本發(fā)明涉及電子器件技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種層狀二硫化鉬場效應(yīng)晶體管及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

石墨烯等二維材料由于具有高遷移率(超過15000cm²/v·s)、高載流子濃度(可高達10¹³/cm²)、良好的力學(xué)性能、透明度高(可見波段≈97.7％)等優(yōu)異的特性，被認為是下一代半導(dǎo)體材料而被廣泛關(guān)注。但是石墨烯不存在帶隙，因此其場效應(yīng)晶體管開關(guān)比低，限制了其電子器件的應(yīng)用。

層狀二硫化鉬(mos2)二維半導(dǎo)體材料，其單層能帶結(jié)構(gòu)為直接帶隙，帶隙為1.8ev，而多層的能帶為間接帶隙，帶隙為1.2ev，解決了二維材料中0帶隙的問題而被廣泛關(guān)注。同時層狀二硫化鉬具有單層或少層厚度導(dǎo)電溝道，較高的比表面積，因此在高密度集成中克服短溝道效應(yīng)及利用氣體分子與其場效應(yīng)晶體管溝道的強相互作用實現(xiàn)超高靈敏氣體傳感器等方面，具有巨大的潛在應(yīng)用價值，其器件示意圖如圖1所示。但是，由于天然二硫化鉬晶體材料中本身硫空位的存在，使二硫化鉬有較高的自摻雜濃度和電子濃度，展現(xiàn)為常開態(tài)(0柵壓下為開態(tài))，導(dǎo)致其場效應(yīng)晶體管需要施加較高的負柵壓才能實現(xiàn)截止關(guān)態(tài)，即開啟電壓一般處于-60v到-40v之間(二氧化硅為介電層時)。如此高的開啟電壓，限制了層狀二硫化鉬場效應(yīng)器件及氣體傳感器等方面的應(yīng)用，因此實際應(yīng)用中亟需要降低二硫化鉬場效應(yīng)晶體管開啟電壓。

在現(xiàn)有技術(shù)中，參見leong,w.s.等，tuningthethresholdvoltageofmos2field-effecttransistorsviasurfacetreatment.,nanoscale，7卷，第24期，10823-10831頁，在真空環(huán)境中，將硫粉與二硫化鉬置于同一爐管內(nèi)高溫退火2小時以上，通過填補二硫化鉬中的硫空位降低摻雜濃度來實現(xiàn)減小電子濃度，并降低二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的開啟電壓。然而在上述技術(shù)顯而易見非常有局限性，首先退火摻雜很容易改變器件界面結(jié)構(gòu)，很可能降低場效應(yīng)器件性能；其次，上述過程需要較高溫度，操作復(fù)雜，且由于很難完全填補硫空位，使得對開啟電壓調(diào)控能力弱，該文章中只能調(diào)控至-20v，但依舊難以滿足實際應(yīng)用中低電壓的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何降低二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的開啟電壓，使開啟或閾值電壓接近零伏，以滿足實際應(yīng)用中低工作電壓的需求。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種層狀二硫化鉬場效應(yīng)晶體管，在該場效應(yīng)晶體管的層狀二硫化鉬表面覆蓋f4-tcnq分子層。

本發(fā)明將有機小分子f4-tcnq覆蓋于二硫化鉬片層上，二硫化鉬層中由硫空位自摻雜的電子將自發(fā)注入到f4-tcnq分子中形成局域電子，從而降低二硫化鉬片層中的自由電子濃度，如圖3所示。因此只需要較低的負柵壓就可使器件處于截止關(guān)態(tài)，即實現(xiàn)較低的開啟電壓。

在一個優(yōu)選實施方式中，f4-tcnq分子層的厚度為5-20nm，優(yōu)選為6-15nm，進一步優(yōu)選為10nm。

在一個優(yōu)選實施方式中，層狀二硫化鉬層的厚度為0.6-20nm。

在一個優(yōu)選實施方式中，使用真空蒸鍍在層狀二硫化鉬表面覆蓋f4-tcnq分子層。

在二硫化鉬表面真空蒸鍍f4-tcnq層的場效應(yīng)晶體管的開啟電壓大幅降低，對比未覆蓋f4-tcnq層的場效應(yīng)晶體管的開啟電壓，至少降低90％，調(diào)控后的開啟電壓可降至約為-5v。同時，真空蒸鍍f4-tcnq降低了場效應(yīng)晶體管的亞閾值擺幅，至少降低50％，提高了場效應(yīng)晶體管的開啟速度。

其中，真空蒸鍍的工作參數(shù)可以為：真空度為1×10^-5pa-9×10^-5pa，真空蒸鍍的速度為0.05-0.3nm/s。

更優(yōu)選地是，真空蒸鍍的工作參數(shù)為：真空度為2×10^-5pa-5×10^-5pa；真空蒸鍍的速度為0.1-0.2nm/s。

在本發(fā)明中，二硫化鉬場效應(yīng)晶體管可以為本領(lǐng)域中任意含有層狀二硫化鉬片層的場效應(yīng)晶體管，只需要在上述場效應(yīng)晶體管的二硫化鉬表面真空蒸鍍f4-tcnq層即可實現(xiàn)降低開啟電壓的功效。

在一個優(yōu)選實施方式中，二硫化鉬場效應(yīng)晶體管還可以包括：自下而上依次為柵極、二氧化硅層、二硫化鉬層以及覆蓋于二硫化鉬表面的金屬源極和金屬漏極，如圖2所示。

其中，f4-tcnq分子層可以覆蓋在含有電極的二硫化鉬表面，也可以覆蓋在不含有電極的二硫化鉬表面。

其中，二氧化硅層可以為sio2/si復(fù)合襯底。優(yōu)選為在其表面熱氧化形成有200-300nm厚sio2的si襯底。

其中，金屬源極和金屬漏極也可以使用真空蒸鍍來覆蓋在二硫化鉬上，真空蒸鍍的參數(shù)可以為：真空度為1×10^-5pa-5×10^-5pa，速度為0.005nm/s-0.05nm/s。

本發(fā)明二硫化鉬場效應(yīng)晶體管可以使用本領(lǐng)域中常用的方法制得，以保證在二硫化鉬表面真空蒸鍍f4-tcnq層即可。

本發(fā)明的另一方面，還提供了上述二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括：

1)制備二硫化鉬場效應(yīng)晶體管；

2)在二硫化鉬表面真空蒸鍍f4-tcnq層。

在一個優(yōu)選實施方式中，步驟1)具體可以為：

通過機械剝離法在含有柵極的二氧化硅層上獲得二硫化鉬層，利用電子束曝光制備電極圖案，在1×10^-5pa-5×10^-5pa下，以0.005nm/s-0.05nm/s的速度真空蒸鍍au/cr，得到二硫化鉬場效應(yīng)晶體管。其中，真空度優(yōu)選為3×10^-5pa，上述真空蒸鍍速度優(yōu)選為0.01nm/s。

在一個優(yōu)選實施方式中，au/cr的厚度為30-50nm/6-10nm，優(yōu)選為40nm/8nm。

在一個優(yōu)選實施方式中，上述二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括：

1)通過機械剝離法在含有柵極的二氧化硅層上獲得二硫化鉬層，利用電子束曝光制備電極圖案，在1×10^-5pa-5×10^-5pa下，以0.005nm/s-0.05nm/s的速度真空蒸鍍au/cr，得到二硫化鉬場效應(yīng)晶體管；

2)在上述二硫化鉬場效應(yīng)晶體管上，在1×10^-5pa-9×10^-5pa真空度下以0.05-0.3nm/s的速度真空蒸鍍5-20nmf4-tcnq層。

另外，由于f4-tcnq電負性強，而nh3易被氧化失去電子，當(dāng)nh3接觸摻雜f4-tcnq的mos2場效應(yīng)晶體管，f4-tcnq分子會奪取nh3分子的電子，抑制了電子從二硫化鉬向f4-tcnq的注入，使得mos2場效應(yīng)晶體管的開啟電壓產(chǎn)生移動。利用這一性質(zhì)，可以實現(xiàn)低柵壓下mos2場效應(yīng)晶體管的nh3傳感器的功能。

即本發(fā)明的再一個方面，提供了上述二硫化鉬場效應(yīng)晶體管或上述二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的制備方法在制備低柵壓nh3傳感器中的應(yīng)用。

其中，低柵壓可低至－5v。

同時，使用本發(fā)明的二硫化鉬效應(yīng)晶體管制備的nh3傳感器，其1000ppm的靈敏度達到約670000％。

本發(fā)明將最低未占據(jù)軌道遠低于二硫化鉬導(dǎo)帶的有機小分子材料f4-tcnq真空低溫蒸鍍于二硫化鉬上，使得二硫化鉬自摻雜的電子可以自發(fā)注入至f4-tcnq，降低了二硫化鉬本身的電子濃度，達到降低二硫化鉬場效應(yīng)晶體管的開啟電壓的目的，調(diào)控后的開啟電壓約為-5v。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中二硫化鉬場效應(yīng)晶體管器件示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施方式中摻雜f4-tcnq的二硫化鉬場效應(yīng)晶體管示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的mos2和f4-tcnq的能級示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例1中摻雜f4-tcnq和不摻雜的mos2場效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移曲線圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例1中摻雜f4-tcnq的mos2場效應(yīng)晶體管的nh3傳感測量圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

以下通過實例對本方案進行詳細描述。以下實例中，f4-tcnq從sigma-aldrich商購獲得，純度為99％，mos2是從spi商購獲得的天然h-相材料，真空蒸鍍儀購于bocedwards公司，型號為auto306，真空探針臺購于lakeshore公司。

實施例1

通過機械剝離法在sio2/si襯底上獲得mos2，利用電子束曝光制備電極圖案。在3×10^-5pa情況下以0.01nm/s的速度真空蒸鍍40nm/8nmau/cr，獲得mos2場效應(yīng)晶體管。然后在mos2場效應(yīng)晶體管上，于3×10^-5pa真空度下以0.1nm/s的速度真空蒸鍍10nmf4-tcnq，如圖2所示。在真空探針臺中對器件進行測量，其轉(zhuǎn)移曲線如圖4所示?？梢钥闯霾粨诫s的mos2場效應(yīng)晶體管的開啟電壓為-60v，摻雜f4-tcnq后的開啟電壓大幅降低，約為-5v。并且摻雜f4-tcnq降低了器件的亞閾值擺幅，從2.14v/decade減少到0.91v/decade，提高了器件的開啟速度。

實施例2

進一步進行了nh3傳感器的測量，向探針臺真空腔室內(nèi)通入定量的nh3，測量傳感器的靈敏度，如圖5所示。可以看出，該方案制備的mos2場效應(yīng)晶體管可以作為低柵壓(-5v)的nh3傳感器，其1000ppm的靈敏度達到約670000％，遠高于現(xiàn)有技術(shù)中報道的60％的靈敏度(如late,d.j.etal.sensingbehaviorofatomicallythin-layeredmos2transistors.acsnano，7卷，第6期，4879-4891頁)，證明本發(fā)明具有制備優(yōu)異的傳感器的潛在應(yīng)用價值。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。