权利要求
1.一种基于垂直硅纳米线的全环栅
光伏场效应晶体管，其特征在于，包括：
衬底，以垂直硅纳米线作为沟道，每一根纳米线的两端分别与源漏极相连;
二维膜层栅极，以具备半导体性质的二维材料膜层构成，垂直硅纳米线穿过二维材料膜层。
2. 根据权利要求1所述的光伏场效应晶体管，其特征在于，所述的SOI衬底顶层硅掺杂浓度为1012~1016 cm-3，电阻率在1~100 Ω·cm之间，厚度为50~2000nm;顶层硅上表面存在重掺区域，掺杂浓度大于1017 cm-3，电阻率小于0.001 Ω·cm，厚度为10-200 nm。
3. 根据权利要求1所述的光伏场效应晶体管，其特征在于，所述垂直硅纳米线通过电子束光刻技术和紫外光刻技术并结合深反应离子刻蚀技术均匀制备，其直径在10~800 nm。
4.根据权利要求1所述的光伏场效应晶体管，其特征在于，所述二维材料膜层与垂直硅纳米线呈正交关系，且通过原子力显微镜球探针界面处理技术，使垂直硅纳米线穿过二维材料膜层，由此形成二维材料膜层以原子层厚度环绕硅纳米线的全环绕栅极结构，所述二维材料膜层位于所述垂直硅纳米线的中部。
5.根据权利要求1所述的光伏场效应晶体管，其特征在于，所述源漏电极和二维膜层栅极的外接电极均采用同一种金属材料制成，根据具体应用情况按照导电性、稳定性和机械柔性选择金、铬、铂、
铝、钛、和镓铟共晶中的一种材料制备电极。
6.根据权利要求1所述的光伏场效应晶体管，其特征在于，所述二维材料膜层采用MoS2、MoTe2、ReS2、WSe2、WS2或
石墨烯薄膜，所述二维材料膜层作为全环绕栅极，实现具有亚纳米尺度的短沟道光伏场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的光伏场效应晶体管，其特征在于，所述单根垂直硅纳米线穿过两层、三层或多层独立式二维材料膜层形成双栅、三栅或多栅环绕结构。
8.根据权利要求1所述的光伏场效应晶体管，其特征在于，所述的衬底经过微纳加工呈现微纳结构，微纳结构包括纳米线、纳米管、纳米棒、纳米锥或纳米柱，直径为10~800nm，高度为40~1000nm，具有更大的比表面积。
9.根据权利要求1所述的光伏场效应晶体管，其特征在于，衬底中源极是公共端，二维膜层栅极以及源极和漏极均由金属电极引出。
10.一种基于垂直硅纳米线的全环栅光伏场效应晶体管的制备方法(此处以石墨烯栅晶体管阵列制备为例)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)准备具有硅岛的衬底;在所述衬底光刻出分立的硅岛图形，然后用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀掉多余的硅结构，暴露出介质隔离层;
2)在硅岛上制备垂直硅纳米线阵列;通过电子束光刻技术在硅岛写出圆形阵列，再通过镀膜技术制备圆形阵列金属掩模，然后通过深反应离子刻蚀技术制备垂直硅纳米线;
3)通过将硅纳米线垂直穿过二维材料膜层，在垂直硅纳米线中部制备全环绕栅极，通过金属电极引出;通过湿法将石墨烯薄膜转移在所述硅岛形成的垂直硅纳米线阵列区域，并通过图形化工艺对石墨烯薄膜进行刻蚀处理，保留所述垂直硅纳米线阵列顶端的石墨烯薄膜作为栅极层，随后通过原子力显微镜球探针界面处理技术，将石墨烯薄膜向下推压，使得垂直的硅纳米线穿过石墨烯薄膜，并定位于纳米线的中部区域，从而制备出全环绕栅极结构;
4)制备晶体管源漏端;再次转移石墨烯薄膜至垂直硅纳米线阵列顶端区域，图形化后将硅纳米线顶端由石墨烯薄膜引至一侧孤立的金属电极制备漏端，控制硅刻蚀深度，使得垂直硅纳米线底部互联作为公共源端。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及二维材料与硅基CMOS异质集成领域，特别涉及一种基于垂直硅纳米线的全环栅光伏场效应晶体管及制备方法。
背景技术
[0002]随着CMOS集成电路的持续发展以及对二维材料性能的深入了解和工艺的改进，二维材料和硅半导体器件的异质集成越来越成为未来的发展趋势。然而，随着传统硅基
芯片制造技术临近尺寸微缩的理论极限，硅基集成电路面临着响应速度较慢、器件功耗激增和系统集成度低等诸多挑战。为突破上述传统半导体器件的物理极限，研究前沿正加速转向二维过渡金属硫族化合物(2D-TMDs)基集成电路的研发。这类材料通过范德华异质集成技术与其他材料结合，其独特的层间弱键合特性使器件在纳米级微缩尺寸下依然保持超高的载流子迁移率。得益于原子级平整表面和无表面悬挂键特性，2D-TMDs不仅能有效规避传统微缩工艺中的界面散射问题，其本征量子限域效应还可显著抑制传统
半导体材料中常见的短沟道效应，为后摩尔时代集成电路发展提供了突破性解决方案。
[0003]短沟道效应是指当MOSFET的沟道长度缩短到与源漏结的耗尽层宽度可比时，源漏结的耗尽区对沟道内电势分布产生显著影响，导致一系列特性的改变，如阈值电压下降、漏致势垒降低(DIBL)、亚阈值系数恶化、电流非饱和穿通效应等。目前工业界有诸多抑制短沟道效应的方法，如改变晶体管结构(Fin晶体管)、降低器件工作电压、提高沟道掺杂浓度、源漏区掺杂等。然而这些方法存在较大的局限性，如降低器件工作电压直接限制了应用场景，掺杂工艺步骤繁琐且要求高精度对准。
[0004]相比于之前的通过改进晶体管结构来抑制短沟道效应，二维材料最大的优势是其提供原子层厚度的极短栅极，并且在制造复杂度和工艺成本上也极具优势。有相关研究提出了10 nm超短沟道弹道二维硒化铟晶体管，其工作压降仅0.5V，在响应速度和能耗方面赶超Inter商用的硅基Fin晶体管。然而其结构设计思路依旧是直接缩小源漏之间的横向距离，太小的间距在转移二维材料时极易发生薄膜自粘连或悬空，进而导致器件性能折损。因此，转换思路，本发明以纳米线的纵向深度换取沟道横向宽度，将原子力显微镜界面处理技术创新性的应用到极小尺寸晶体管的制备中，不仅为突破硅基集成电路的集成瓶颈提供了新机遇，同时也为二维材料与硅基的异质集成提供新思路，进一步推动后摩尔时代集成电路研究的创新和发展。
发明内容
[0005]本发明提供一种制备简便、器件响应速度快、波长范围较宽的纳米尺寸环绕栅极光伏场效应晶体管。同时利用SOI技术，减少了源漏区与体硅之间的寄生电容，降低了漏电流，具有低功耗特性。此晶体管与硅基CMOS工艺兼容，可实现大规模集成。
[0006]本发明提出的光伏场效应晶体管，包括：一种基于垂直硅纳米线的全环栅光伏场效应晶体管阵列，包括：
衬底，以垂直硅纳米线阵列作为沟道，每一根纳米线的两端分别与源漏极相连;
二维膜层栅极，为具备半导体性质的二维材料膜层构成，垂直硅纳米线穿过二维材料膜层。
[0007]进一步地，所述的SOI衬底掺杂浓度为1012~1016cm-3，电阻率在1~100 Ω·cm之间，厚度为50~2000nm;顶层硅上表面存在重掺区域，掺杂浓度大于1017cm-3，电阻率小于0.001Ω·cm，厚度为10-200 nm。
[0008]进一步地，所述垂直硅纳米线通过电子束光刻技术和极紫外光刻技术并结合深反应离子刻蚀技术均匀制备，其直径在10~800 nm。
[0009]进一步地，所述二维材料膜层与垂直硅纳米线呈正交关系，且通过原子力显微镜球探针界面处理技术，使垂直硅纳米线穿过二维材料膜层，由此形成二维材料膜层以原子层厚度环绕硅纳米线的全环绕栅极结构，所述二维材料膜层位于所述垂直硅纳米线的中部。
[0010]进一步地，所述源漏电极和二维膜层栅极的外接电极均采用钛、金、铬、铂、铝和镓铟共晶中的一种材料制成，根据具体应用情况按照导电性、稳定性和机械柔性选择金、铬、铂、铝、钛、和镓铟共晶中的一种材料制备电极。
[0011]进一步地，所述二维材料膜层采用MoS2、MoTe2、ReS2、WSe2、WS2或石墨烯薄膜，所述二维材料膜层作为全环绕栅极，实现具有亚纳米尺度的短沟道光伏场效应晶体管。
[0012]进一步地，所述单根垂直硅纳米线穿过分别独立式的两层、三层或多层二维材料膜层形成双栅、三栅或多栅环绕结构。
[0013]进一步地，所述的衬底经过微纳加工呈现微纳结构，微纳结构包括纳米线、纳米管、纳米棒、纳米锥或纳米柱，直径为10~800nm，高度为40~1000nm，具有更大的比表面积。
[0014]进一步地，衬底中源极是公共端，二维膜层栅极以及源极和漏极均由金属电极引出。
[0015]另一方面，本发明还公开了一种基于垂直硅纳米线的全环栅光伏场效应晶体管的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)准备具有硅岛的衬底;在所述衬底光刻出需要做纳米线阵列的硅岛区域，然后用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀掉多余的硅结构，将介质隔离层暴露出来;
2)在衬底上的硅岛制备垂直硅纳米线阵列;通过电子束光刻技术和磁控溅射在硅表面制备金属掩模，然后通过深反应离子刻蚀技术制备垂直硅纳米线;
3)通过将硅纳米线垂直穿过二维材料膜层，在垂直硅纳米线中部制备全环绕栅极，并通过金属电极引出;通过湿法转移将石墨烯薄膜转移在垂直硅纳米线阵列区域，并通过图形化工艺对石墨烯薄膜进行刻蚀处理，仅保留所述垂直硅纳米线阵列顶端的单层石墨烯作为栅极层，随后通过原子力显微镜球探针界面处理技术，将石墨烯薄膜向下推压，使得垂直的硅纳米线穿过石墨烯薄膜，并定位于纳米线的中部区域，从而制备出全环绕栅极结构。
[0016]4)制备晶体管源漏端;再次转移石墨烯薄膜至所述垂直硅纳米线阵列顶端区域，图形化后将硅纳米线顶端由石墨烯薄膜引至一侧孤立的金属电极制备漏端，垂直硅硅纳米线底部互联作为公共源端。
[0017]本发明的有益效果：
1.增强的栅控能力：全环栅结构提供了更好的栅极控制能力，可以更精确地调节晶体管的开关状态，从而提高器件的性能和能效。
[0018]2.提高集成度：二维材料作为全环栅结构允许在更小的面积上集成更多的晶体管，这对于提高集成电路的集成度和性能至关重要。
[0019]3.改善的开关速度：由于全环栅结构可以更有效地控制电流流动，加之二维材料具有高载流子迁移率、优异的电子传输特性，因此可以大幅度提高晶体管的开关速度，这对于高速电子设备来说是一个重要的优势。
[0020]4.降低功耗：全环栅结构有助于降低晶体管的漏电流，且二维材料具有低噪声特性，二维材料作为全环栅结构大幅度减少功耗，这对于移动设备和能源敏感的应用尤为重要。
[0021]5.增强的光吸收能力：二维材料作为全环栅结构可以增强光吸收能力，提高光电转换效率，这对于
太阳能电池和其他光电设备来说是一个显著的优势。
附图说明
[0022]图1为本发明提供的基于垂直硅纳米线的全环栅光伏场效应晶体管的结构示意图。
[0023]图中标号：SOI衬底包括Substrate Si 1、氧化层2、顶硅3和顶硅重掺杂区4，漏极5、源极6、Si纳米线7、二维材料膜层全环绕栅极8。
[0024]图2为本发明提供的基于垂直硅纳米线的全环栅光伏场效应晶体管的机理图。
[0025]图3为本发明提供的基于垂直硅纳米线的全环栅光伏场效应晶体管的制备工艺流程图。
具体实施方式
[0026]为使本发明的设计目的和技术方案更加清晰，下面将结合附图，依次对本发明涉及的器件结构、工作原理和制备流程进行详细的描述。所述的实施例包含在本发明内。基于本发明中的实施例，他人在未作出创造性劳动的情况下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
[0027]如图1所示，为本发明提供的光伏场效应晶体管的器件结构图。包括的基本结构有SOI衬底(Substrate Si 1(基底Si)、氧化层2、顶硅3、顶硅重掺杂区4、漏极5、源极6、Si纳米线7、二维材料膜层全环绕栅极8。
[0028]由衬底上硅岛部分制备的垂直硅纳米线作为晶体管沟道，所述垂直硅纳米线通过电子束光刻技术和极紫外光刻技术并结合深反应离子刻蚀技术均匀制备，其直径在10~800nm。垂直硅纳米线的上下两端为源漏电极，均由金属电极引出，垂直硅纳米线的中部环绕原子层厚的二维材料膜层栅极，本实施例中以石墨烯作为环绕栅极，包括单层、少层、多层石墨烯薄膜，实现具有亚纳米尺度的短沟道光伏场效应晶体管，石墨烯膜层与垂直硅纳米线呈正交关系，通过原子力显微镜球探针界面处理技术，垂直硅纳米线穿过石墨烯膜层，石墨烯膜层可以是两层、三层或多层，由此形成石墨烯膜层以原子层厚度环绕硅纳米线的双栅、三栅或多栅的全环绕栅极结构，石墨烯膜层位于所述硅纳米线的中部;所述石墨烯栅极层由金属电极引出以便测试;在本发明中源漏引出电极采用具有优异导电性和出色化学稳定性的Au材料制成，其中源端是公共端。栅极的外引电极采用Ti或Au的材料制成。另外，源漏端需通过离子注入等工艺实现欧姆接触，所述的SOI衬底为n型轻掺，掺杂浓度为1012~1016cm-3，电阻率在1~100 Ω·cm之间，厚度为10~2000nm;SOI衬底顶层硅上表面存在n型重掺区域，掺杂浓度大于1017cm-3，电阻率小于0.001 Ω·cm，厚度为10-200 nm。所述的衬底经过微纳加工呈现纳米线，直径为200nm，高度为130nm，具有更大的比表面积，增强对红外光的吸收转化，提高量子转换效率。
[0029]本发明提供的光伏场效应晶体管，所述硅纳米线阵列以垂直深度换取横向宽度，实现二维材料与CMOS器件的大规模集成。
[0030]如图2所示，为本发明提供的光伏场效应晶体管的工作原理图。在暗环境下，n掺杂的薄硅层与石墨烯的接触界面形成肖特基势垒，因此在平衡时n型半导体内形成一定深度的耗尽层，此时耗尽层深度小于硅层厚度，因此仍有电流流经源漏两端。当栅极加正电压时，耗尽层收缩，沟道变厚，沟道电流增大。反之，当栅极加负偏压时，足够大的负偏压可将沟道厚度变为零，即沟道被耗尽层夹断。
[0031]如图3所示，为本发明提供的光伏场效应晶体管的工艺流程图。具体如下：
(1)将图3步骤a所示的SOI衬底依次将其放入丙酮，去离子水溶液中进行超声清洗5min，再用食人鱼溶液清洗干净，用氮气吹干;
(2)将处理好的衬底进行全局离子注入(步骤b);
(3)在清洗后的硅衬底的上表面利用极紫外光刻曝光出硅岛图案，在暴露区域蒸镀Al，形成蚀刻掩膜。然后通过电感耦合等离子体刻蚀掉硅形成凸起结构(c-1, c-2)，没有铝膜保护的区域则露出二氧化硅。随后用刻蚀溶液剥离Al掩膜(步骤c-d);
(4)在制备的硅岛内通过电子束曝光出纳米线阵列的图案，随后在 MIBK 和 IPA中显影。在暴露区域蒸镀40 nm厚的Al，形成金属掩膜。将目标样品浸入二氯甲烷溶液和异丙醇，静置5分钟，清洗样品表面的保护剂PMMA，氮气吹干(步骤e);
(5)采用深反应离子刻蚀技术，金属掩模下的硅将被保留，其他未被金属保护的区域则被刻蚀一定深度，由此形成Si纳米线阵列。(步骤f);
(6)用刻蚀溶液剥离Al掩膜。然后通过热蒸发制备源极、漏极、栅极的测试电极(步骤g);
(7)转移并处理栅极材料。通过湿法转移将石墨烯薄膜转移到目标衬底的纳米线阵列区域上方，并通过图案化刻蚀工艺去除多余的石墨烯，保留所述纳米线阵列顶端的石墨烯作为栅极层;若采用MoS2、MoTe2、ReS2、WSe2、WS2等其它材料，可以使用干法转移技术，使之覆盖整个窗口，并通过图案化刻蚀去除多余的部分。
[0032](8)利用原子力显微镜球型探针界面处理技术，利用探针的球形针尖与石墨烯之间的交互作用(一定要接触)，使非常软的探针臂产生偏折，针对目标纳米线，在其接触的石墨烯表面使探针做圆周运动，通过调控探针的下压力度使石墨烯层最终穿过纳米线形成环绕栅极。设置的探针与石墨烯产生原子间的力约为10-6至10-9N。(步骤h);
(9)转移漏极材料。再次通过湿法转移将石墨烯薄膜转移到目标衬底的纳米线阵列区域上方，使之覆盖整个纳米线阵列和一侧独立的漏极硅岛，最后将石墨烯薄膜图案化，硅纳米线底部互联作为公共源端(步骤i)。
[0033]本实施例所制备的基于垂直硅纳米线的全环栅光伏场效应晶体管，以垂直纳米线作为场效应晶体管的沟道，具有一系列显著的优势，主要表现在高的载流子迁移率、优异的栅控能力、低功耗、和高集成度。
[0034]高载流子迁移率：百纳米的极小尺寸使得载流子在纳米线沟道中的移动更为迅速，一定程度上有效降低了散射和碰撞的概率，从而提高了载流子的迁移率。这有助于提升场效应晶体管的电导性能，使其在高速运算和信号处理等方面具有更好的表现。
[0035]优异的栅控能力：以纳米线为沟道结构的晶体管，栅极对沟道内的电场分布具有更强的控制能力。当栅极电压变化时，沟道内的电场分布能够快速响应，从而实现对沟道电流的精确调控。这种优异的栅控能力有助于提高场效应晶体管的开关速度和响应灵敏度。
[0036]低功耗：由于纳米线的沟道尺寸极小，场效应晶体管在工作时所需的驱动电压和电流也相应降低，从而实现了低功耗的特性。
[0037]高集成度：纳米线的紧凑结构使得场效应晶体管在集成电路中的布局更为密集，提高了集成度。这有助于缩小芯片尺寸、提高生产效率和降低成本，为电子设备的小型化和轻量化提供了更多的提升空间。
[0038]二维材料通常具有优异的热稳定性，结合硅基底的使用，可以提高整个器件在高温环境下的稳定性和可靠性。二维材料的灵活性和可扩展性使得这种结构可以适应不同的应用需求，包括柔性电子和可穿戴设备。总体而言，这种二维材料/硅异质结的结型场效应晶体管结构的发明和应用可以推动对二维材料和其他新型半导体材料的研究，为未来的电子器件开发提供更多可能性。
[0039]以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，均可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
说明书附图(3)
声明：
“基于垂直硅纳米线的全环栅光伏场效应晶体管及制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：浙江大学
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2025年04月25日 ~ 27日 
