一種頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管及其制備方法，屬于無機半導(dǎo)體納米材料技術(shù)和器件應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明通過采用界面調(diào)控的方法，蒸鍍一層金屬層作為成核點，生長高k介電常數(shù)的氧化鉿層，從而制備頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管。本發(fā)明的方法具有工藝簡單、操作方便，可控性高、成本低和速度快等優(yōu)點，便于規(guī)?；茝V。本發(fā)明的光電晶體管顯示出n型傳輸特性和優(yōu)異的柵極調(diào)控能力，亞閾值擺幅可低至95mV/dec，漏電流可低至1pA/μm。同時，器件的光響應(yīng)時間短，而且保持了長時間的穩(wěn)定性，響應(yīng)時間和響應(yīng)度分別可達650ms和45mA/W。
【專利說明】
一種頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無機半導(dǎo)體納米材料技術(shù)和器件應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種無機化合物硫化鉿半導(dǎo)體光電晶體管的制備方法，尤其涉及一種采用界面調(diào)控的方法制備頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管的方法及制備得到的光電晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]硅基的晶體管隨著尺寸減小已經(jīng)接近其物理極限。在這種情況下，新興的二維層狀半導(dǎo)體材料(以下簡稱層狀材料)受到了廣泛關(guān)注，成為近幾年新興的研究熱點。其天然的二維超薄結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光電特性使它們在微電子和光電子領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。層狀材料具有以下優(yōu)點:表面光滑，沒有懸掛鍵，可以有效地減少表面態(tài)密度和表面粗糙度散射;超薄的結(jié)構(gòu)有助于解決當前微電子應(yīng)用中存在的難題-短溝道效應(yīng);超大的比表面積可以更加有效地吸收和產(chǎn)生光子，從而構(gòu)筑光電晶體管、發(fā)光二極管等光電子器件。其中，硫化鉿(HfS2)是一種重要的η型半導(dǎo)體化合物，在室溫下塊材的帶隙為2eV。由于其獨特的層狀結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)、環(huán)境友好和化學(xué)穩(wěn)定，在微電子和光電子上的應(yīng)用引起了大家的關(guān)注。
[0003]為了把層狀材料為基礎(chǔ)的晶體管應(yīng)用到實際電路中實現(xiàn)低功耗和高性能的器件，頂柵結(jié)構(gòu)和高k柵介質(zhì)是必不可少的。盡管原子層沉積(ALD)系統(tǒng)可以生長均勻超薄的高k的柵介質(zhì)，但是將其生長在二維層狀半導(dǎo)體材料上仍然面臨許多的挑戰(zhàn)。這主要源于層狀材料表面缺乏懸掛鍵，導(dǎo)致生長過程中缺乏成核點，如果直接在層狀材料上生長高k的柵介質(zhì)，所制備出的器件會表現(xiàn)出很大的漏電流，這也成為當前一個具有挑戰(zhàn)性的難題。
[0004]因此，尋求在層狀結(jié)構(gòu)材料HfS2上制備頂柵結(jié)構(gòu)和高k柵介質(zhì)的晶體管的方法是非常重要的，對以后開發(fā)和擴展晶體管應(yīng)用領(lǐng)域具有積極的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題和缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種制備頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管的方法。本發(fā)明的方法合成步驟簡單、可控性高、速度快且成本低，便于規(guī)模化推廣，而且，制備得到的光電晶體管顯示出η型傳輸特性和優(yōu)異的柵極調(diào)控能力，亞閾值擺幅可低至95mV/dec，，漏電流小，可低至ΙρΑ/μπι。同時，器件的光響應(yīng)時間短，而且保持了長時間的穩(wěn)定性，響應(yīng)時間和響應(yīng)度分別可達650ms和45mA/W。
[0006]為達上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明所述頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管中的“超薄”指:頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管中的硫化給納米片的厚度在5nm-20nm，優(yōu)選為7nm-12nm，進一步優(yōu)選為10nm，在優(yōu)選的范圍7nm-12nm內(nèi)，本發(fā)明的頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管的開關(guān)比為105，電子迀移率為0.lcm2V—1S.1,更有利于實現(xiàn)電子器件應(yīng)用的基本需求。
[0008]第一方面，本發(fā)明提供一種頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿HfS2光電晶體管，包括基底、柵極、源極和漏極，所述頂柵結(jié)構(gòu)超薄HfS2光電晶體管還包括硫化鉿納米片、金屬層以及氧化給層。
[0009]優(yōu)選地，所述硫化給納米片的厚度為5]1111-2011111，例如可為511111、611111、711111、811111、911111、
9.5nm、10nm、llnm、12nm、14nm、15nm、17nm 或20nm 等，優(yōu)選為7nm_12nm，進一步優(yōu)選為 1nm，二維的硫化鉿納米片作為器件的溝道材料。
[0010]優(yōu)選地，所述金屬層為鋁金屬層或釔金屬層中的任意一種或兩種的組合。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述金屬層的厚度為lnm_2nm，例如可為lnm、1.2nm、1.4nm、1.6nm、1.8nm或2nm等，優(yōu)選為1.5nm。
[0012]優(yōu)選地，所述氧化給層的厚度為5nm-1 Onm，例如可為5nm、6nm、8nm、8.5nm、9.5nm或1nm等，優(yōu)選為5nm，Hf O2絕緣層作為器件的高k柵介質(zhì)。
[0013]優(yōu)選地，所述基底為表面具有絕緣層的硅片。
[0014]優(yōu)選地，所述絕緣層為致密的二氧化硅層。
[0015]優(yōu)選地，所述娃片為P型娃片，所述娃片的厚度優(yōu)選為600μηι-700μηι，例如可為600μηι、620μηι、650μηι、680μηι 或 700μηι等，進一步優(yōu)選為675μηι。
[0016]優(yōu)選地，所述絕緣層的厚度為265nm-325nm，例如可為265nm、280nm、290nm、300nm、310nm 或 325nm 等，優(yōu)選為 300nm。
[0017]優(yōu)選地，所述柵極、源極和漏極均為金電極。
[0018]優(yōu)選地，所述源極和漏極的間距為7 μπι-1 Ομπι，例如可為7μηι、7.4μηι、7.5μηι、7.6μηι、8μπι、8.5μηι、9μηι、9.5μηι或 I Ομπι等，優(yōu)選為8μηι。
[0019]優(yōu)選地，所述柵極板、源極和漏極的厚度獨立地為10]11]1-100111]1，例如可為10111]1、15nm、20nm、22nm、25nm、30nm、35nm、45nm、50nm、60nm、70nm、75nm、80nm、90nmii!U00nn^，i%選為20nm。
[0020]本發(fā)明的頂柵結(jié)構(gòu)的超薄HfS2光電晶體管中，二維層狀結(jié)構(gòu)的硫化鉿納米片作為溝道材料，金屬層提供成核點，金屬層上生長有高k介電常數(shù)的氧化鉿層絕緣層，結(jié)合性好，本發(fā)明的頂柵結(jié)構(gòu)超薄HfS2光電晶體管顯示出η型傳輸特性和優(yōu)異的柵極調(diào)控能力，亞閾值擺幅可低至95mV/dec，漏電流可低至ΙρΑ/μπι。同時，器件的光響應(yīng)時間短，而且保持長時間的穩(wěn)定性，響應(yīng)時間和響應(yīng)度分別可達650ms和45mA/W。
[0021]第二方面，本發(fā)明提供一種如第一方面所述的頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管的制備方法，所述方法包括以下步驟:
[0022](I)將硫化鉿納米片分散到基底上，然后，在分散有硫化鉿納米片的基底上采用熱蒸鍍法沉積源極和漏極；
[0023](2)在步驟(I)得到的硫化鉿納米片表面，熱蒸鍍法沉積金屬層；
[0024](3)在步驟(2)得到的金屬層上原子層沉積(Atomic Layer Deposit1n,ALD)氧化鉿層；
[0025]或者，在步驟(2)得到的金屬層以及步驟(I)得到的源極和漏極的部分表面上原子層沉積氧化鉿層；
[0026](4)在步驟(3)得到的氧化鉿層表面，熱蒸鍍法沉積柵極，得到頂柵結(jié)構(gòu)的超薄HfS2光電晶體管。
[0027]優(yōu)選地，步驟(I)將硫化鉿納米片分散到基底上通過如下方法進行:用膠帶將硫化鉿Hf S2塊狀材料機械剝離成硫化鉿納米片分散到基底上。
[0028]優(yōu)選地，步驟(I)所述基底為表面具有絕緣層的硅片，所述硅片優(yōu)選為p型硅片。
[0029]優(yōu)選地，步驟(I)所述源極和漏極均為金電極。
[0030]優(yōu)選地，步驟(I)采用熱蒸鍍法沉積源極和漏極時，使用銅網(wǎng)作為掩膜，使用掩膜的作用是遮蓋不需沉積源極和漏極的位置，待熱蒸鍍法沉積源極和漏極完成后，再取下銅網(wǎng)，因而，步驟(I)完成后，在銅網(wǎng)遮蓋的位置為硫化鉿納米片;而在暴露的位置為沉積的源極和漏極。
[0031]優(yōu)選地，所述銅網(wǎng)的目數(shù)為200目。
[0032]優(yōu)選地，所述方法還包括在步驟(I)之前進行步驟(I)，:將表面具有絕緣層的硅片置于濃硫酸與雙氧水的混合溶液中，加熱，然后，用去離子水超聲并用N2吹干，作為基底。
[0033]優(yōu)選地，步驟(I) ’中濃硫酸與雙氧水的體積比為(2-5):1，例如可為2:1、2.5:1、3:1、4:1或5:1等，優(yōu)選為3:1。
[0034]本發(fā)明中“濃硫酸”指質(zhì)量分數(shù)大于或等于70%的硫酸溶液。
[0035]優(yōu)選地，步驟(I)’中加熱的溫度為100 °C -140 °C，例如可為100 °C、110 °C、120 °C、125°C、130°C 或 140°C 等，優(yōu)選為 130°C。
[0036]優(yōu)選地，步驟(1)’中加熱的時間為0.511-3.511，例如可為0.511、0.811、111、1.511、211、3h或3.5h等，優(yōu)選為2h。
[0037]優(yōu)選地，步驟(2)中的金屬層為鋁金屬層或釔金屬層中的任意一種或兩種的組合。
[0038]優(yōu)選地，步驟(3)原子沉積的溫度為80 °C-120 °C，例如可為80 °C、82°C、85 °C、88 °C、90。(:、95。(:、97。(:、100。(:、105。(:、108。(:、112。(:、115。(:或120。(:等，優(yōu)選為100。(:。
[0039]優(yōu)選地，步驟(3)原子沉積過程中，使用的沉積源為四(二甲氨基)鉿和水。
[0040]優(yōu)選地，所述方法還包括在步驟(2)之后，步驟(3)之前進行步驟(3)’；或者，在步驟(3)之后，步驟(4)之前進行步驟(3)’，所述步驟(3)’為:在表面涂覆一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，烘烤，然后利用原子束曝光做出柵電極的圖案，并在顯影劑里顯影，最后，在步驟
(4)熱蒸鍍法沉積柵極完成后，在丙酮中去掉聚甲基丙烯酸甲酯，其中，若步驟(3)’在步驟
(3)之后，步驟(4)之前進行，則所述表面為步驟(3)得到的氧化鉿層;若步驟(3)’在步驟(2)之后，步驟(3)之前進行，則所述表面為步驟(2)得到的金屬層；
[0041]優(yōu)選地，步驟(3)’中所述涂覆為旋涂或噴涂中的任意一種，優(yōu)選為旋涂。
[0042]優(yōu)選地，所述旋涂的轉(zhuǎn)速為75rps_100rps，例如可為75rps、80rps、85rps、88rps、90印8、95印8或100印8等，優(yōu)選為88印8。
[0043]優(yōu)選地，所述旋涂的時間為40s-55s，例如可為40s、43s、45s、50s或55s等，優(yōu)選為
45s0
[0044]優(yōu)選地，步驟(3) ’中所述烘烤的溫度為160 0C-200 °C，例如可為160 °C、170 °C、175°(:或180°(:等，優(yōu)選為 180°C。
[0045]優(yōu)選地，步驟(3) ’中所述烘烤的時間優(yōu)選為lmin_4min，例如可為lmin、l.5min、2min、2.5min、3min 或 4min 等,優(yōu)選為 2min;
[0046]優(yōu)選地，步驟(3)’中所述顯影的時間為40s。
[0047]本發(fā)明采用界面調(diào)控的方法制備頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管，具有合成步驟簡單、可控性高、速度快和成本低等優(yōu)點，便于規(guī)?；茝V，而且，制備得到的光電晶體管具有優(yōu)異的傳輸特性和柵極調(diào)控能力，漏電流小，可低至ΙρΑ/μπι。同時，器件的光響應(yīng)時間短，而且保持了長時間的穩(wěn)定性，響應(yīng)時間和響應(yīng)度分別為650ms和45mA/W。
[0048]作為本發(fā)明所述方法的優(yōu)選技術(shù)方案，一種本發(fā)明第一方面所述的頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管的制備方法，所述方法包括以下步驟:
[0049](I)將硫化鉿納米片分散到基底上，然后，在分散有硫化鉿納米片的基底上采用熱蒸鍍法沉積源極和漏極；
[0050](2)在步驟(I)得到的硫化鉿納米片表面，熱蒸鍍法沉積金屬層；
[0051](3)在步驟(2)得到的金屬層上原子層沉積氧化鉿層；
[0052]或者，在步驟(2)得到的金屬層以及步驟(I)得到的源極和漏極的部分表面上原子層沉積氧化鉿層；
[0053](4)在步驟(3)得到的氧化鉿層表面，熱蒸鍍法沉積柵極，得到頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管。
[0054]第三方面，本發(fā)明提供如第一方面所述的頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管的用途，所述頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管應(yīng)用于集成電路和光電探測等領(lǐng)域。
[0055]本發(fā)明還包括對頂柵結(jié)構(gòu)的超薄HfS2光電晶體管的檢測方法。通過探針臺及電學(xué)測試設(shè)備檢測器件性能。
[0056]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0057](I)本發(fā)明通過采用界面調(diào)控的方法，蒸鍍一層金屬層作為成核點，并生長高K介電常數(shù)的氧化鉿層，從而制備頂柵結(jié)構(gòu)的超薄硫化鉿光電晶體管。本發(fā)明的方法具有工藝簡單、操作方便，可控性高、成本低和速度快等優(yōu)點，便于規(guī)?；茝V。
[0058](2)本發(fā)明的頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管具有優(yōu)異的η型傳輸特性和柵極調(diào)控能力，漏電流小，低至I ρΑ/μπι，亞閾值擺幅低至95mV/dec。同時，器件的光響應(yīng)時間短，而且保持了長時間的穩(wěn)定性，響應(yīng)時間和響應(yīng)度分別可達650ms和45mA/W。
【附圖說明】
[0059]圖1a為實例I制備得到的Hf02/Y/HfS2的原子力顯微鏡(AFM)的高度圖像；圖1b為圖1a中虛線的高度圖。
[0060]圖2a為本實施例1制備得到的Hf02/Y/Hf S2光電晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0061 ]圖2b為本實施例1制備得到的Hf02/Y/HfS2光電晶體管的光學(xué)顯微鏡圖像和相應(yīng)的AFM圖像，圖中標注了柵極、源極和漏極的位置。
[0062]圖3a和3b分別是本實施例1制備得到的Hf02/Y/HfS2光電晶體管在大氣環(huán)境下Hf02/Y/Hf S2光電晶體管的轉(zhuǎn)移曲線和輸出曲線。
[0063]圖4a和4b分別為本實施例1制備得到的Hf02/Y/HfS2光電晶體管的光響應(yīng)的曲線及其響應(yīng)時間和響應(yīng)度隨柵壓變化的圖像。
[0064]圖5為實施例1步驟(I)完成后得到的HFS2、實施例1步驟(3)完成后得到的Y/HfS2、實施例2步驟(3)完成后得到的AVHfS2的拉曼圖。
[0065]圖6a和6b分別是本實施例2制備得到的Hf02/Al/HfS2光電晶體管在大氣環(huán)境下的轉(zhuǎn)移曲線和輸出曲線。
【具體實施方式】
[0066]下面結(jié)合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0067]測試HfS2光電晶體管基本的電學(xué)性質(zhì)進行篩選性能優(yōu)良的器件。通過Keithley4200測試HfS2光電晶體管器件在大氣條件下的1-V特性，選出性能可靠的光電晶體管器件。主要體現(xiàn)在以下兩點:(I)光電晶體管的轉(zhuǎn)移和輸出曲線；(2)光電晶體管的光響應(yīng)。
[0068]實施例1
[0069 ]頂柵結(jié)構(gòu)的超薄Hf S2光電晶體管的制備方法
[0070](I)將P型硅片置于21mL濃硫酸和7mL雙氧水混合液中加熱至130°C，加熱2小時以清潔硅片表面，然后將硅片用去離子水超聲，N2吹干，作為基底；
[0071](2)用Scotch膠帶將HfS2塊狀材料機械剝離到清潔好的P型硅片上，機械剝離得到的硫化給納米片的厚度為1nm，接著用200目銅網(wǎng)作為掩膜，熱蒸鍍20nm的Au，然后剝掉銅網(wǎng)；
[0072](3)用熱蒸鍍設(shè)備蒸鍍1.5nm的Y;
[0073](4)用ALD沉積5nm的HfO2,沉積溫度在100°C，以四(二甲氨基)鉿和水作為沉積的源；
[0074](5)將步驟(4)所得的器件表面旋涂一層PMMA，旋涂時的轉(zhuǎn)速為88rps，旋涂的時間為45s，在加熱板上180°C烘烤2min，然后利用電子束曝光做出柵電極的圖案，在顯影劑里顯影40s，熱蒸鍍20nm的Au ；
[0075](6)最后在丙酮中去掉PMMA，即可獲得Hf S2光電晶體管器件，命名為Hf02/Y/Hf S2光電晶體管。
[0076]圖1a為實例I制備得到的Hf02/Y/HfS2的原子力顯微鏡(AFM)的高度圖像；圖1b為圖1a中虛線的高度圖，金屬Y的顆粒的高度為3.5納米。
[0077]圖2a為本實施例1制備得到的Hf02/Y/HfS2光電晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標注了柵極、源極和漏極的位置，由圖可以看出，制備得到的光電晶體管器件包括四部分:帶有300nm厚氧化硅的675μπι厚的硅片基底;5nm厚的HfO2柵介質(zhì)絕緣層;二維Hf S2納米片作為器件的溝道材料，厚度在1nm; Au金屬電極厚度為20nm厚。
[0078]圖2b為本實施例1制備得到的Hf02/Y/HfS2光電晶體管的光學(xué)顯微鏡圖像和相應(yīng)的AFM圖像，圖中標注了柵極、源極和漏極的位置。
[0079]圖3a和3b分別是本實施例1制備得到的Hf02/Y/HfS2光電晶體管在大氣環(huán)境下Hf02/Y/HfS2光電晶體管的轉(zhuǎn)移曲線和輸出曲線。其顯示出η型傳輸特性和優(yōu)異的柵極調(diào)控能力，亞閾值擺幅為95mV/dec。漏電流為2ρΑ/μπι，表明了這種制備方法的可行性，極大的降低了漏電流。
[0080]圖4a和4b分別為本實施例1制備得到的Hf02/Y/HfS2光電晶體管的光響應(yīng)的曲線及其響應(yīng)時間和響應(yīng)度隨柵壓變化的圖像。器件的光響應(yīng)時間短，而且保持了長時間的穩(wěn)定性，響應(yīng)時間和響應(yīng)度分別為650ms和45mA/W。這些指標說明該器件的具有優(yōu)越的電學(xué)性能、光電探測能力和光電轉(zhuǎn)換能力，同時說明了我們所提出頂柵結(jié)構(gòu)的超薄HfS2光電晶體管的制備方法的可行性。
[0081 ] 實施例2
[0082](I)將P型硅片置于20mL濃硫酸和1mL雙氧水混合液中加熱至100°C，加熱3.5小時以清潔硅片表面，然后將硅片用去離子水超聲，N2吹干，作為基底；
[0083](2)用Scotch膠帶將HfS2塊狀材料機械剝離到清潔好的P型硅片上，機械剝離得到的硫化給納米片的厚度為7nm，接著用200目銅網(wǎng)作為掩膜，熱蒸鍍1nm的Au，然后剝掉銅網(wǎng)；
[0084](3)用熱蒸鍍設(shè)備蒸鍍Inm的Al;
[0085](4)用ALD沉積7nm的HfO2,沉積溫度在120°C，以四(二甲氨基)鉿和水作為沉積的源；
[0086](5)將步驟(4)所得的器件表面旋涂一層PMMA，旋涂時的轉(zhuǎn)速為10rps，旋涂的時間為40s，在加熱板上160°C烘烤4min，然后利用電子束曝光做出柵電極的圖案，在顯影劑里顯影40 s，熱蒸鍍I Onm的Au;
[0087](6)最后在丙酮中去掉PMMA，即可獲得Hf S2光電晶體管器件。
[0088]圖5為實施例1步驟(I)完成后得到的HFS2、實施例1步驟(3)完成后得到的Y/HfS2、實施例2步驟⑶完成后得到的AVHfS2的拉曼圖，由圖可知，與不蒸鍍金屬的HfS2相比，蒸鍍金屬Y或蒸鍍金屬Al均沒有使拉曼信號發(fā)生明顯改變，表明蒸鍍金屬不會改變HfS2的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。
[0089]本實施例制備得到的HfS2光電晶體管器件的漏電流小，為250ρΑ/μπι，亞閾值擺幅為182mV/dec (見圖6a和圖6b)。同時，其光響應(yīng)時間短，而且保持了長時間的穩(wěn)定性，響應(yīng)時間和響應(yīng)度分別為780ms和30mA/W。
[0090]本實施例制備得到的Hf02/Al/HfS2光電晶體管與實施例1制備得到的Hf02/Y/HfS2光電晶體管相比，實施例1的Hf 02/Y/Hf S2光電晶體管的亞閾值擺幅和漏電流更小，表明實施例I的Hf02/Y/Hf S2光電晶體管的性能更佳。
[0091]實施例3
[0092](I)將P型硅片置于50mL濃硫酸和15mL雙氧水混合液中加熱至140°C，加熱1.5小時以清潔硅片表面，然后將硅片用去離子水超聲，N2吹干，作為基底；
[0093](2)用Scotch膠帶將HfS2塊狀材料機械剝離到清潔好的P型硅片上，機械剝離得到的硫化鉿納米片的厚度為12nm，接著用200目銅網(wǎng)作為掩膜，熱蒸鍍50nm的Au，然后剝掉銅網(wǎng)；
[0094](3)用熱蒸鍍設(shè)備蒸鍍2nm的Y;
[0095](4)用ALD沉積1nm的HfO2,沉積溫度在80°C，以四(二甲氨基)鉿和水作為沉積的源；
[0096](5)將步驟(4)所得的器件表面旋涂一層PMMA，旋涂時的轉(zhuǎn)速為80rps，旋涂的時間為55s，在加熱板上200°C烘烤lmin，然后利用電子束曝光做出柵電極的圖案，在顯影劑里顯影40s，熱蒸鍍45nm的Au ；
[0097](6)最后在丙酮中去掉PMMA，即可獲得Hf S2光電晶體管器件。
[0098]本實施例制備得到的HfS2光電晶體管器件的漏電流小，為ΙρΑ/μπι，亞閾值擺幅為120mV/dec。同時，其光響應(yīng)時間短，而且保持了長時間的穩(wěn)定性，響應(yīng)時間和響應(yīng)度分別為700ms 和 42mA/W。
[0099]實施例4
[0100](I)將P型硅片置于35mL濃硫酸和1mL雙氧水混合液中加熱至125°C，加熱1.8小時以清潔硅片表面，然后將硅片用去離子水超聲，N2吹干，作為基底；
[0101](2)用Scotch膠帶將HfS2塊狀材料機械剝離到清潔好的P型硅片上，機械剝離得到的硫化給納米片的厚度為9nm，接著用200目銅網(wǎng)作為掩膜，熱蒸鍍80nm的Au，然后剝掉銅網(wǎng)；
[0102](3)用熱蒸鍍設(shè)備蒸鍍2nm的Al;
[0103](4)將步驟(3)所得的器件表面旋涂一層PMMA，旋涂時的轉(zhuǎn)速為75rps，旋涂的時間為43s，在加熱板上170°C烘烤1.5min，然后利用電子束曝光做出柵電極的圖案，在顯影劑里顯影40s，用ALD沉積9nm的HfO2，沉積溫度在115°C，以四(二甲氨基)給和水作為沉積的源；
[0104](5)熱蒸鍍 7Onm 的 Au;
[0105](6)最后在丙酮中去掉PMMA，即可獲得Hf S2光電晶體管器件。
[0106]本實施例制備得到的HfS2光電晶體管器件的漏電流小，為I ΙΟρΑ/μ??，亞閾值擺幅為210mV/dec。同時，其光響應(yīng)時間短，而且保持了長時間的穩(wěn)定性，響應(yīng)時間和響應(yīng)度分別為680ms和35mA/W。
[0107]
【申請人】聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管，包括基底、柵極、源極和漏極，其特征在于，所述頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管還包括硫化鉿納米片、金屬層以及氧化鉿層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管，其特征在于，所述硫化鉿納米片的厚度為5nm-20nm，優(yōu)選為7nm_l 2nm，進一步優(yōu)選為I Onm ； 優(yōu)選地，所述金屬層為鋁金屬層或釔金屬層中的任意一種或兩種的組合； 優(yōu)選地，所述金屬層的厚度為lnm-2nm，優(yōu)選為1.5nm ； 優(yōu)選地，所述氧化給層的厚度為5nm-10nm，優(yōu)選為5nm。3.根據(jù)權(quán)要求I或2所述的頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管，其特征在于，所述基底為表面具有絕緣層的硅片； 優(yōu)選地，所述絕緣層為二氧化硅層； 優(yōu)選地，所述娃片為P型娃片，所述娃片的厚度優(yōu)選為600μηι-700μηι，進一步優(yōu)選為675μm； 優(yōu)選地，所述絕緣層的厚度為265nm-325nm，優(yōu)選為300nm; 優(yōu)選地，所述柵極、源極和漏極均為金電極； 優(yōu)選地，所述源極和漏極的間距為7μπι-10μπι，優(yōu)選為8μπι; 優(yōu)選地，所述柵極板、源極和漏極的厚度獨立地為10nm-100nm，優(yōu)選為20nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)將硫化鉿納米片分散到基底上，然后，在分散有硫化鉿納米片的基底上采用熱蒸鍍法沉積源極和漏極； (2)在步驟(I)得到的硫化鉿納米片表面，熱蒸鍍法沉積金屬層； (3)在步驟(2)得到的金屬層上原子層沉積氧化鉿層； 或者，在步驟(2)得到的金屬層以及步驟(I)得到的源極和漏極的部分表面上原子層沉積氧化鉿層； (4)在步驟(3)得到的氧化鉿層表面，熱蒸鍍法沉積柵極，得到頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(I)所述將硫化鉿納米片分散到基底上是通過如下方法進行的:用膠帶將硫化鉿塊狀材料機械剝離成硫化鉿納米片分散到基底上； 優(yōu)選地，步驟(I)所述基底為表面具有絕緣層的硅片； 優(yōu)選地，步驟(I)所述源極和漏極均為金電極； 優(yōu)選地，步驟(I)所述采用熱蒸鍍法沉積源極和漏極時，采用銅網(wǎng)作為掩膜，所述掩膜的目數(shù)為200目。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在步驟(I)之前進行步驟(I) ’:將表面具有絕緣層的硅片置于濃硫酸與雙氧水的混合溶液中，加熱，然后，用去離子水超聲并用N2吹干； 優(yōu)選地，步驟(I) ’中所述濃硫酸與雙氧水的體積比為(2-5):1，優(yōu)選為3:1 ； 優(yōu)選地，步驟(I) ’中所述加熱的溫度為100 °C -140 °C，優(yōu)選為130 °C ; 優(yōu)選地，步驟(I) ’中所述加熱的時間為0.5h-3.5h，優(yōu)選為2h ； 優(yōu)選地，步驟(2)所述金屬層為鋁金屬層或釔金屬層中的任意一種或兩種的組合； 優(yōu)選地，步驟(3)所述原子層沉積的溫度為80°C-12(TC，優(yōu)選為100°C; 優(yōu)選地，步驟(3)所述原子層沉積的過程中，使用的沉積源為四(二甲氨基)鉿和水。7.根據(jù)權(quán)利要求4-6任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在步驟(2)之后，步驟(3)之前進行步驟(3)’； 或者，在步驟(3)之后，步驟(4)之前進行步驟(3)’，所述步驟(3)’為: 在步驟(2)得到的金屬層或步驟(3)得到的氧化鉿層表面涂覆一層聚甲基丙烯酸甲酯，烘烤，然后利用原子束曝光，并在顯影劑里顯影； 優(yōu)選地，步驟(3)’中所述涂覆為旋涂或噴涂中的任意一種，優(yōu)選為旋涂； 優(yōu)選地，所述旋涂的轉(zhuǎn)速為75rps-100rps，優(yōu)選為88rps; 優(yōu)選地，所述旋涂的時間為40s-55s，優(yōu)選為45s ； 優(yōu)選地，步驟(3) ’中所述烘烤的溫度為160°C-200°C，優(yōu)選為180°C ； 優(yōu)選地，步驟(3) ’中所述烘烤的時間為lmin-4min，優(yōu)選為2min ； 優(yōu)選地，步驟(3) ’中所述顯影的時間為40s。8.根據(jù)權(quán)利要求4-7任一項所述的方法，其特征在于，當所述方法包含步驟(3)’時，在步驟(4)之后進行步驟(5):熱蒸鍍法沉積柵極完成后，浸入丙酮中，以去掉聚甲基丙烯酸甲酯。9.根據(jù)權(quán)利要求4-8任一項所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1)將表面具有絕緣層的硅片置于濃硫酸與雙氧水的混合溶液中，加熱，然后，用去離子水超聲并用N2吹干，作為基底； (2)用膠帶將硫化鉿塊狀材料機械剝離成厚度為1nm的硫化鉿納米片分散到步驟(I)得到的基底上，然后，在其上以銅網(wǎng)為掩膜，采用熱蒸鍍法沉積源極和漏極； (3)在步驟(2)得到的硫化鉿納米片表面，熱蒸鍍法沉積1.5nm的鋁金屬層； (4)在步驟(3)得到的金屬層上及步驟(I)得到的源極和漏極的部分表面上，于80°C-120°C原子層沉積5nm的氧化給層； (5)在步驟(4)得到的氧化鉿層表面，旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯，180°C烘烤2min，然后利用原子束曝光，并在顯影劑里顯影40s，熱蒸鍍法沉積柵極； (6)將步驟(5)得到的產(chǎn)品浸入丙酮中以去掉聚甲基丙烯酸甲酯，得到頂柵結(jié)構(gòu)的硫化給光電晶體管。10.—種如權(quán)利要求1-3任一項所述的頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管的用途，其特征在于，所述頂柵結(jié)構(gòu)的硫化鉿光電晶體管應(yīng)用于集成電路和光電探測領(lǐng)域。
【文檔編號】H01L31/032GK105870245SQ201610227869
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】何軍, 許凱, 王振興
【申請人】國家納米科學(xué)中心