本發(fā)明屬半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于高k柵介質(zhì)的大面積二硫化鉬場效應(yīng)晶體管及其制備。

背景技術(shù)：

基于硅的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。根據(jù)摩爾定律，芯片的集成度每18個月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。硅材料的加工極限一般認(rèn)為是10納米線寬，利用尺寸不斷減小的硅基半導(dǎo)體材料來延長摩爾定律的發(fā)展道路逐漸接近終點。隨著集成電路技術(shù)按摩爾定律持續(xù)發(fā)展，集成度不斷提高，晶體管特征尺寸不斷縮小，硅材料逐漸接近其加工的極限。因此，隨著硅基材料集成電路的發(fā)展受到物理尺寸限制，目前急需制造出超越硅基材料物理尺寸限制的、體積更小的、性能更加優(yōu)異的場效應(yīng)晶體管器件，來適應(yīng)集成電路技術(shù)的發(fā)展，滿足生產(chǎn)生活的需要。

場效應(yīng)晶體管的性能受到兩個最重要因素的影響：一個是材料性質(zhì)，它決定了器件性能的潛力；另一個就是柵介質(zhì)材料，由于它與溝道材料直接接觸，因此柵介質(zhì)材料的性能會直接影響整個器件的性能。

一方面，為了進(jìn)一步提升器件的性能，必須采用新的具有高遷移率的半導(dǎo)體材料來取代傳統(tǒng)的硅溝道層。近年來，二硫化鉬(MoS₂)作為二維層狀過渡金屬硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體材料的典型代表，由于其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械等性能得到了越來越廣泛的關(guān)注研究，其體材料的禁帶寬度為1.2eV，而單層禁帶寬度可達(dá)1.8eV，這使得MoS₂在低靜態(tài)功耗和高開關(guān)比器件上具有良好的應(yīng)用前景。理論預(yù)測和實驗結(jié)果均表明，MoS₂具有很高的場效應(yīng)載流子遷移率，正是由于其較高的電子傳輸性使發(fā)展MoS₂基的晶體管和集成電路成為可能，并有可能取代硅基半導(dǎo)體材料成為新一代的主流半導(dǎo)體材料。

如，中國發(fā)明專利申請201410546599.9公開了一種基于二硫化鉬薄膜的PVDF基鐵電場效應(yīng)管的制備方法：采用機(jī)械剝離或化學(xué)氣相沉積的方法在285±5nm的SiO₂襯底上制備MoS₂薄膜，在熱氧化生長SiO₂的Si襯底上制備MoS₂薄膜，然后采用光刻、lift off方法刻蝕出場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的源漏電極，再將聚偏氟乙烯基有機(jī)鐵電聚合物薄膜轉(zhuǎn)移至有源漏電極的MoS₂薄膜上，經(jīng)過退火處理，去除界面殘留溶劑及保證薄膜具有良好結(jié)晶特性。最后再通過光刻、刻蝕方法制備金屬柵電極從而制備完成MoS₂鐵電場效應(yīng)晶體管器件。

另一方面，高性能的場效應(yīng)晶體管要求柵介質(zhì)材料具有絕緣性能好、介電常數(shù)高、抗擊穿能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好等特點。隨著集成電路的集成度不斷提高，MOSFET的特征尺寸不斷減小，相應(yīng)的柵氧化層厚度也不斷減小。如果仍采用傳統(tǒng)的二氧化硅(SiO₂)柵介質(zhì)材料，由電子隧穿效應(yīng)引起的柵極漏電流將隨柵氧化層厚度的減小呈指數(shù)規(guī)律急劇增加，增加到難以接受的水平，由此引起的高功耗和可靠性問題越來越嚴(yán)峻，從而使器件無法正常工作；同時過薄的柵氧化層也不足以擋住柵介質(zhì)襯底中雜質(zhì)的散射，造成閾值電壓漂移，影響器件性能。研究發(fā)現(xiàn)：二氧化鉿作為柵極介電質(zhì)材料因其具有良好的熱穩(wěn)定性、相對較高的介電常數(shù)、寬的帶隙，以及與硅具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越的性能，在保持電容密度不變的同時柵介質(zhì)可以有較大的厚度，從而進(jìn)一步縮小等效氧化層厚度，解決了二氧化硅因為接近物理厚度極限而產(chǎn)生的問題。因此，采用二氧化鉿(HfO₂)高介電常數(shù)介質(zhì)作為新型柵介質(zhì)獲得了廣泛的研究。

基于以上的考慮，研究人員非常希望能夠制備二氧化鉿(HfO₂)高介電常數(shù)介質(zhì)作為柵介質(zhì)的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管。但是，目前來看，在實際應(yīng)用中二氧化鉿存在界面不佳的問題，而對該界面形成的基本認(rèn)識仍然是不清晰并且有很多爭論，所以尚無文獻(xiàn)報道在二氧化鉿表面上直接生長二硫化鉬，現(xiàn)有技術(shù)中二氧化鉿柵介質(zhì)的場效應(yīng)晶體管，多是將其它方法生長的石墨烯或MoS₂轉(zhuǎn)移到二氧化鉿柵介質(zhì)上，如中國專利申請201110388714.0公開了一種場效應(yīng)晶體管及其制作方法，依次：在硅襯底上用原子層淀積方法形成一層HfO₂層作為底柵介質(zhì)層；采用微機(jī)械剝離制備MoS₂，再將MoS₂轉(zhuǎn)移到具有HfO₂層的硅襯底上；在源區(qū)和漏區(qū)制作源電極和漏電極；用原子層淀積方法形成一層HfO₂層作為頂柵介質(zhì)層?？梢?，在HfO₂底柵介質(zhì)層上的MoS₂溝道，是通過機(jī)械剝離制備MoS₂后轉(zhuǎn)移到具有HfO₂層的硅襯底上實現(xiàn)的。由于機(jī)械剝離方法制備的MoS₂的尺寸小、產(chǎn)量低、可重復(fù)性差、且定位困難，所得到的樣品厚度也不能控制，只能隨機(jī)挑選，而且制備工藝耗時久，難以實現(xiàn)MoS₂的大規(guī)模化生產(chǎn)和集成化加工。因此，基于高介電常數(shù)二氧化鉿(HfO₂)柵介質(zhì)的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管中，在HfO₂柵介質(zhì)上制備大面積、高質(zhì)量二硫化鉬，是目前的技術(shù)難點，也是實現(xiàn)二硫化鉬大規(guī)模集成電路的最大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有方法技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供基于高k柵介質(zhì)的大面積二硫化鉬場效應(yīng)晶體管及其制備，該基于高k柵介質(zhì)的大面積二硫化鉬場效應(yīng)晶體管具有良好的背柵柵壓調(diào)控特性，場效應(yīng)遷移率較之之前文獻(xiàn)中的背柵結(jié)構(gòu)的單層MoS₂-FET有顯著的提升，且制備所得MoS₂尺寸大、可重復(fù)性好、產(chǎn)量高、耗時短，可實現(xiàn)基于高k柵介質(zhì)的大面積二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的大規(guī)模制備和工業(yè)化生產(chǎn)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于高k柵介質(zhì)的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管，包括依次層疊的Si襯底、HfO₂柵介質(zhì)層和二硫化鉬導(dǎo)電溝道，以及在導(dǎo)電溝道上的金屬源電極和金屬漏電極，其中，所述HfO₂柵介質(zhì)層的薄膜表面粗糙度(即均方根粗糙度，RMS)為0.21～0.65nm；所述二硫化鉬導(dǎo)電溝道為單層的二硫化鉬三角片，其場效應(yīng)厚度為0.7～1.0nm；所述的金屬源電極為鉻/金堆疊結(jié)構(gòu)，所述的金屬漏電極為鉻/金堆疊結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述Si襯底的厚度為625μm±25μm。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述Si襯底為N型磷摻雜的單拋光硅襯底，(100)晶向，電阻率小于0.0015Ω.cm，厚度為625μm±25μm；

優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述HfO₂柵介質(zhì)層的厚度為50～120nm，最優(yōu)選為120nm。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，HfO₂柵介質(zhì)層表面粗糙度為0.65nm，厚度為120nm。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的二硫化鉬導(dǎo)電溝道的場效應(yīng)厚度為1.0nm。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述鉻/金堆疊結(jié)構(gòu)中，鉻層厚度為5～20nm，金層厚度為40～80nm；最優(yōu)選：鉻層厚度為5nm，金層厚度為50nm。

此外，本發(fā)明還提供了上述基于高k柵介質(zhì)的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟：

(1)依次使用丙酮、異丙醇、去離子水將Si襯底超聲清洗各10～30分鐘，再用氮氣槍吹干備用；

(2)在所述Si襯底上采用原子層沉積方法(ALD)的方式生長厚度可控的HfO₂作為高介電常數(shù)柵介質(zhì)層，HfO₂柵介質(zhì)層的薄膜表面粗糙度(即均方根粗糙度，RMS)為0.21～0.65nm：

(3)利用常壓化學(xué)氣相沉積法(CVD)在前述的HfO₂/Si上面直接生長單層的MoS₂三角片導(dǎo)電溝道，其場效應(yīng)厚度為0.7～1.0nm；

(4)采用電子束曝光工藝和電子束蒸發(fā)的方式，在所述MoS₂三角片導(dǎo)電溝道上制備金屬源漏電極，所采用的金屬為Cr/Au堆疊結(jié)構(gòu)，得到基于高k柵介質(zhì)的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管器件。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述Si襯底的厚度為625μm±25μm。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述Si襯底為N型磷摻雜的單拋光硅襯底，(100)晶向，電阻率小于0.0015Ω.cm，厚度為625μm±25μm；

優(yōu)選的技術(shù)方案中，HfO₂柵介質(zhì)層的厚度為50～120nm。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，HfO₂柵介質(zhì)層表面粗糙度為0.65nm，厚度為120nm。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，HfO₂柵介質(zhì)層由ALD方法生長制得，具體參數(shù)設(shè)置如下：分別使用TDMAH(四(二甲氨基)鉿)和氧等離子體作為鉿源和氧源，將鉿源加熱到70℃，腔體溫度為200℃，產(chǎn)生氧等離子體的氧等離子發(fā)生器的功率為200W，O₂的流量為150sccm，使用流量為20sccm的N₂作為載氣和沖洗氣體，脈沖順序和相應(yīng)時間分別為15s TDMAH、5s O₂、2s N₂。

設(shè)置不同的鍍膜循環(huán)數(shù)，制備所得HfO₂柵介質(zhì)層的厚度不同。換言之，通過調(diào)節(jié)鍍膜循環(huán)數(shù)，可以控制HfO₂柵介質(zhì)層的厚度。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的二硫化鉬導(dǎo)電溝道的場效應(yīng)厚度為1.0nm。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述單層二硫化鉬三角片導(dǎo)電溝道是根據(jù)以下步驟進(jìn)行常壓化學(xué)氣相沉積生長制得：

將3～6mg的MoO₃固體粉末放在石墨槽中作為鉬源，200～300mg的S固體粉末放在石英舟作為硫源，將步驟(2)得到的HfO₂/Si襯底作為生長基底倒扣在裝有MoO₃固體粉末的石墨槽上面，將所述石墨槽置于雙溫區(qū)管式爐(2英寸直徑石英管)的高溫區(qū)；

通入500～1000sccm氬氣(Ar)清洗石英管，持續(xù)30～60min，以排出石英管內(nèi)空氣；

調(diào)節(jié)氬氣(Ar)流量為50～100sccm，加熱20～30min使得所述雙溫區(qū)管式爐的兩個溫區(qū)同時到達(dá)其設(shè)定溫度(高溫區(qū)設(shè)定溫度為800℃，低溫區(qū)設(shè)定溫度為300℃)，此時利用磁力拉桿快速把S粉推進(jìn)所述雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)開始反應(yīng)，反應(yīng)時生長壓強(qiáng)為10⁵Pa，生長時間為3～5min；

反應(yīng)結(jié)束時，立即打開爐蓋，利用磁力拉桿快速把S粉拉出所述雙溫區(qū)管式爐的低溫區(qū)，將Ar流量調(diào)節(jié)到500～1000sccm，快速降溫。

優(yōu)選的技術(shù)方案中，鉻/金堆疊結(jié)構(gòu)中，鉻層厚度為5～20nm，金層厚度為40～80nm；最優(yōu)選鉻層厚度為5nm，金層厚度為50nm。

對于本發(fā)明的基于高k柵介質(zhì)的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管進(jìn)行性能測試，結(jié)果顯示：MoS₂與金屬電極之間形成了良好的歐姆接觸，晶體管背柵調(diào)控特性良好。在轉(zhuǎn)移曲線中，計算出的電流開關(guān)比為10⁶，場效應(yīng)遷移率約為9.75cm²V^-1S^-1。這一遷移率數(shù)值較之之前文獻(xiàn)(Li H,Yin Z,He Q,et al.Fabrication of Single-and Multilayer MoS₂ Film-Based Field-Effect Transistors for Sensing NO at Room Temperature[J].small,2012,8(1):63-67)中的背柵結(jié)構(gòu)的單層MoS₂-FET同樣在空氣中測量的10^-2級別的數(shù)值有非常大的提升。

本發(fā)明直接利用原子層沉積(ALD)的方式，在Si襯底上生長高介電常數(shù)(high-k)HfO₂柵介質(zhì)材料，這樣避免了MoS₂溝道下方SiO₂介質(zhì)散射的影響，進(jìn)一步提高M(jìn)oS₂的電子遷移率；該HfO₂柵介質(zhì)材料具有介電常數(shù)高、禁帶寬度大、絕緣性能良好、電擊穿強(qiáng)度高、低漏電流和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，使得柵介質(zhì)的厚度可以大大降低，減小器件的尺寸，并且使操作電壓大大下降，達(dá)到低功耗，從而達(dá)到提高器件電學(xué)性能的目的；這種高k柵介質(zhì)材料及其制備方法簡單可靠，制作工藝可應(yīng)用于規(guī)模化生產(chǎn)，與現(xiàn)有的大規(guī)模半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝匹配，很有希望取代現(xiàn)在的SiO₂形成廣泛應(yīng)用，從而對半導(dǎo)體、集成電路產(chǎn)業(yè)起到促進(jìn)作用。同時，本發(fā)明利用常壓化學(xué)氣相沉積法在HfO₂/Si襯底上直接生長大面積原子層厚度的MoS₂薄膜，然后直接在HfO₂/Si襯底上制備出以HfO₂作為背柵的背柵結(jié)構(gòu)的MoS₂場效應(yīng)晶體管，相對于另一種常用于制備超薄二維材料的機(jī)械剝離方法，該方法簡單可行，制取的MoS₂尺寸大、產(chǎn)量高、重復(fù)性好、耗時短，可用于大面積批量化生產(chǎn)基于高k柵介質(zhì)上MoS₂場效應(yīng)晶體管，實現(xiàn)基于高k柵介質(zhì)上MoS₂場效應(yīng)晶體管的大規(guī)模制備和工業(yè)化生產(chǎn)，可以延長摩爾定律的壽命，使發(fā)展MoS₂基的晶體管和大規(guī)模集成電路成為可能，并有可能取代硅基半導(dǎo)體材料在集成電路中的地位，成為新一代場效應(yīng)晶體管中的主流半導(dǎo)體材料。

與現(xiàn)有技術(shù)中的場效應(yīng)晶體管相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明的基于高k柵介質(zhì)的大面積MoS₂場效應(yīng)晶體管的制備方法，操作簡單、快速可靠、成本低、產(chǎn)量高、重復(fù)性好，易于大規(guī)?；可a(chǎn)，有望將MoS₂場效應(yīng)晶體管用于大規(guī)模集成電路；

(2)本發(fā)明的基于高k柵介質(zhì)的大面積MoS₂場效應(yīng)晶體管中，具有原子層厚度的單層MoS₂材料以及HfO₂柵介質(zhì)可以避免傳統(tǒng)SiO₂柵介質(zhì)的雜質(zhì)散射，提高了MoS₂的電子遷移率，從而改善其電學(xué)性能，同時使得柵介質(zhì)的厚度大幅降低，縮小晶體管特征尺寸，提高集成電路的集成度，解決集成電路受到物理尺寸限制而發(fā)展嚴(yán)重受限的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于高k柵介質(zhì)的MoS₂場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的一具體實施例中制備基于高k柵介質(zhì)的MoS₂場效應(yīng)晶體管中用于單層MoS₂生長的CVD裝置示意圖。

圖3為本發(fā)明的一具體實施例中基于高k柵介質(zhì)的MoS₂場效應(yīng)晶體管器件的SEM照片。

圖4為本發(fā)明的一具體實施例的基于高k柵介質(zhì)的MoS₂場效應(yīng)晶體管器件中HfO₂背柵介質(zhì)層的AFM照片。

圖5為本發(fā)明的一具體實施例的基于高k柵介質(zhì)的MoS₂場效應(yīng)晶體管器件中HfO₂背柵介質(zhì)層的SEM照片。

圖6為本發(fā)明的一具體實施例的基于高k柵介質(zhì)的MoS₂場效應(yīng)晶體管器件中單層二硫化鉬三角片導(dǎo)電溝道的AFM照片。

圖7為本發(fā)明的一具體實施例中基于高k柵介質(zhì)的MoS₂場效應(yīng)晶體管器件的與背柵電壓(V_g)相關(guān)的輸出特性曲線，源漏電流-源漏電壓(I_ds-V_ds)之間的線性關(guān)系。

圖8為本發(fā)明的一具體實施例中基于高k柵介質(zhì)的MoS₂場效應(yīng)晶體管器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(I_ds-V_g)，使用的偏置電壓(V_ds)為1.0V。

具體實施方式

為了更好地說明本發(fā)明，并方便理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)理解，下述的實施實例僅用于說明本發(fā)明，并不代表或限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。

以下實施例中所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市場購得的常規(guī)產(chǎn)品。

本發(fā)明的基于高k柵介質(zhì)的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括：依次層疊的Si襯底、高介電常數(shù)(high-k)的HfO₂柵介質(zhì)層、MoS₂導(dǎo)電溝道，以及在導(dǎo)電溝道上的金屬源電極和金屬漏電極。

其中，HfO₂柵介質(zhì)層的薄膜表面粗糙度(即均方根粗糙度，RMS)為0.21～0.65nm，厚度為50～120nm；二硫化鉬導(dǎo)電溝道為單層二硫化鉬三角片，其場效應(yīng)厚度為0.7～1.0nm；金屬源漏電極均為鉻/金堆疊結(jié)構(gòu)，鉻層厚度為5～20nm，金層厚度為40～80nm。

為了更加具體地說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下將給出二硫化鉬場效應(yīng)晶體管器件及其制備的一具體實例進(jìn)行闡述。

(1)依次使用丙酮、異丙醇、去離子水將Si襯底超聲清洗各30分鐘，以去除表面有機(jī)物等雜質(zhì)，再用氮氣槍吹干備用；

其中，Si襯底為N型磷摻雜的單拋光硅襯底，(100)晶向，電阻率小于0.0015Ω.cm，厚度為625μm±25μm；

(2)在前述Si襯底上采用原子層沉積(ALD)的方式生長厚度可控的HfO₂作為高介電常數(shù)柵介質(zhì)層，HfO₂柵介質(zhì)層的薄膜表面粗糙度(即均方根粗糙度，RMS)為0.65nm，厚度為120nm；具體參數(shù)設(shè)置如下：

分別使用TDMAH(四(二甲氨基)鉿)和氧等離子體作為鉿源和氧源，將鉿源加熱到70℃，腔體溫度為200℃，產(chǎn)生氧等離子體的氧等離子發(fā)生器的功率為200W，O₂的流量為150sccm，使用流量為20sccm的N₂作為載氣和沖洗氣體，脈沖順序和相應(yīng)時間分別為15s TDMAH、5s O₂、2s N₂，鍍膜循環(huán)數(shù)為1000循環(huán)(cycle)。根據(jù)測試結(jié)果計算，生長速率為0.12nm每循環(huán)(cycle)；

原子層沉積(ALD)在商業(yè)化的ALD系統(tǒng)中進(jìn)行，例如，德國Sentech公司制造的Sentech SI ALD原子層淀積系統(tǒng)；

(3)利用常壓化學(xué)氣相沉積法(CVD)在前述的HfO₂/Si上面直接生長單層的MoS₂三角片導(dǎo)電溝道，二硫化鉬導(dǎo)電溝道的厚度為1nm；具體步驟如下：

在如圖2所示的CVD裝置中按以下步驟進(jìn)行常壓化學(xué)氣相沉積生長MoS₂：

將5mg的MoO₃固體粉末放在石墨槽中作為鉬源，200mg的S固體粉末放在石英舟作為硫源，將步驟(2)得到的HfO₂/Si襯底作為生長基底倒扣在裝有MoO₃固體粉末的石墨槽上面，將所述石墨槽置于雙溫區(qū)管式爐(2英寸直徑石英管)的高溫區(qū)；

通入500sccm氬氣(Ar)清洗石英管，持續(xù)30min，以排出石英管內(nèi)空氣；

調(diào)節(jié)氬氣(Ar)流量到100sccm，加熱20min使得雙溫區(qū)管式爐的兩個溫區(qū)同時到達(dá)其設(shè)定溫度(高溫區(qū)設(shè)定溫度為800℃，低溫區(qū)設(shè)定溫度為300℃)，此時利用磁力拉桿快速把S粉推進(jìn)雙溫區(qū)管式爐(2英寸直徑石英管)的低溫區(qū)開始反應(yīng)，反應(yīng)時生長壓強(qiáng)為10⁵Pa，生長時間為5min；

反應(yīng)結(jié)束時，立即打開爐蓋，利用磁力拉桿快速把S粉拉出石英管的低溫區(qū)，將Ar流量調(diào)節(jié)到500sccm，快速降溫；

(4)采用電子束曝光工藝和電子束蒸發(fā)的方式，在前述MoS₂導(dǎo)電溝道上制備金屬源漏電極，所采用的金屬為Cr(5nm)/Au(50nm)堆疊結(jié)構(gòu)，得到基于高k柵介質(zhì)的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管器件。

由上述方法制得的基于高k柵介質(zhì)的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管器件，其SEM照片如圖3所示，包括：依次層疊的Si襯底、高介電常數(shù)(high-k)的HfO₂柵介質(zhì)層、單層二硫化鉬三角片導(dǎo)電溝道，以及在導(dǎo)電溝道上的金屬源電極和金屬漏電極。

其中，

Si襯底為N型磷摻雜的單拋光硅襯底，(100)晶向，電阻率小于0.0015Ω.cm，厚度為625μm±25μm；

高介電常數(shù)(high-k)的HfO₂背柵介質(zhì)層的薄膜表面粗糙度(即均方根粗糙度，RMS)為0.65nm(由AFM測得，AFM照片如圖4所示)，HfO₂背柵介質(zhì)層的厚度為120nm(由SEM測得，SEM照片如圖5所示，由圖5也可以看出沉積的HfO₂薄膜均勻，沒有孔洞等明顯的缺陷，此外，也沒有觀察到明顯的島狀生長現(xiàn)象，這表明基底已經(jīng)被HfO₂全部覆蓋了)；

單層二硫化鉬三角片導(dǎo)電溝道場效應(yīng)厚度約為1.0nm(由AFM測得，AFM照片如圖6所示，1.0nm的厚度表明二硫化鉬確實為單層)，溝道長度為2.1μm，溝道寬度為0.8μm；

金屬源電極為Cr(5nm)/Au(50nm)堆疊結(jié)構(gòu)，金屬漏電極為Cr(5nm)/Au(50nm)堆疊結(jié)構(gòu)。

使用Keithley 4200半導(dǎo)體分析儀測試上述二硫化鉬場效應(yīng)晶體管器件的I_ds-V_ds輸出特性曲線(如圖7所示)和I_ds-V_g轉(zhuǎn)移特性曲線(如圖8所示)。

在器件的I_ds-V_ds輸出特性曲線中，V_g自下向上即沿I_ds的正方向上分別為-10V-5V、0V、5V、10V、20V和30V，可見，在不同的柵壓下，源漏電流-源漏電壓(I_ds–V_ds)之間的線性關(guān)系證明MoS₂與金屬電極之間形成了良好的歐姆接觸。

在器件的I_ds-V_g轉(zhuǎn)移特性曲線中，可以看出晶體管背柵調(diào)控特性良好。

在轉(zhuǎn)移曲線中，計算出的電流開關(guān)比為10⁶，場效應(yīng)遷移率約為9.75cm²V^-1S^-1。這一遷移率數(shù)值較之之前文獻(xiàn)(如Li H,Yin Z,He Q,et al.Fabrication of Single-and Multilayer MoS₂ Film-Based Field-Effect Transistors for Sensing NO at Room Temperature[J].small,2012,8(1):63-67)中的背柵結(jié)構(gòu)的單層MoS₂-FET同樣在空氣中測量的10^-2級別的數(shù)值有非常大的提升。

本發(fā)明中，可以通過調(diào)節(jié)鍍膜循環(huán)數(shù)來控制HfO₂柵介質(zhì)層的厚度。因此，設(shè)置不同的鍍膜循環(huán)數(shù)，制備所得HfO₂柵介質(zhì)層的厚度不同。例如，設(shè)置鍍膜循環(huán)數(shù)為400時，HfO₂柵介質(zhì)層的厚度為50nm，HfO₂柵介質(zhì)層的薄膜表面粗糙度(即均方根粗糙度，RMS)為0.21nm。

本發(fā)明中，成功地實現(xiàn)了在HfO₂/Si襯底上面直接CVD生長單層的MoS₂三角片導(dǎo)電溝道，由于CVD法可以實現(xiàn)大面積、高質(zhì)量MoS₂三角片的生長，因此，本發(fā)明的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管為基于高k柵介質(zhì)的大面積二硫化鉬場效應(yīng)晶體管，有望實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，可以直接用于二硫化鉬大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)。

應(yīng)當(dāng)注意的是，以上所述的實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，通過參照典型實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解為其中所用的詞語為描述性和解釋性詞匯，而不是限定性詞匯?？梢园匆?guī)定在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)對本發(fā)明作出修改，以及在不背離本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)對本發(fā)明進(jìn)行修訂。盡管其中描述的本發(fā)明涉及特定的方法、材料和實施例，但是并不意味著本發(fā)明限于其中公開的特定例，相反，本發(fā)明可擴(kuò)展至其他所有具有相同功能的方法和應(yīng)用。