一种电荷俘获型的二维水平同质结整流器及制备方法

1.本发明涉及半导体电子技术领域，尤其涉及一种电荷俘获型的二维水平同质结整流器及制备方法。


背景技术：

2.p-n结是电子和光电领域中的基本构成元件，在整流器、光伏电池、二极管和晶体管中有着广泛的应用。已经发现的二维材料已经形成包括金属（如石墨烯）、半导体（如黑磷、过渡金属硫族化合物）和绝缘体（如氮化硼）的庞大家族，作为未来集成电路用的有力候选材料备受关注。而单层二维半导体的表面没有悬挂键，其单层厚度的厚度仅有~0.6nm，但仍然可以保持良好的沟道-栅介质界面，在晶体管迈入10nm技术节点时期后提供比硅高的载流子迁移率。二维材料的出现也为p-n结的研究开辟了新的前景，注入了生机和活力，目前学界已经有关于二维半导体p-n结的相关研究报道，在制备工艺方面，二维半导体p-n结可以避开高能离子注入转而采用诸如厚度工程、表面修饰和范德华界面耦合的方式；在应用方面，分离栅电极调控实现n-n结、n-p结、p-n结、p-p结之间的切换，这种可重构的功能特点是二维半导体p-n结的独有优势。二维二硒化钨作为一种双极性输运材料，可以通过分立栅电极、源漏电极掺杂、半浮栅等方式进行极性调控，但目前这些方式产生的wse2同质结整流性能均受到限制，基于新原理的wse2同质p-n结的开发很有必要。
3.因此，有必要研究一种电荷俘获型的二维水平同质结整流器及制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种电荷俘获型的二维水平同质结整流器及制备方法，能够在正栅电场条件下利用石墨炔和二氧化硅绝缘层对双极性二维二硒化钨进行p掺杂和n掺杂，形成的p-n结可以获得较大的整流比且整流性能稳定。
5.一方面，本发明提供一种电荷俘获型的二维水平同质结整流器，所述整流器通过对二维二硒化钨同时进行n型掺杂和p型掺杂，使所述二维二硒化钨在水平方向形成p-n同质结，从而使其输出电流随着输入漏源电压的正负分别呈现高电平和低电平，实现整流器功能。
6.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述整流器包括所述二维二硒化钨、石墨炔薄膜、绝缘层和硅栅电极；所述硅栅电极位于底部；所述二氧化硅绝缘层铺设于所述硅栅电极上，所述石墨炔薄膜铺设于所述绝缘层上；所述二维二硒化钨铺设于所述石墨炔薄膜和所述硅绝缘层上；所述硅栅电极用于施加正向栅电场；在所述正向栅电场作用下，所述石墨炔薄膜与对应位置的所述二维二硒化钨产生p型掺杂，所述绝缘层与对应位置的所述二维二硒化钨产生n型掺杂，使得所述二维二硒化钨在水平方向形成p-n同质结。
7.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述整流器还包括源电极金属层和漏电极金属层，所述源电极金属层和所述漏电极金属层分设在所述二维二硒化钨的两端。
8.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述二维二硒化钨1的厚度为5~10nm。
9.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述的石墨炔薄膜的厚度为10~15nm。
10.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述绝缘层为sio2绝缘层、hfo2绝缘层或hfzro绝缘层；所述sio2绝缘层的厚度为285~300nm；所述hfo2绝缘层或hfzro绝缘层的厚度为10~20nm。
11.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述源电极金属层和所述漏电极金属层的厚度均为60~80nm。
12.另一方面，本发明提供一种如上任一所述电荷俘获型的二维水平同质结整流器的制备方法，所述方法的步骤包括：s1.制备二氧化硅绝缘层和硅栅电极的组合体，然后对组合体进行超声清洗并干燥；组合体可采用直接购买的方式获得；s2.通过图案化转移的方法在所述二氧化硅绝缘层上将石墨炔薄膜转移到预定位置；s3.采用精确转移技术将二维二硒化钨从二氧化硅绝缘层上转移到石墨炔的位置上，实现石墨炔-二维二硒化钨异质结的制备；s4.在二维二硒化钨上制备源电极金属层和漏电极金属层。
13.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s3完成后进行高真空退火处理。
14.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，高真空退火处理的真空度为10-5
mbar，处理温度为100~180℃，退火时间为2~5小时。
15.与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明利用正栅电压电场条件下石墨炔对双极性二维二硒化钨的电荷俘获作用实现对二维二硒化钨的p掺，直接俘获效率高，p掺作用稳定且效果强；二氧化硅绝缘层对二维二硒化钨n掺，简化了器件结构和制备工艺；形成的p-n结可以获得较大的整流比且整流性能稳定。
16.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
18.图1是本发明一个实施例提供的电荷俘获型的二维水平同质结整流器结构示意图；图2是本发明一个实施例提供的整流器在梯度正栅电压条件下的输出特性曲线。
19.其中，图中：1、二维二硒化钨；2、源电极金属层；3、漏电极金属层；4、石墨炔薄膜；5、二氧化硅绝缘层；6、硅栅电极。
具体实施方式
20.为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
21.应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.针对现有技术的不足，本发明提出一种电荷俘获型的二维水平同质结，在正栅压电场作用下，利用石墨炔对异质结区域的双极性二维硒化钨进行俘获，实现p型掺杂，二氧化硅绝缘层可以对沟道区域异质结以外的二维硒化钨进行n掺，从而在二维硒化钨中形成水平同质p-n结，获得整流功能。
23.根据本公开实施例的一种具体实施方式，该电荷俘获型的二维水平同质结整流器，包括二维二硒化钨1、纯金的源电极金属层2、纯金的漏电极金属层3、石墨炔薄膜4、二氧化硅绝缘层5、硅栅电极6。所述的硅栅电极6可以施加正向栅电场，所述的石墨炔薄膜4在正向栅电场作用下可以对石墨炔-二维二硒化钨异质结区域的二维二硒化钨1产生p型掺杂，而所述的二氧化硅绝缘层5对沟道中异质结以外区域的二维二硒化钨1进行n型掺杂，所述的二维二硒化钨1在水平方向形成p-n同质结，其输出电流随着输入源漏电压的正负分别呈现高电平和低电平，实现整流器的功能。
24.进一步地，所述的二维水平同质结结区宽度可通过源电极金属层2和漏电极金属层3之间的距离以及石墨炔薄膜4和二维二硒化钨1之间的接触宽度调节。
25.进一步地，所述的二维二硒化钨1的厚度为5~10nm。
26.进一步地，所述的石墨炔薄膜4的厚度为10~15nm。
27.进一步地，纯金电极金属层的厚度为60~80nm。
28.进一步地，所述的二氧化硅绝缘层5的厚度为300nm。
29.本发明利用栅压电场条件下，石墨炔-二维二硒化钨异质结区域二维二硒化钨中电荷的俘获作用，构筑了二维二硒化钨水平同质p-n结。二氧化硅作为栅介质层，硅作为栅电极，石墨炔作为电荷俘获层，二维二硒化钨作为沟道材料。在连续正向栅压电场作用下，沟道中异质结区域的二维二硒化钨中的大量电子被俘获到石墨炔中，相当于对此部分二维二硒化钨进行p型掺杂，而另单独的二维二硒化钨区域的二维二硒化钨被二氧化硅n型掺杂，由此二维二硒化钨在水平方向形成同质p-n结，输出电流呈现明显的整流特征，可以实现高性能整流器的功能，其整流特性的输出曲线如图2所示。
30.所述的电荷俘获型的二维水平同质结整流器制备步骤如下：步骤1. 将二氧化硅绝缘衬层5及硅栅电极6依次放入丙酮、异丙醇、去离子水三种溶液中超声清洗15分钟，取出，吹干；步骤2. 在二氧化硅绝缘层上通过图案化转移方法将石墨炔薄膜4转移到一定位置；
步骤3. 在二氧化硅绝缘层5上采用精确转移技术将二维二硒化钨1转移到石墨炔的固定相对位置上，石墨炔-二维二硒化钨异质结形成。
31.步骤4.在二维二硒化钨1上制备纯金金属电极层2和3。
32.进一步地，所述的石墨炔-二维二硒化钨异质结制备完成后，进行高真空退火处理，真空度为10-5
mbar，处理温度为100~180℃，退火时间为2~5小时。
33.上述图案化转移石墨炔薄膜的方法包括：步骤2.1、将目标基底匀上光刻胶，进行图案化曝光、显影，将希望转移石墨炔薄膜图案的地方裸露出来；步骤2.2、通过湿法转移法将石墨炔薄膜转移到显影之后的目标基底上；步骤2.3、将转移好石墨炔薄膜的目标基底去胶，之后便得到图案化的石墨炔薄膜。
34.图案化转移石墨炔薄膜的更详细内容可参照中国发明专利cn112859514a。精确转移技术采用本领域现有的精确转移技术即可，本发明不做详细限定。
35.实施例1一种电荷俘获型的二维水平同质结整流器，包括二维二硒化钨1、纯金源电极金属层2、纯金漏电极金属层3、石墨炔薄膜4、二氧化硅绝缘层5、硅栅电极6。所述的硅栅电极6可以施加正向栅电场，所述的石墨炔薄膜4在正向栅电场作用下可以对石墨炔-二维二硒化钨异质结区域的二维二硒化钨1产生p型掺杂，而所述的二氧化硅绝缘层5对沟道中异质结以外区域的二维二硒化钨1进行n型掺杂，所述的二维二硒化钨1在水平方向形成p-n同质结，其输出电流随着输入源漏电压的正负分别呈现高电平和低电平，实现整流器的功能。二维水平同质结结区宽度可通过纯金电极金属层2和3之间的距离以及石墨炔薄膜4和二维二硒化钨1之间的接触宽度调节。其中，二维二硒化钨1的厚度为5nm。石墨炔薄膜4的厚度为10nm。纯金电极金属层的厚度为60nm。二氧化硅绝缘层5的厚度为300nm。二维水平同质结整流器制备步骤如下：首先，将二氧化硅绝缘衬层5及硅栅电极6依次放入丙酮、异丙醇、去离子水三种溶液中超声清洗15分钟，取出，吹干；接着，在二氧化硅绝缘层上通过图案化转移方法将石墨炔薄膜4转移到一定位置；然后，在二氧化硅绝缘层5上采用精确转移技术将二维二硒化钨1转移到石墨炔的固定相对位置上，石墨炔-二维二硒化钨异质结形成，再在二维二硒化钨1上制备纯金金属电极层2和3。最后进行高真空退火处理，真空度为10-5
mbar，处理温度为100℃，退火时间为5小时。
36.实施例2一种电荷俘获型的二维水平同质结整流器，包括二维二硒化钨1、纯金源电极金属层2、纯金漏电极金属层3、石墨炔薄膜4、二氧化硅绝缘层5、硅栅电极6。所述的硅栅电极6可以施加正向栅电场，所述的石墨炔薄膜4在正向栅电场作用下可以对石墨炔-二维二硒化钨异质结区域的二维二硒化钨1产生p型掺杂，而所述的二氧化硅绝缘层5对沟道中异质结以外区域的二维二硒化钨1进行n型掺杂，所述的二维二硒化钨1在水平方向形成p-n同质结，其输出电流随着输入源漏电压的正负分别呈现高电平和低电平，实现整流器的功能。二维水平同质结结区宽度可通过纯金电极金属层2和3之间的距离以及石墨炔薄膜4和二维二硒化钨1之间的接触宽度调节。其中，二维二硒化钨1的厚度为7nm。石墨炔薄膜4的厚度为14nm。纯金电极金属层的厚度为70nm。二氧化硅绝缘层5的厚度为300nm。二维水平同质结整
流器制备步骤如下：首先，将二氧化硅绝缘衬层5及硅栅电极6依次放入丙酮、异丙醇、去离子水三种溶液中超声清洗15分钟，取出，吹干；接着，在二氧化硅绝缘层上通过图案化转移方法将石墨炔薄膜4转移到一定位置；然后，在二氧化硅绝缘层5上采用精确转移技术将二维二硒化钨1转移到石墨炔的固定相对位置上，石墨炔-二维二硒化钨异质结形成，再在二维二硒化钨1上制备纯金金属电极层2和3。最后进行高真空退火处理，真空度为10-5
mbar，处理温度为120℃，退火时间为3小时。
37.实施例3一种电荷俘获型的二维水平同质结整流器，包括二维二硒化钨1、纯金源电极金属层2、纯金漏电极金属层3、石墨炔薄膜4、二氧化硅绝缘层5、硅栅电极6。所述的硅栅电极6可以施加正向栅电场，所述的石墨炔薄膜4在正向栅电场作用下可以对石墨炔-二维二硒化钨异质结区域的二维二硒化钨1产生p型掺杂，而所述的二氧化硅绝缘层5对沟道中异质结以外区域的二维二硒化钨1进行n型掺杂，所述的二维二硒化钨1在水平方向形成p-n同质结，其输出电流随着输入源漏电压的正负分别呈现高电平和低电平，实现整流器的功能。二维水平同质结结区宽度可通过纯金电极金属层2和3之间的距离以及石墨炔薄膜4和二维二硒化钨1之间的接触宽度调节。其中，二维二硒化钨1的厚度为10nm。石墨炔薄膜4的厚度为15nm。纯金电极金属层的厚度为80nm。二氧化硅绝缘层5的厚度为300nm。二维水平同质结整流器制备步骤如下：首先，将二氧化硅绝缘衬层4及硅栅电极6依次放入丙酮、异丙醇、去离子水三种溶液中超声清洗15分钟，取出，吹干；接着，在二氧化硅绝缘层上通过图案化转移方法将石墨炔薄膜4转移到一定位置；然后，在二氧化硅绝缘层5上采用精确转移技术将二维二硒化钨1转移到石墨炔的固定相对位置上，石墨炔-二维二硒化钨异质结形成，再在二维二硒化钨1上制备纯金金属电极层2和3。最后进行高真空退火处理，真空度为10-5
mbar，处理温度为150℃，退火时间为3小时。
38.以上对本技术实施例所提供的一种电荷俘获型的二维水平同质结整流器及制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
39.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
40.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一
种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。