多层二硫化钼薄膜的制备及其接触电极研究

梁成豪 鄢传宗 包惠萍 马玲玉 张晓波

【摘要】单分子层二硫化钼（MoS2）是一种具有直接带隙1.8eV的二维半导体，因其特殊的六方晶系层状结构，其晶体管比硅晶体管体积更小、更省电。通过采取化学气相沉积（CVD）法制备二硫化钼薄膜，利用电子束蒸发长约几纳米的金属钼薄膜，金属钼和硫粉在CVD系统发生化学反应生成均匀连续的二硫化钼薄膜，在这过程中硫蒸汽会腐蚀硅基底，所以要采用转移工艺把制备的MoS2薄膜转移到新硅基底上。通过光刻、长电极等工艺在MoS2薄膜沉积Ni、Ti、Al金属电极，采用探针法测试MoS2晶体管的I-V特性曲线，研究不同金属电极对接触电阻大小的影响，并找出接触电阻最小且最适合作接触电极的金属材料。

【关键词】二硫化钼（MoS2）；化学气相沉积（CVD）；转移；接触电阻

1.引言

单层二硫化钼（简称“辉钼”）是一种带隙为1.9eV的新型二维半导体材料。目前，基于机械剥离法[1]制备的辉钼微片的晶体管及集成器件研究已取得重要突破，但高迁移率的单层辉钼薄膜制备技术成为制约辉钼电子器件的瓶颈。本项目通过实验来分析总结出电子束蒸发最合适的生长束流、并且探究了薄膜转移工艺，同时通过对不同材料电极（Ti、Ni、Al）进行接触电阻的测试和计算，从而得到最适合做电极的材料。

2.实验方案

本实验试着通过采取化学气相沉积法制备二硫化钼薄膜。首先利用电子束蒸发生长约几纳米的金属钼薄膜，然后将金属钼薄膜和硫源放置于CVD退火炉中，让他们之间相互发生化学反应，进而生成二硫化钼薄膜。通过研究薄膜的特性来制造出可以用于做背栅器件的MoS2薄膜，然后我们通过光刻、对准、长电极最终测试薄膜的I-V特性曲线等步骤研究了薄膜在不同金属材料（Ni、Ti、Al）作为电极时对接触电阻大小的影响，进而得出接触电阻最小的材料。

3.实验步骤

3.1 二硫化钼薄膜的生长

首先，我们研究了不同电子束流下金属钼薄膜的沉积，分别研究了电子束流为30mA、40mA、50mA、60mA，生长时间均为8min的情况。在含有270nmSiO2的硅基底上沉积好金属钼薄膜后，将钼薄膜和高纯硫粉在150sccm氩气保护下，800℃退火反应60min，即可生成二硫化钼薄膜。图1是50mA，8min下的拉曼（Raman）光谱图。

通过比较Raman光谱中E2g1峰和A1g峰之间的差值大小可以判断二硫化钼薄膜的层数[2]。结果发现，电子束流40mA，生长时间8min时，能长出1-2层的二硫化钼薄膜。50mA、8min长出的二硫化钼层数为4-5层。30mA没长成功Mo金属，而60mA的电子束流偏大，生长出的二硫化钼较厚。

3.2 二硫化钼薄膜的转移

由于金属钼薄膜和硫粉反应时，硫蒸汽会部分腐蚀硅基底，从而导致硅基底不能再用于下一步二硫化钼背栅器件的制作。因此需要研究二硫化钼薄膜的转移工艺，将二硫化钼薄膜转移到新鲜的硅基底上。我们研究了整个转移过程。首先，在二硫化钼薄膜表面旋凃几十微米的PMMA胶，100℃烘烤10min。然后将带有二硫化钼的基底放置于120℃的2mol/L的NaOH溶液中腐蚀60min。这时二硫化钼薄膜会与基底分开并漂浮在液体表面。再用去离子水将二硫化钼薄膜漂洗干净。随后把二硫化钼薄膜捞在新鲜的含有270nmSiO2的硅基底上。再接着将水烘烤干，然后腐蚀掉二硫化钼薄膜表面的PMMA胶。这样就可以将二硫化钼薄膜转移到新鲜的硅基底上进行二硫化钼背栅器件的制作。二硫化钼薄膜的均匀性较好，表面较干净。

3.3 接触电阻的测试

由于理论上来说I-V特性曲线应该是一条直线，但由于实验等一些误差以及其它方面的因素，导致测得的曲线在高电压下出现曲线往上翘的特征，所以我们应该取最接近直线的数据来进行拟合，以便得出可以真实反映其电阻大小的数据，对比后，我们取11?m以及13?m所测得的I-V曲线来进行数据分析。在线性范围比较好的阶段，也即0到5V阶段，我们将三种材料采用线性拟合。

（1）

根据公式1计算后的结果：最终，我们可以看到，在Ti作为接触金属所引入的接触电阻阻值较小，而对于Ni以及Al，则引入了更高的接触电阻。由于接触面的大小在测量的过程中是恒定的，那么导致的结果就是对于Ni和Al，其接触电阻电阻率也较大。具体数据如下：Ti的接触电阻是3.533E8欧姆；Ni的接触电阻是1.2117E10欧姆；而Al的接触电阻是1.2273E12欧姆。

4.总结

二硫化钼材料是新兴的半导体材料，其自身优越的电学性能任然需要广大学者潜心发掘。对于研究者来说，利用CVD技术生长二硫化钼会将硅基底腐蚀，从而导致器件失效的问题，本实验研究发现用PMMA胶以及NaOH溶液可以很好地将薄膜进行转移，实验步骤中也详细阐述的这一方法的具体实施；此外，在光刻阶段确定曝光时间的问题上，不同的曝光时间其得到的效果也不同，本实验通过对曝光时间的摸索，得出了一个可供广大研究者参考的曝光时间；同时，我们通过对接触电阻的测试和计算，得到在MoS2薄膜器件中选用金属作为电极的时候，采用Ti时引入的接触电阻比较小，测试得到的效果比较好。在较为先进的0.18?m集成工艺当中，同样是采用了Ti以及作为直接和半导体界面接触的阻挡层金属以及粘合剂。而Al布线大多采用在金属互连部分，对于和半导体接触后的接触电阻却是钛的1E4倍。因此，建议在构建二硫化钼器件的时候，在接触电阻影响方面，可以考虑选用Ti作为电极。

参考文献

[1]Li，H.，et al.，Preparation and Applications of Mechanically Exfoliated Single-Layer and Multilayer MoS2 and WSe2 Nanosheets.Accounts of Chemical Research，2014.

[2]Li，H.，et al.，From Bulk to Monolayer MoS2：Evolution of Raman Scattering.ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS，2012，22（7）：1385-1390.

作者簡介：梁成豪（1993—），男，甘肃武威人，大学本科，现就读于电子科技大学。