二砷晶體管；

圖4：場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。

實(shí)施實(shí)例一

步驟一，首先制備二維石墨烯和二硫化錫晶體：其步驟如圖1(a)所示，將pet貼膜剪成兩個(gè)2×5cm的長方形狀，將高純度石墨或二硫化錫晶體置于兩片pet膜粘性面之間，使兩片pet膜不斷接觸和分離，直到肉眼觀察晶體厚度變薄并且均勻鋪滿pet膜表面；在使用前先用透明膠帶撕去pdms上面幾層保證其表面潔凈；然后將pet膜粘性面與pdms接觸再將pet膜緩慢揭開，一部分晶體轉(zhuǎn)移到pdms上，實(shí)現(xiàn)二維石墨烯和二硫化錫晶體樣品的制備。

步驟二，二維石墨烯和二硫化錫晶體的篩選、轉(zhuǎn)移：取步驟一中帶有晶體的pdms，將其放到500倍的顯微鏡下觀察，利用光學(xué)顯微鏡的對比度篩選出想要的二維晶體；然后轉(zhuǎn)移其中的二硫化錫樣品，其步驟如圖1(b)所示，將pdms與硅襯底接觸，再將pdms緩慢揭開，這樣二維二硫化錫晶體就轉(zhuǎn)到了硅襯底上；

步驟三，利用高倍顯微鏡和位移臺(tái)，將帶有石墨烯的pdms緩慢靠近帶有二維二硫化錫的硅襯底，利用高倍顯微鏡和pdms的透光特性精確的將獲得的特定位置的少層石墨烯覆蓋在少層二維二硫化錫晶體上，利用范德瓦耳斯力將少層石墨烯和少層二維硫化物晶體結(jié)合在一起組成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

步驟四，基于二維石墨烯和二硫化錫異質(zhì)節(jié)晶體管的制備：其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，制備出的基于二維石墨烯和二硫化錫異質(zhì)節(jié)晶體管在光鏡下圖像如圖2(b)所示；用丙酮溶液浸泡帶有薄層材料的硅片；快速旋涂一層pmma光刻膠，速度為5000轉(zhuǎn)每分鐘，厚度為200納米；將涂好光刻膠的硅片放入熱板上烘烤，烘烤溫度為180攝氏度，時(shí)間1分鐘；將硅片放上掩膜版，用電子束曝光機(jī)進(jìn)行電極的曝光；用質(zhì)量比為1:3的甲基異丁酮和異丙醇混合液作為顯影液顯影，并用ipa定影后用干燥氮?dú)獯蹈桑@影液顯影時(shí)間為40秒，定影時(shí)間為30秒；電子束蒸發(fā)在襯底和基于二維石墨烯和二硫化錫異質(zhì)節(jié)上沉積金屬薄膜電極層，電子束蒸發(fā)沉積的金屬電極為5納米厚的鈦和60納米厚的金。

實(shí)施實(shí)例二

步驟一，首先制備二維石墨烯和二維二硫化鉬晶體，其步驟如圖1(a)所示，將pet貼膜剪成兩個(gè)2×5cm的長方形狀，將高純度石墨或二硫化鉬晶體置于兩片pet膜粘性面之間，使兩片pet膜不斷接觸和分離，直到肉眼觀察晶體厚度變薄并且均勻鋪滿pet膜表面；在使用前先用透明膠帶撕去pdms上面幾層保證其表面潔凈；然后將pet膜粘性面與pdms接觸再將pet膜緩慢揭開，一部分晶體轉(zhuǎn)移到pdms上，實(shí)現(xiàn)二維石墨烯和二硫化鉬晶體樣品的制備。

步驟二，二維二硫化鉬的篩選、轉(zhuǎn)移：取步驟一中帶有晶體的pdms，將其放到500倍的顯微鏡下觀察，利用光學(xué)顯微鏡的對比度篩選出想要的二維晶體，篩選的樣品大概4層左右；然后轉(zhuǎn)移樣品，其步驟如圖1(b)所示，事先將一層厚的hbn(六角氮化硼)轉(zhuǎn)移到硅襯底上作為絕緣層，將pdms與覆蓋hbn的硅襯底接觸，再將pdms緩慢揭開，這樣二維晶體就轉(zhuǎn)到了硅襯底上。

步驟三，借助于光學(xué)顯微鏡，將獲得的少層石墨烯覆蓋在少層二維二硫化鉬晶體上，利用范德瓦耳斯力將少層石墨烯和少層二維步驟三，借助于光學(xué)顯微鏡，將獲得的少層石墨烯覆蓋在少層二維二硫化鉬晶體上，利用范德瓦耳斯力將少層石墨烯和少層二維二硫化鉬晶體結(jié)合在一起組成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)合在一起組成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

步驟四，基于二維石墨烯和二硫化鉬異質(zhì)節(jié)晶體管的制備：其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，制備出的基于二維石墨烯和二硫化鉬異質(zhì)結(jié)在光鏡下圖像如圖3(a)所示；用丙酮溶液浸泡帶有薄層材料的硅片；快速旋涂一層pmma光刻膠，速度為5000轉(zhuǎn)每分鐘，厚度為200納米；將涂好光刻膠的硅片放入熱板上烘烤，烘烤溫度為180攝氏度，時(shí)間1分鐘；將硅片放上掩膜版，用電子束曝光機(jī)進(jìn)行電極的曝光；用質(zhì)量比為1:3的甲基異丁酮和異丙醇混合液作為顯影液顯影，并用ipa定影后用干燥氮?dú)獯蹈?，顯影液顯影時(shí)間為40秒，定影時(shí)間為30秒；電子束蒸發(fā)在襯底和基于二維石墨烯和步驟三，借助于光學(xué)顯微鏡，將獲得的少層石墨烯覆蓋在少層二維二硫化鉬晶體上，利用范德瓦耳斯力將少層石墨烯和少層二維二硫化鉬晶體結(jié)合在一起組成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)上沉積金屬薄膜電極層，電子束蒸發(fā)沉積的金屬電極為10納米厚的鈦和60納米厚的金。

實(shí)施實(shí)例三

步驟一，首先制備二維石墨烯和二硒化鉬晶體，其步驟如圖1(a)所示，將pet貼膜剪成兩個(gè)2×5cm的長方形狀，將二高純度石墨或二硒化鉬晶體置于兩片pet膜粘性面之間，使兩片pet膜不斷接觸和分離，直到肉眼觀察晶體厚度變薄并且均勻鋪滿pet膜表面；在使用前先用透明膠帶撕去pdms上面幾層保證其表面潔凈；然后將pet膜粘性面與pdms接觸再將pet膜緩慢揭開，一部分晶體轉(zhuǎn)移到pdms上，實(shí)現(xiàn)二維石墨烯和二硒化鉬晶體樣品的制備。

步驟二，二維二硒化鉬晶體的篩選、轉(zhuǎn)移：取步驟一中帶有晶體的pdms，將其放到500倍的顯微鏡下觀察，利用光學(xué)顯微鏡的對比度篩選出想要的二維二硒化鉬晶體，篩選的樣品大概3層左右；然后轉(zhuǎn)移樣品，其步驟如圖1(b)所示，將pdms與硅襯底接觸，再將pdms緩慢揭開，這樣二維晶體就轉(zhuǎn)到了硅襯底上。

步驟三，借助于光學(xué)顯微鏡，將獲得的少層石墨烯覆蓋在少層二維二硒化鉬晶體上，利用范德瓦耳斯力將少層石墨烯和少層二維二硒化鉬晶體結(jié)合在一起組成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

步驟四，基于二維石墨烯和二硒化鉬異質(zhì)節(jié)晶體管的制備：其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，制備出的基于二維石墨烯和二硫化鉬異質(zhì)結(jié)在光鏡下圖像如圖3(b)所示；用丙酮溶液浸泡帶有薄層材料的硅片；快速旋涂一層pmma光刻膠，速度為5000轉(zhuǎn)每分鐘，厚度為200納米；將涂好光刻膠的硅片放入熱板上烘烤，烘烤溫度為180攝氏度，時(shí)間1分鐘；將硅片放上掩膜版，用電子束曝光機(jī)進(jìn)行電極的曝光；用質(zhì)量比為1:3的甲基異丁酮和異丙醇混合液作為顯影液顯影，并用ipa定影后用干燥氮?dú)獯蹈?，顯影液顯影時(shí)間為40秒，定影時(shí)間為30秒；電子束蒸發(fā)在襯底和二維硫化物上沉積金屬薄膜電極層，電子束蒸發(fā)沉積的金屬電極為10納米厚的鈦和60納米厚的金。

實(shí)施實(shí)例四

步驟一，首先制備二維石墨烯和二維三硫化二砷晶體，其步驟如圖1(a)所示，將pet貼膜剪成兩個(gè)2×5cm的長方形狀，將二高純度石墨或三硫化二砷晶體置于兩片pet膜粘性面之間，使兩片pet膜不斷接觸和分離，直到肉眼觀察晶體厚度變薄并且均勻鋪滿pet膜表面；在使用前先用透明膠帶撕去pdms上面幾層保證其表面潔凈；然后將pet膜粘性面與pdms接觸再將pet膜緩慢揭開，一部分晶體轉(zhuǎn)移到pdms上，實(shí)現(xiàn)二維石墨烯和三硫化二砷晶體樣品的制備。

步驟二，二維三硫化二砷晶體的篩選、轉(zhuǎn)移：取步驟一中帶有晶體的pdms，將其放到500倍的顯微鏡下觀察，利用光學(xué)顯微鏡的對比度篩選出想要的二維晶體，篩選的樣品薄層區(qū)域大概4層左右；然后轉(zhuǎn)移樣品，其步驟如圖1(b)所示，將pdms與硅襯底接觸，再將pdms緩慢揭開，這樣二維三硫化二砷晶體就轉(zhuǎn)到了硅襯底上。

步驟三，三硫化二砷晶體管的制備：其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，制備出的三硫化二砷晶體管在光鏡下圖像如圖3(c)所示；用丙酮溶液浸泡帶有薄層材料的硅片；快速旋涂一層pmma光刻膠，速度為5000轉(zhuǎn)每分鐘，厚度為200納米；將涂好光刻膠的硅片放入熱板上烘烤，烘烤溫度為180攝氏度，時(shí)間1分鐘；將硅片放上掩膜版，用電子束曝光機(jī)進(jìn)行電極的曝光；用質(zhì)量比為1:3的甲基異丁酮和異丙醇混合液作為顯影液顯影，并用ipa定影后用干燥氮?dú)獯蹈?，顯影液顯影時(shí)間為40秒，定影時(shí)間為30秒；電子束蒸發(fā)在襯底和二維三硫化二砷上沉積金屬薄膜電極層，電子束蒸發(fā)沉積的金屬電極為5納米厚的鈦和60納米厚的金。