基於範德華接觸垂直p-n結二極體及製備方法、半導體器件
2024-04-12 16:08:05 1
1.本發明屬於二維材料器件技術領域，更具體地，涉及一種基於範德華接觸垂直p-n結二極體及製備方法、半導體器件。
背景技術：
2.p-n結二極體是現代電子及光電子器件的基石，在邏輯電路、光伏、發光二極體和光電探測器中都存在廣泛的應用。隨著集成電路的發展，p-n結的尺寸微縮是提高集成度、操作速度和降低能耗的必然需求。而基於傳統半導體(矽、鍺、砷化鎵等)的p-n結在尺寸減小到納米量級時，由於界面缺陷和晶格失配而發生性能嚴重下降。
3.近年來，二維材料在新一代高性能電子器件中受到了廣泛的研究。其具有原子層級別的厚度和無懸掛鍵的表面，通過構建垂直異質結有望實現具有原子層級別溝道長度的p-n結二極體。目前基於二維材料的垂直p-n結二極體中，由於傳統蒸鍍電極工藝會對二維材料的晶格產生破壞，產生界面態並引起費米能級的釘扎，導致金屬和半導體間產生肖特基勢壘，影響二極體的性能。另外，當垂直p-n結溝道減小到10納米以下時，晶格的破壞會引發較大的隧穿電流，使二極體性能失效。
4.鑑於以上問題，目前亟需開發一種具有高質量界面的二維材料垂直p-n結二極體，以解決短溝道垂直二維p-n二極體中性能較差的問題，為二維材料垂直p-n結的應用鋪平道路。
技術實現要素：
5.針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基於範德華接觸垂直p-n結二極體及製備方法、半導體器件，其目的在於避免現有製備方法中界面晶格破壞導致的費米釘扎和隧穿電流，從而得到高性能的二維材料垂直p-n結二極體，由此解決現有技術製備的二維材料垂直p-n結二極體性能較低的技術問題。
6.為實現上述目的，按照本發明的一個方面提供一種基於範德華接觸的二維材料垂直p-n結二極體，包括自上而下垂直堆疊的金屬頂電極、p型二維材料、n型二維材料和底電極，其中，相鄰兩層的材料之間通過範德華力形成範德華接觸，從而實現相鄰兩層的材料相互貼合不脫落。
7.優選地，所述p型二維材料與n型二維材料的總厚度為10納米以下。
8.優選地，所述p型二維材料與n型二維材料的總厚度為1.9-4.7納米。
9.優選地，所述金屬頂電極的材質為金、鉑、鈀或鎳，所述p型二維材料為二硒化鎢、二碲化鉬、硒化鎵或硒化鍺，所述n型二維材料為二硫化鎢、二硫化鉬或二硒化鉬，所述底電極為石墨烯。
10.按照本發明的另一個方面，提供了一種二維材料垂直p-n結二極體的製備方法，所述製備方法包括：通過定點轉移法依次將底電極、n型二維材料、p型二維材料、金屬頂電極轉移到表面具有sio2層的矽片襯底上，其中，相鄰兩層的材料之間通過範德華力形成範德
華接觸，從而實現相鄰兩層的材料相互貼合不脫落。
11.優選地，所述定點轉移法為：通過機械剝離法得到石墨烯納米片、n型二維材料納米片和p型二維材料納米片，通過定點轉移法依次將石墨烯納米片、n型二維材料納米片和p型二維材料納米片堆疊到表面具有sio2層的矽片襯底上，然後通過轉移金屬電極法將金屬電極轉移到p型二維材料納米片上。
12.優選地，所述轉移金屬電極法為：將pmma旋塗在所述預先蒸鍍在表面具有sio2層的矽片襯底上的金屬頂電極上，使用pdms將所述pmma連同所述金屬頂電極揭下，再定點轉移到所述p型二維材料納米片上。
13.優選地，所述金屬頂電極的材質為金、鉑、鈀或鎳，所述p型二維材料為二硒化鎢、二碲化鉬、硒化鎵或硒化鍺，所述n型二維材料為二硫化鎢、二硫化鉬或二硒化鉬，所述底電極為石墨烯。
14.按照本發明的再一個方面，提供了一種半導體器件，所述半導體器件包括二維材料垂直p-n結二極體。
15.優選地，所述半導體器件包括光電探測器、發光二極體或整流器。
16.總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，至少能夠取得下列有益效果。
17.(1)本發明提供的基於範德華接觸的二維材料垂直p-n結二極體，包括自上而下垂直堆疊的金屬頂電極、p型二維材料、n型二維材料和底電極，其相鄰兩層的材料之間通過範德華力形成範德華接觸，從而使得相鄰兩層的材料相互貼合不脫落。界面平整而無缺陷和晶格破壞，避免了費米釘扎和隧穿電流，從而使二極體器件具有較好的整流性能。
18.(2)對於垂直p-n結二極體而言，為了降低載流子傳輸距離，期望降低垂直p-n結溝道長度，目前的傳統工藝是將金屬頂電極採用蒸鍍的方式形成於二維材料上，但當垂直p-n結溝道減小到10納米以下時，晶格的破壞會引發較大的隧穿電流，使二極體性能失效。而本發明將垂直p-n結溝道降低到10納米以下(即使得p型二維材料與n型二維材料的總厚度為10納米以下)還保證了較高的整流比，說明採用本發明的製備方法成功避免了現有技術會引發較大的隧穿電流的問題。
19.(3)本發明通過定點轉移法使金屬頂電極與二維材料之間形成範德華接觸，該方式不會對二維材料表面產生破壞，避免使用普通蒸鍍電極工藝將金屬頂電極蒸鍍在二維材料表面上時，使二維材料表面發生破壞，導致晶格破壞，從而避免費米釘扎和隧穿電流，製備高性能二維材料垂直p-n結二極體。
20.(4)本發明中定點轉移法為預先蒸鍍在表面具有sio2層的矽片襯底上的金屬頂電極，可採用例如精確可控的高真空熱蒸鍍的方式蒸鍍金屬，實現厚度可控、表面平整的金屬頂電極，為實現範德華接觸奠定基礎。
21.(5)本發明以金、鉑、鈀或鎳作為頂電極，以二硒化鎢、二碲化鉬、硒化鎵或硒化鍺作為p型二維半導體，以二硫化鎢、二硫化鉬或二硒化鉬作為n型二維半導體，以石墨烯作為底電極，構建的二維材料垂直p-n結具有合適的能帶匹配，能夠實現較好的整流性能。
附圖說明
22.圖1是本發明中二維材料垂直p-n結二極體器件製備方法的示意圖；
23.圖2中a是本發明實施例1中器件的光學圖像；
24.圖2中b是本發明實施例1中器件的原子力圖像；
25.圖2中c是本發明實施例1中器件的二極體整流特性曲線；
26.圖3中a是本發明實施例2中器件的光學圖像；
27.圖3中b是本發明實施例2中器件的原子力圖像；
28.圖3中c是本發明實施例2中器件的二極體整流特性曲線；
29.圖4中a是本發明實施例3中器件的光學圖像；
30.圖4中b是本發明實施例3中器件的原子力圖像；
31.圖4中c是本發明實施例3中器件的二極體整流特性曲線；
32.圖5是本發明實施例4中器件的二極體整流特性曲線；
33.圖6是本發明實施例5中器件的二極體整流特性曲線。
具體實施方式
34.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
35.本發明提供了一種基於範德華接觸的二維材料垂直p-n結二極體的製備方法，該方法使得器件界面無缺陷和晶格破壞，避免了費米釘扎和隧穿電流，並使得器件具有較好的整流性能，從而能夠得到高性能的二維材料垂直p-n結二極體，為二維材料垂直p-n結二極體的應用鋪平道路。
36.本發明提供的一種基於範德華接觸的二維材料垂直p-n結二極體，器件由自上而下垂直堆疊的金屬頂電極、二維材料p-n結和石墨烯底電極構成，金屬頂電極、石墨烯底電極與二維材料間形成範德華接觸，使界面平整而無缺陷和晶格破壞。
37.本發明中，定點轉移法是通過光學顯微鏡輔助的定點轉移系統將電極或二維材料轉移到目標材料上的方法。
38.實施例1
39.如圖1所示，本實施例提供基於範德華接觸的二維材料垂直p-n結二極體的製備方法，金屬頂電極採用au(金)電極，p型二維材料採用wse2(二硒化鎢)，n型二維材料採用ws2(二硫化鎢)，底電極採用石墨烯，金屬頂電極、石墨烯底電極與二維材料間形成範德華接觸。方法具體如下：
40.採用精確可控的高真空熱蒸鍍的方式預先在表面具有sio2層的矽片襯底上製備au電極，實現厚度可控、表面平整的au金屬電極。
41.將pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)旋塗在預先蒸鍍在表面具有sio2層的矽片襯底上的au電極上，再利用pdms(聚二甲基矽氧烷)將pmma連同au薄膜電極揭下。
42.將石墨烯、wse2、ws2、au電極依次通過定點轉移法轉移到表面具有sio2層的矽片襯底上，得到石墨烯作為底電極、au電極作為頂電極，底電極、頂電極與二維材料之間通過範德華力形成範德華接觸的垂直p-n結二極體，該二維材料垂直p-n結二極體的範德華界面缺陷和晶格破壞。
43.實施例2
44.本實施例提供基於範德華接觸的二維材料垂直p-n結二極體。金屬頂電極採用au(金)電極，p型二維材料採用wse2(二硒化鎢)，n型二維材料採用ws2(二硫化鎢)，底電極採用石墨烯，金屬頂電極、石墨烯底電極與二維材料間形成範德華接觸。本實施例製備的二維材料垂直p-n結二極體的光學顯微鏡圖像和原子力顯微鏡圖像如圖2中(a)和圖2中(b)所示，器件的表面平整，具有較好的均勻性。p-n結的溝道長度為9.3nm。對其整流性能進行測試，整流特性曲線如圖2中(c)所示，從中可知該器件具有1.41的理想因子和高達103的整流比。
45.金屬頂電極的厚度一般為幾納米到幾百納米，本實施例中au電極的厚度選為50nm。
46.實施例3
47.本實施例與實施例1步驟相同，區別在於，本實施例構建了具有4.7nm溝道長度的二維材料垂直p-n結二極體。本實施例製備的維材料垂直p-n結二極體的光學顯微鏡圖像和原子力顯微鏡圖像如圖3中(a)和圖3中(b)所示，器件的表面平整，具有較好的均勻性。p-n結的溝道長度為4.7nm。對其整流性能進行測試，整流特性曲線如圖3中(c)所示，從中可知該器件具有1.31的理想因子和高達103的整流比。
48.實施例4
49.本實施例與實施例1步驟相同，區別在於，本實施例構建了具有1.9nm溝道長度的二維材料垂直p-n結二極體。本實施例製備的維材料垂直p-n結二極體的光學顯微鏡圖像和原子力顯微鏡圖像如圖4中(a)和圖4中(b)所示，器件的表面平整，具有較好的均勻性。p-n結的溝道長度為1.9nm。對其整流性能進行測試，整流特性曲線如圖4中(c)所示，從中可知該器件具有17的整流比。
50.實施例5
51.本實施例與實施例1步驟相同，區別在於，本實施例採用wse2/mose2構建二維材料垂直p-n結二極體。對其整流性能進行測試，整流特性曲線如圖5所示，從中可知該器件具有300的整流比。
52.實施例6
53.本實施例與實施例1步驟相同，區別在於，本實施例採用wse2/mos2構建二維材料垂直p-n結二極體。對其整流性能進行測試，整流特性曲線如圖6所示，從中可知該器件具有30的整流比。
54.本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。