黃亞洲,黃家才,耿冉冉

(南京工程學(xué)院工業(yè)中心、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院,江蘇 南京,211167)

近年來,隨著電子器件小型化的發(fā)展,傳統(tǒng)硅基場效應(yīng)晶體管的尺寸已經(jīng)達到10 nm以下,但是,由于量子隧穿效應(yīng),其制造成本急劇增加.為解決這一問題,具有優(yōu)異電學(xué)和力學(xué)性能的二硫化鉬等二維層狀半導(dǎo)體材料得到了廣泛的關(guān)注[1-3].

研究表明,常溫下二硫化鉬的載流子遷移率可以達到410 cm2/(V·s),其斷裂強度達到23 GPa,可承受11%的形變,是一種理想的場效應(yīng)晶體管材料[4-5];文獻[6]基于機械剝離的二硫化鉬制備單層二硫化鉬場效應(yīng)晶體管,其開關(guān)比和載流子遷移率分別達到1×108和15 cm2/(V·s);文獻[7]基于化學(xué)氣相沉積的二硫化鉬薄膜制備單少層二硫化鉬場效應(yīng)晶體管,載流子遷移率為0.04 cm2/(V·s);文獻[8]采用修飾基底的化學(xué)氣相沉積方法制備二硫化鉬場效應(yīng)晶體管,其開關(guān)比達到1×104;文獻[9]通過改進化學(xué)氣相沉積制備的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的載流子遷移率和開關(guān)比分別達到0.3 cm2/(V·s)和1×104;文獻[10]通過進一步改進化學(xué)氣相沉積的工藝參數(shù)制備的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的載流子遷移率達到了7 cm2/(V·s);文獻[11]和文獻[12]采用機械剝離二硫化鉬的方法,對場效應(yīng)晶體管的性能進行研究.目前,用于制造場效應(yīng)晶體管的二硫化鉬主要是采用機械剝離和化學(xué)氣相沉積的方法制備,但這些方法存在工藝條件苛刻、可控性差、材料與基底附著力弱等缺點,嚴重制約了二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的大規(guī)模應(yīng)用[13-14].原子層沉積二硫化鉬工藝技術(shù)的發(fā)展為低成本、高效率制備二硫化鉬場效應(yīng)管器件提供了可能[15].

本文針對機械剝離和化學(xué)氣相沉積等傳統(tǒng)方法制備二硫化鉬薄膜的不足,采用原子層沉積工藝方法,在氧化硅基底上沉積單少層二硫化鉬薄膜,制備背柵場效應(yīng)晶體管,并對材料質(zhì)量和器件性能進行研究.

1 材料制備和測試

1.1 二硫化鉬薄膜制備

選用氯化鉬和硫化氫作為鉬源和硫源前軀體,高純氮氣作為載氣和清洗氣體,在沉積之前,分別采用去離子水、乙醇、丙酮和氧等離子體清洗氧化硅基底(氧化層厚度300 nm),在沉積過程中,腔體溫度保持在450 ℃.一個原子層沉積循環(huán)包括通入氯化鉬(0.1 s)、清洗(5 s)、通入硫化氫(0.1 s)、清洗(5 s)四個步驟,經(jīng)過一個循環(huán),在基底上沉積一層二硫化鉬薄膜.選用5個循環(huán)的二硫化鉬薄膜制備場效應(yīng)晶體管.

1.2 場效應(yīng)管器件設(shè)計制造

綜合考慮試驗成本和研究目的,選擇制造結(jié)構(gòu)相對簡單的背柵場效應(yīng)晶體管.首先,采用等離子體刻蝕,將原子層沉積制備的二硫化鉬薄膜刻蝕成條狀;然后采用電子束蒸發(fā),在這些條狀二硫化鉬上沉積金電極作為源漏極,溝通長度設(shè)置為5 μm;最后,引出背柵電極.

1.3 測試與表征

采用光學(xué)顯微鏡、投射電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜儀(Raman)和X射線衍射儀(XRD)對沉積的二硫化鉬薄膜進行表征.為進行TEM觀察,將MoS2薄膜從硅基底上剝離,轉(zhuǎn)移到TEM銅網(wǎng)上,高分辨TEM的加速電壓為200 kV;拉曼激光選用波花532 nm、功率0.8 mW、光斑1 μm;XRD采用Cu Kα射線、電流35 mA、電壓50 kV.采用四探針臺對場效應(yīng)晶體管的性能進行測試研究.

2 結(jié)果與分析

2.1 原子層沉積機理

原子層沉積二硫化鉬機理如圖1所示.當(dāng)通入氯化鉬時,其與氧化硅基底上的活性位點(羥基官能團)發(fā)生自限制化學(xué)反應(yīng),均勻吸附沉積在基底表面,反應(yīng)殘余氣體通過氮氣吹洗出腔體外;當(dāng)通入硫化氫時,其與吸附在基底表面的氯化鉬發(fā)生自限制化學(xué)反應(yīng),生成一層二硫化鉬,反應(yīng)殘余氣體通過氮氣吹洗出腔體外,以上步驟構(gòu)成一個循環(huán)的原子層沉積.通過控制循環(huán)次數(shù),可以精確控制二硫化鉬的層數(shù)和厚度.沉積通過自限制化學(xué)反應(yīng)進行,具有工藝簡單,重復(fù)性好、薄膜沉積均勻、面積大等優(yōu)點.

圖1 原子層沉積二硫化鉬薄膜示意圖

2.2 原子層沉積制備的二硫化鉬

圖2(a)為原子層沉積的二硫化鉬薄膜的光鏡照片,可以看出,二硫化鉬薄膜被均勻覆蓋在氧化硅基底表面.與機械剝離和化學(xué)氣相沉積工藝相比,由于自限制化學(xué)反應(yīng),原子層沉積的二硫化鉬薄膜可以在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基底表面均勻覆蓋,質(zhì)量一致,這樣在后期的場效應(yīng)管制備中可以降低刻蝕和電極沉積的成本.圖2(b)為經(jīng)過刻蝕后的條狀二硫化鉬,為后續(xù)在其上沉積電極做好準備.

(a) 原子層沉積

原子層沉積二硫化鉬的晶體結(jié)構(gòu)采用TEM進行觀察,如圖3所示.由圖3可見,二硫化鉬為典型片層狀結(jié)構(gòu),其(002)晶面間距約為0.65 nm,原子排列(110)和(100)的晶面間距分別為0.16 nm 和0.27 nm,由相應(yīng)的選區(qū)衍射花樣可以看出所沉積的二硫化鉬為2H六方晶格結(jié)構(gòu).

(a) 片狀結(jié)構(gòu)

圖4 二硫化鉬薄膜的Raman表征

采用XRD光譜對原子層沉積二硫化鉬的結(jié)構(gòu)進行進一步觀察[15].圖5為XRD表征結(jié)果,可以清晰地看到二硫化鉬的(002)晶面特征峰,僅有1個(002)特征峰,說明所沉積的二硫化鉬的取向高度一致.采用Debye-Scherrer公式,計算沉積的二硫化鉬晶粒尺寸：

D=0.89λ/(βcosθ)

(1)

式中：D為晶粒直徑;λ為入射X射線波長(0.154 nm);β為特征峰的半高寬;θ為布拉格衍射角.

計算得二硫化鉬的晶粒尺寸為 5.45 nm.通常,采用機械剝離所制得的二硫化鉬單晶尺寸可以達到100 μm量級,而采用化學(xué)氣相沉積所制得的二硫化鉬的單晶尺寸處在1～100 μm量級.三者相比之下,原子層沉積的二硫化鉬晶粒尺寸較小,這主要是由于原子層沉積工藝中采用的是低溫.

圖5 二硫化鉬薄膜的XRD表征

2.3 二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的性能

二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)如圖6所示,溝道采用原子層沉積的二硫化鉬,源漏極采用金電極制作,絕緣層為氧化硅,高導(dǎo)電性的P型硅作為背柵電極.這樣,硅、氧化硅和二硫化鉬組成一個電容器,其電容值取決于介電層氧化硅的介電常數(shù)和厚度.背柵二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的工作原理：在背柵硅上施加的電壓決定了二硫化鉬溝道電流的大小,假設(shè)所制造的二硫化鉬場效應(yīng)管是P型,在背柵硅上施加的正電壓足夠大,則源漏極之間通過二硫化鉬溝道連通,反之,施加負電壓或移除電壓,則源漏極之間二硫化鉬溝道斷開,源漏極之間的電流通過背柵硅上的電壓進行控制.雖然二硫化鉬是P型半導(dǎo)體,但制造的場效晶體管既有N型,也有P型,這是由于在制造過程中應(yīng)力應(yīng)變、雜質(zhì)污染等會改變二硫化鉬的電學(xué)結(jié)構(gòu),令其呈現(xiàn)N型屬性.具體的類型需要對器件進行測試確定.

圖6 二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管器件的光鏡照片如圖7所示.由圖7可見,金電極、二硫化鉬溝道和氧化硅絕緣層溝通長度為5 μm.由于前期原子層沉積工藝所制備的二硫化鉬薄膜具有工藝簡單、質(zhì)量均勻、面積大等優(yōu)點,在后期器件制作過程中,大大降低了工藝難度,縮短了制造時間,所制造的器件表面無雜質(zhì)污染、溝道尺寸均勻、質(zhì)量較高.

圖7 二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管光鏡照片

在室溫下,采用四探針臺對二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管器件的電學(xué)性能進行測試,漏極和柵極分別接針1和針2,源極共地分別接針3和針4.依據(jù)所測得的數(shù)據(jù),計算溝道的電阻和場效應(yīng)遷移率.源漏極I-U曲線如圖8所示,數(shù)據(jù)的線性度較好,說明電極與二硫化鉬之間為歐姆接觸.經(jīng)過線性擬合,得到其電阻為58.2 MΩ,與機械剝離和化學(xué)氣相沉積的二硫化鉬相比,該電阻較大,原因有兩個方面：1) 原子層沉積制備的二硫化鉬薄膜晶粒尺寸較小,晶界密度較大,對電子遷移的阻礙增大,同時,由于原子層沉積工藝的低溫特點,使所制備的二硫化鉬薄膜純度相對較低;2) 原子層沉積制備的二硫化鉬薄膜質(zhì)量均勻、面積大,可以對二硫化鉬的尺寸(長和寬)進行精確刻蝕,施加這樣的制備工藝其溝道的寬度往往不需控制.

圖8 二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管I-U曲線

圖9為二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管的場效應(yīng)遷移率曲線.計算場效應(yīng)遷移率：

μ=[dIds/dUbg]×[L/(WCiUds)]

(2)

式中：Ids為源漏極電流;Ubg為背柵電壓;L為二硫化鉬溝道的長度;W為二硫化鉬溝道的寬度;Ci為背柵和二硫化鉬溝道之間的單位面積電容,Ci= 1.21 × 10-4F/m2;Uds為源漏極電壓.

計算得器件場效應(yīng)遷移率為0.34 cm2/(V·s).化學(xué)氣相沉積的二硫化鉬薄膜的場效應(yīng)遷移率為0.04～7 cm2/(V·s),機械剝離的二硫化鉬薄膜場效應(yīng)遷移率可以達到15 cm2/(V·s),因此,原子層沉積的二硫化鉬薄膜場效應(yīng)遷移率與化學(xué)氣相沉積的相當(dāng),低于由機械剝離制備的二硫化鉬薄膜場效應(yīng)遷移率.這是由于原子層沉積的低溫工藝使二硫化鉬薄膜的結(jié)晶度相對較低,晶界密度大,阻礙了載流子的遷移.原子層沉積獨特的低溫工藝可以將二硫化鉬薄膜直接沉積在不耐熱的柔性基底上,在柔性電子器件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景.

圖9 二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)遷移曲線

3 結(jié)語

針對機械剝離和化學(xué)氣相沉積等傳統(tǒng)制備二硫化鉬薄膜方法的不足,本文采用原子層沉積方法,在氧化硅基底上沉積單少層二硫化鉬薄膜,制備背柵場效應(yīng)晶體管,并對材料質(zhì)量和器件性能進行研究.制備的二硫化鉬薄膜具有工藝簡單、面積大、質(zhì)量均勻等優(yōu)點,二硫化鉬背柵場效應(yīng)晶體管器件溝道電阻為58.2 MΩ,場效應(yīng)遷移率達到0.34 cm2/(V·s).原子層沉積方法在二硫化鉬場效應(yīng)管器件的規(guī)模化制造和柔性電子器件領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價值.