一种层状二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电子器件技术领域，更具体地，涉及一种层状二硫化钼场效应晶体管及其制备方法和应用。

背景技术：

石墨烯等二维材料由于具有高迁移率(超过15000cm²/v·s)、高载流子浓度(可高达10¹³/cm²)、良好的力学性能、透明度高(可见波段≈97.7％)等优异的特性，被认为是下一代半导体材料而被广泛关注。但是石墨烯不存在带隙，因此其场效应晶体管开关比低，限制了其电子器件的应用。

层状二硫化钼(mos2)二维半导体材料，其单层能带结构为直接带隙，带隙为1.8ev，而多层的能带为间接带隙，带隙为1.2ev，解决了二维材料中0带隙的问题而被广泛关注。同时层状二硫化钼具有单层或少层厚度导电沟道，较高的比表面积，因此在高密度集成中克服短沟道效应及利用气体分子与其场效应晶体管沟道的强相互作用实现超高灵敏气体传感器等方面，具有巨大的潜在应用价值，其器件示意图如图1所示。但是，由于天然二硫化钼晶体材料中本身硫空位的存在，使二硫化钼有较高的自掺杂浓度和电子浓度，展现为常开态(0栅压下为开态)，导致其场效应晶体管需要施加较高的负栅压才能实现截止关态，即开启电压一般处于-60v到-40v之间(二氧化硅为介电层时)。如此高的开启电压，限制了层状二硫化钼场效应器件及气体传感器等方面的应用，因此实际应用中亟需要降低二硫化钼场效应晶体管开启电压。

在现有技术中，参见leong,w.s.等，tuningthethresholdvoltageofmos2field-effecttransistorsviasurfacetreatment.,nanoscale，7卷，第24期，10823-10831页，在真空环境中，将硫粉与二硫化钼置于同一炉管内高温退火2小时以上，通过填补二硫化钼中的硫空位降低掺杂浓度来实现减小电子浓度，并降低二硫化钼场效应晶体管的开启电压。然而在上述技术显而易见非常有局限性，首先退火掺杂很容易改变器件界面结构，很可能降低场效应器件性能；其次，上述过程需要较高温度，操作复杂，且由于很难完全填补硫空位，使得对开启电压调控能力弱，该文章中只能调控至-20v，但依旧难以满足实际应用中低电压的需求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何降低二硫化钼场效应晶体管的开启电压，使开启或阈值电压接近零伏，以满足实际应用中低工作电压的需求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种层状二硫化钼场效应晶体管，在该场效应晶体管的层状二硫化钼表面覆盖f4-tcnq分子层。

本发明将有机小分子f4-tcnq覆盖于二硫化钼片层上，二硫化钼层中由硫空位自掺杂的电子将自发注入到f4-tcnq分子中形成局域电子，从而降低二硫化钼片层中的自由电子浓度，如图3所示。因此只需要较低的负栅压就可使器件处于截止关态，即实现较低的开启电压。

在一个优选实施方式中，f4-tcnq分子层的厚度为5-20nm，优选为6-15nm，进一步优选为10nm。

在一个优选实施方式中，层状二硫化钼层的厚度为0.6-20nm。

在一个优选实施方式中，使用真空蒸镀在层状二硫化钼表面覆盖f4-tcnq分子层。

在二硫化钼表面真空蒸镀f4-tcnq层的场效应晶体管的开启电压大幅降低，对比未覆盖f4-tcnq层的场效应晶体管的开启电压，至少降低90％，调控后的开启电压可降至约为-5v。同时，真空蒸镀f4-tcnq降低了场效应晶体管的亚阈值摆幅，至少降低50％，提高了场效应晶体管的开启速度。

其中，真空蒸镀的工作参数可以为：真空度为1×10^-5pa-9×10^-5pa，真空蒸镀的速度为0.05-0.3nm/s。

更优选地是，真空蒸镀的工作参数为：真空度为2×10^-5pa-5×10^-5pa；真空蒸镀的速度为0.1-0.2nm/s。

在本发明中，二硫化钼场效应晶体管可以为本领域中任意含有层状二硫化钼片层的场效应晶体管，只需要在上述场效应晶体管的二硫化钼表面真空蒸镀f4-tcnq层即可实现降低开启电压的功效。

在一个优选实施方式中，二硫化钼场效应晶体管还可以包括：自下而上依次为栅极、二氧化硅层、二硫化钼层以及覆盖于二硫化钼表面的金属源极和金属漏极，如图2所示。

其中，f4-tcnq分子层可以覆盖在含有电极的二硫化钼表面，也可以覆盖在不含有电极的二硫化钼表面。

其中，二氧化硅层可以为sio2/si复合衬底。优选为在其表面热氧化形成有200-300nm厚sio2的si衬底。

其中，金属源极和金属漏极也可以使用真空蒸镀来覆盖在二硫化钼上，真空蒸镀的参数可以为：真空度为1×10^-5pa-5×10^-5pa，速度为0.005nm/s-0.05nm/s。

本发明二硫化钼场效应晶体管可以使用本领域中常用的方法制得，以保证在二硫化钼表面真空蒸镀f4-tcnq层即可。

本发明的另一方面，还提供了上述二硫化钼场效应晶体管的制备方法，包括：

1)制备二硫化钼场效应晶体管；

2)在二硫化钼表面真空蒸镀f4-tcnq层。

在一个优选实施方式中，步骤1)具体可以为：

通过机械剥离法在含有栅极的二氧化硅层上获得二硫化钼层，利用电子束曝光制备电极图案，在1×10^-5pa-5×10^-5pa下，以0.005nm/s-0.05nm/s的速度真空蒸镀au/cr，得到二硫化钼场效应晶体管。其中，真空度优选为3×10^-5pa，上述真空蒸镀速度优选为0.01nm/s。

在一个优选实施方式中，au/cr的厚度为30-50nm/6-10nm，优选为40nm/8nm。

在一个优选实施方式中，上述二硫化钼场效应晶体管的制备方法，包括：

1)通过机械剥离法在含有栅极的二氧化硅层上获得二硫化钼层，利用电子束曝光制备电极图案，在1×10^-5pa-5×10^-5pa下，以0.005nm/s-0.05nm/s的速度真空蒸镀au/cr，得到二硫化钼场效应晶体管；

2)在上述二硫化钼场效应晶体管上，在1×10^-5pa-9×10^-5pa真空度下以0.05-0.3nm/s的速度真空蒸镀5-20nmf4-tcnq层。

另外，由于f4-tcnq电负性强，而nh3易被氧化失去电子，当nh3接触掺杂f4-tcnq的mos2场效应晶体管，f4-tcnq分子会夺取nh3分子的电子，抑制了电子从二硫化钼向f4-tcnq的注入，使得mos2场效应晶体管的开启电压产生移动。利用这一性质，可以实现低栅压下mos2场效应晶体管的nh3传感器的功能。

即本发明的再一个方面，提供了上述二硫化钼场效应晶体管或上述二硫化钼场效应晶体管的制备方法在制备低栅压nh3传感器中的应用。

其中，低栅压可低至－5v。

同时，使用本发明的二硫化钼效应晶体管制备的nh3传感器，其1000ppm的灵敏度达到约670000％。

本发明将最低未占据轨道远低于二硫化钼导带的有机小分子材料f4-tcnq真空低温蒸镀于二硫化钼上，使得二硫化钼自掺杂的电子可以自发注入至f4-tcnq，降低了二硫化钼本身的电子浓度，达到降低二硫化钼场效应晶体管的开启电压的目的，调控后的开启电压约为-5v。

附图说明

图1为现有技术中二硫化钼场效应晶体管器件示意图；

图2为根据本发明一个优选实施方式中掺杂f4-tcnq的二硫化钼场效应晶体管示意图；

图3为根据本发明的mos2和f4-tcnq的能级示意图；

图4为根据本发明实施例1中掺杂f4-tcnq和不掺杂的mos2场效应晶体管转移曲线图；

图5为根据本发明实施例1中掺杂f4-tcnq的mos2场效应晶体管的nh3传感测量图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以下通过实例对本方案进行详细描述。以下实例中，f4-tcnq从sigma-aldrich商购获得，纯度为99％，mos2是从spi商购获得的天然h-相材料，真空蒸镀仪购于bocedwards公司，型号为auto306，真空探针台购于lakeshore公司。

实施例1

通过机械剥离法在sio2/si衬底上获得mos2，利用电子束曝光制备电极图案。在3×10^-5pa情况下以0.01nm/s的速度真空蒸镀40nm/8nmau/cr，获得mos2场效应晶体管。然后在mos2场效应晶体管上，于3×10^-5pa真空度下以0.1nm/s的速度真空蒸镀10nmf4-tcnq，如图2所示。在真空探针台中对器件进行测量，其转移曲线如图4所示。可以看出不掺杂的mos2场效应晶体管的开启电压为-60v，掺杂f4-tcnq后的开启电压大幅降低，约为-5v。并且掺杂f4-tcnq降低了器件的亚阈值摆幅，从2.14v/decade减少到0.91v/decade，提高了器件的开启速度。

实施例2

进一步进行了nh3传感器的测量，向探针台真空腔室内通入定量的nh3，测量传感器的灵敏度，如图5所示。可以看出，该方案制备的mos2场效应晶体管可以作为低栅压(-5v)的nh3传感器，其1000ppm的灵敏度达到约670000％，远高于现有技术中报道的60％的灵敏度(如late,d.j.etal.sensingbehaviorofatomicallythin-layeredmos2transistors.acsnano，7卷，第6期，4879-4891页)，证明本发明具有制备优异的传感器的潜在应用价值。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。