专栏名称: 电子信息材料及器件
本公众号会分享一些2D TMDs器件、FETs的最新进展!!!
目录
相关文章推荐
51好读  ›  专栏  ›  电子信息材料及器件

Nat.Electron.:高的迁移率——晶圆级硒化半导体薄膜

电子信息材料及器件  · 公众号  ·  · 2025-02-16 21:37

正文

摘要:

溶液法制备的二维半导体可用于大规模、低成本地制造电子设备。然而,基于此类材料的器件电子性能通常低于通过高温化学气相沉积生长的材料所制备的器件。在本研究中,报告了 使用单层纳米片的胶体溶液(单层纯度超过98%)制备硒化铟(InSe)半导体薄膜 。InSe薄膜在4英寸晶圆上组装,单层构建块之间具有紧密且贴合的范德华接触。我们利用溶液法制备的薄膜制造了InSe晶体管,其电子迁移率达到90–120 cm² V⁻¹ s⁻¹,开关电流比高达10⁷,且电流滞后较小。此外,我们还展示了经过氧化物封装的InSe晶体管能够在空气中保持稳定长达3个月。

实验方法:

1. InSe晶体的合成

原料:使用金属级纯度的铟(In)和硒(Se)粉末,摩尔比为1:1。

合成过程:

将In和Se粉末在真空(3×10⁻³ Pa)条件下密封于石英安瓿中。

将密封好的石英安瓿水平放置在管式炉中,缓慢加热至850°C,并在此温度下保持72小时。

通过缓慢冷却至室温,获得高质量的InSe单晶。

2. InSe单层墨水的制备

电化学分子插层与剥离:

电解质溶液:将四烷基氢氧化铵(THAB)溶解在乙腈(ACN)中,浓度为0.01 M。

电化学插层:以新鲜解理的InSe晶体为阴极,石墨棒为阳极,银离子电极为参考电极,施加-3.2 V电压,反应时间为2小时。

剥离过程:将插层后的InSe晶体转移到二甲基甲酰胺(DMF)中,通过超声处理(5分钟)实现剥离。

操作环境:所有操作均在充满氮气的手套箱中进行,氧气和水分含量低于1 ppm。

溶剂处理:乙腈和DMF溶剂在使用前用氮气脱气,并用分子筛干燥以去除溶解氧和残留水分。

单层纯化:

剥离后的InSe单层溶液通过离心(1697g,5分钟)去除大块杂质。

再次离心(12838g,10分钟)收集单层纳米片,并将其重新分散在DMF中,制成最终的墨水溶液。

3. 基底处理

硅基底处理:

使用CH₃OH/HCl溶液(体积比1:1)处理SiO₂/Si基底30分钟,使其表面亲水。

在基底表面通过气相沉积法生长(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)自组装单分子层(SAM),生长时间为30分钟。

在手套箱中将处理后的基底在120°C下烘烤30分钟,以去除多余的硅烷分子。

4. InSe薄膜的组装

薄膜制备:

在手套箱中,将InSe墨水溶液通过离心(1071g,5分钟)去除沉淀物,调整最终浓度。

使用紫外-可见光光谱仪监测墨水溶液的浓度,典型吸收值为2.20(波长340 nm)。

通过旋涂法将InSe墨水溶液沉积在预处理的SiO₂/Si基底上,旋涂参数为:第一圈2000 rpm,20秒;后续圈2500 rpm,20秒。

每次旋涂后,将薄膜在100°C下烘烤3分钟,重复6次旋涂以获得用于器件制备的薄膜。

配体交换:

将制备好的薄膜浸入不同的配体交换溶液中(如四甲基铵六氟磷酸盐[TMAPF6]、十六烷基三甲基溴化铵[CTAB]等),室温下反应2小时。

用干净的溶剂冲洗薄膜10-30秒,然后在手套箱中吹干。

5. 薄膜的热处理

将经过配体交换或未经过配体交换的InSe薄膜在氮气手套箱中加热至300°C,保持2小时,以去除有机分子并转化为纯InSe薄膜。

6. 器件制备

薄膜晶体管(TFT)制备:

在200 nm厚的SiO₂/Si基底上沉积InSe薄膜。

使用热蒸发法通过金属掩模沉积源极和漏极电极(Cr/Au,20/50 nm)。

在器件封装时,使用原子层沉积(ALD)在晶体管顶部沉积10 nm厚的Al₂O₃保护层。

逻辑门器件制备:

使用光刻法在InSe薄膜上制备局部底栅(Cr/Au,10/30 nm)。

在200°C下通过ALD生长30 nm厚的Al₂O₃介电层。

使用光刻和干法刻蚀(氩等离子体刻蚀)对InSe薄膜进行图案化。

最后,通过光刻、氧化层刻蚀和金属化(Cr/Au,20/50 nm)完成电极互连。

创新点:

1. 高性能溶液法制备的InSe薄膜

创新点:通过溶液法成功制备了高性能的硒化铟(InSe)半导体薄膜,并实现了接近化学气相沉积(CVD)生长薄膜的电子迁移率。

2. 高纯度单层InSe墨水的制备







请到「今天看啥」查看全文