CN108987483B - 一种MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用。所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，包括：一复合基底，由下层Si层和上层SiO2层复合组成；一MoTe2纳米片，位于SiO2层表面；一源极，位于MoTe2纳米片表面；一漏极，位于MoTe2纳米片表面；一栅极，位于SiO2层表面；一离子胶体层，覆盖于MoTe2纳米片、源极、漏极及栅极。本发明用机械剥离方法，获取MoTe2纳米片并转移到硅/氧化硅衬底上，通过电子束曝光、热蒸镀金电极、转移离子胶体等工艺获得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管。本发明所获得MoTe2场效应晶体管为N型，其开关比高，开启电流可达微安级别。同时本发明所述方法制备工艺简单，可用于半导体器件制备相关领域。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用。
背景技术
由于超薄的厚度、良好的机械性能、可精确调控的能带间隙及其与硅基技术高度的兼容性，二维层状材料在场效应晶体管、存储器和光电探测器等领域展示出巨大的应用前景。
二碲化钼(MoTe2)是一种重要的二维层状材料，MoTe2薄层具有近0.9eV的间接带隙，它对电子和空穴都具有良好的传输能力，常见的MoTe2场效应晶体管显示为双极性。
然而对于许多电子器件，具有单极传输曲线的沟道材料是必要的。为了实现单极MoTe2的传输特性，现有研究已经发现了一些方法，如对材料的表面进行修饰，但这些方法制备过程相对复杂，不利于工业化生产。因此，如何通过简单方法获得具有单极性传输性能以及低功耗的MoTe2器件仍是目前亟待解决的技术问题之一。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用。本发明通过在MoTe2场效应晶体管上覆盖离子胶体层，从而在离子材料和晶体管通道的界面处形成双电层(EDL)，进而调控器件传输过程，获得单极性传输器件，同时界面处的高电容可实现MoTe2通道高电荷密度的累积，提高器件性能。所得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管显示为N型，可实现单极性传输、开关比可达6个数量级，开启电流可达微安级别。本发明所述制备方法步骤简单、成本相对较低。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，包括：
一复合基底，由下层Si层和上层SiO2层复合组成；
一MoTe2纳米片，位于SiO2层表面；
一源极，位于MoTe2纳米片表面；
一漏极，位于MoTe2纳米片表面；
一栅极，位于SiO2层表面；
一离子胶体层，覆盖于MoTe2纳米片、源极、漏极及栅极。
所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管显示为N型，具有单极性传输特性，其开关比达到6个数量级，开启电流可达微安级别。
优选地，所述SiO2层的厚度为50～500纳米，进一步优选厚度为300-310nm。
优选地，所述MoTe2纳米片的厚度为5-15nm，优选10-11nm，呈不规则图案，最长边达10-20微米。
优选地，所述源极、漏极、栅极的材质为金、铬两种；所述源极、漏极、栅极的层结构为下层铬薄层，上层金薄层；所述铬薄层厚度为5～20纳米，优选8-9纳米；所述金薄层厚度为50～100纳米，优选60-62纳米。
本发明还提供一种MoTe2场效应晶体管制备方法，包括：
(1)通过机械剥离的方法获取MoTe2纳米片，并将其转移至复合基底中SiO2层的表面；
(2)通过标准电子束曝光、金属沉积方法在MoTe2纳米片表面形成源极、漏极，在SiO2层表面形成栅极；
(3)将离子胶体旋涂于SiO2层表面，并覆盖MoTe2纳米片、源极、漏极、栅极，得到离子胶体门控制的场效应晶体管。
其中，步骤(1)中，所述机械剥离优选利用胶带反复粘贴MoTe2块体材料，并通过粘贴次数控制纳米片厚度。
所述胶带选自3M透明胶带、普通透明胶带、绝缘胶带中的一种；优选地，所述胶带为3M透明胶带。
所述MoTe2纳米片的转移具体包括：在光学显微镜辅助下，将胶带上的MoTe2纳米片转移至复合基底的SiO2层表面，然后将胶带薄膜揭下即可。
步骤(2)中，所述金属沉积顺序为先铬后金。
步骤(3)中，所述离子胶体由离子液体与有机聚合物在室温下充分搅拌混合所得；所述离子液体为高氯酸锂(LiClO4)的甲醇溶液，所述有机聚合物为聚环氧乙烷(PEO)；优选地，所述离子胶体由聚环氧乙烷、高氯酸锂、甲醇按质量比(0.1-2)：(0.01-0.5)：(10-100)混合；优选质量比为1:0.12:40。
步骤(3)中，所述旋涂的操作条件为：第一阶段为500-510rpm，5-10秒；第二阶段5000-5100rpm，50-80秒；所述旋涂的操作条件为：第一阶段为500rpm，5秒；第二阶段5000rpm，60秒。
本发明还提供上述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管在场效应晶体管、存储器和光电探测器等领域中的应用。
与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在MoTe2场效应晶体管上覆盖离子胶体层，从而在离子材料和晶体管通道的界面处形成双电层(EDL)，从而调控器件传输过程获得单极性传输器件；同时界面处的高电容实现MoTe2通道高电荷密度的累积，提高器件性能。本发明所得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管显示为N型，可实现单极性传输、开关比可达6个数量级，开启电流可达微安级别。
附图说明
图1为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的结构模型图；
图2为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管光学显微镜(OM)图，器件电极为Cr/Au(8nm/60nm)；
图3为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的转移曲线图；
图4为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的输出曲线图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备
(1)利用透明胶带反复粘贴相应的块体材料，得到MoTe2纳米片；直接将透明胶带上的MoTe2纳米片放在带有300纳米厚二氧化硅层的硅基底上；在光学显微镜的辅助下，选取10纳米厚的MoTe2纳米片。
(2)利用标准电子束曝光和金属沉积法制得金属电极。金属沉积顺序为8纳米厚的铬和60纳米厚的金。
(3)将5μL离子胶旋涂在基本表面覆盖整个器件范围。离子胶体混合物为聚环氧乙烷、高氯酸锂、甲醇，其质量比为：1:0.12:40，通过搅拌均匀获得。离子胶旋涂过程第一阶段为500rpm，5秒，第二阶段5000rpm，60秒。
以下部分简要阐明其性能指标：
图1为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的结构模型图。
图2为离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管光学显微镜(OM)图。
由图2可以看出，机械剥离MoTe2纳米片呈不规则形状，一个金属电极放在MoTe2纳米片上作为漏极，一个金属电极放在MoTe2纳米片另一边上作为源极，一个金属放在SiO2/Si基底上上作为栅极，另有一备用电极在MoTe2纳米片上。离子胶体覆盖三个电极范围。
效果验证
对实施例1制备离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管进行传输性能检测。
图3为实施例1所得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管转移曲线，偏压设置为0.5伏特，扫描栅极电压为-3～3伏特，器件展现出超高电流开关比(1×108)和高开启电流1微安，实现低功耗。
图4为实施例1所得离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的输出曲线图，栅极电压为1伏特，扫描源漏极两端偏压为-1～1伏特，最大输出电流为1微安。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (18)
1.一种离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，包括：
一复合基底，由下层Si层和上层SiO2层复合组成；
一MoTe2纳米片，位于SiO2层表面；
一源极，位于MoTe2纳米片表面；
一漏极，位于MoTe2纳米片表面；
一栅极，位于SiO2层表面；
一离子胶体层，覆盖于MoTe2纳米片、源极、漏极及栅极；
所述离子胶体层是通过离子胶体旋涂于SiO2层表面得到的；
所述离子胶体由离子液体与有机聚合物在室温下搅拌混合所得；所述离子液体为高氯酸锂的甲醇溶液，所述有机聚合物为聚环氧乙烷。
2.根据权利要求1所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管显示为N型，具有单极性传输特性，其开关比达到6个数量级，开启电流达微安级别。
3.根据权利要求1或2所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述SiO2层的厚度为50~500纳米。
4.根据权利要求3所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述SiO2层的厚度为300-310nm。
5.根据权利要求3所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述MoTe2纳米片的厚度为5-15nm，呈不规则图案，最长边达10-20微米。
6.根据权利要求5所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述MoTe2纳米片的厚度为10-11nm。
7.根据权利要求1、2、4、6任一项所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述源极、漏极、栅极的材质为金、铬两种；
所述源极、漏极、栅极的层结构为下层铬薄层，上层金薄层；
所述铬薄层厚度为5~20纳米；
所述金薄层厚度为50~100纳米。
8.根据权利要求7所述的离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管，其特征在于，所述铬薄层厚度为8-9纳米；
所述金薄层厚度为60-62纳米。
9.一种权利要求1-8任一项所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
（1）通过机械剥离的方法获取MoTe2纳米片，并将其转移至复合基底中SiO2层的表面；
（2）通过标准电子束曝光、金属沉积方法在MoTe2纳米片表面形成源极、漏极；在SiO2层表面形成栅极；
（3）将离子胶体旋涂于SiO2层表面，并覆盖MoTe2纳米片、源极、漏极、栅极，得到离子胶体门控制的场效应晶体管。
10.根据权利要求9所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述机械剥离利用胶带反复粘贴MoTe2块体材料，并通过粘贴次数控制纳米片厚度。
11.根据权利要求10所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述胶带为3M透明胶带。
12.根据权利要求10所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述胶带为普通透明胶带。
13.根据权利要求10所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述胶带为绝缘胶带。
14.根据权利要求9所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述离子胶体由聚环氧乙烷、高氯酸锂、甲醇按质量比（0.1-2）：（0.01-0.5）：（10-100）混合。
15.根据权利要求14所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述离子胶体由聚环氧乙烷、高氯酸锂、甲醇按质量比1：0.12：40。
16.根据权利要求14所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述旋涂的操作条件为：第一阶段为500-510 rpm，5-10秒；第二阶段5000-5100 rpm，50-80秒。
17.根据权利要求15所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管的制备方法，其特征在于，
所述旋涂的操作条件为：第一阶段为500 rpm，5秒；第二阶段5000 rpm，60秒。
18.权利要求1-8任一所述离子胶体门控制的MoTe2场效应晶体管在场效应晶体管、存储器和光电探测器领域中的应用。
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| Structural phase transition in monolayer MoTe2 driven by electrostatic doping;Ying Wang et al;《Nature》;20171026;第550卷(第7677期);第487页 * |
| Superconductivity Series in Transition Metal Dichalcogenides by Ionic Gating;Wu Shi et al;《Scientific Reports》;20150803;第5卷;第12534页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108987483A (zh) | 2018-12-11 |
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