降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法技术

一种降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法，是在Si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理，然后与过渡金属硫化物的两端进行表面接触，搭成NIN型肖特基场效应管或PIP型肖特基场效应管。用氢元素钝化Si表面后的接触体系，费米能级和过渡金属硫化物的导带底的能量差降低，从而可以通过氢元素钝化Si表面降低体系的肖特基势垒；其次用氟元素钝化Si表面，可以由原来的n型肖特基接触变成p型肖特基接触。该方法选用传统材料硅和过渡金属硫化物进行表面接触，并通过传统的钝化元素氢或氟对Si表面进行钝化处理，可以降低Si‑MoS2体系的肖特基势垒，这对未来未来微电子器件把二维材料集成到传统硅材料中有重大指导意义。

Interface Processing Method for Reducing Schottky Barrier of Silicon and Transition Metal Sulfide Semiconductors

An interfacial treatment method for reducing Schottky barrier of silicon and transition metal sulfide semiconductor is to passivate the surface of silicon with hydrogen or fluorine, and then contact the two ends of transition metal sulfide to form NIN Schottky field effect transistor or PIP Schottky field effect transistor. The energy difference between Fermi level and conduction bottom of transition metal sulphide decreases after passivation of Si surface with hydrogen element, so the Schottky barrier can be reduced by passivation of Si surface with hydrogen element; secondly, passivation of Si surface with fluorine element can change from n-Schottky contact to p-Schottky contact. This method chooses the traditional material silicon and transition metal sulfide for surface contact, and passivates the silicon surface by the traditional passivation element hydrogen or fluorine. It can reduce the Schottky barrier of the Si MoS2 system, which has important guiding significance for future microelectronic devices to integrate two-dimensional materials into traditional silicon materials.

【技术实现步骤摘要】
降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法
本专利技术涉及一种硅和过渡金属硫化物肖特基势垒的界面处理方法，属于电子器件

技术介绍
随着传统硅沟道金属氧化物半导体器件接近其微缩极限，在后硅时代需要替代材料。过去十年中，碳纳米管，石墨烯，过渡金属硫化物等低维材料具有良好的电子特性，在各种二维材料中，具有固定带隙(1-2eV)以及原子级厚度薄的过渡金属硫化物半导体被认为是最有希望可替代硅沟道的候选材料。并且基于单层过渡金属硫化物的场效应晶体管已经制造并且进行了深入研究。金属和半导体材料接触的时候，在界面处的半导体能带弯曲，形成肖特基势垒。然而，由于过渡金属硫化物的固定带隙以及缺乏合适的掺杂方法，金属电极和过渡金属硫化物之间形成高接触电阻以及高肖特基势垒，会显著降低过渡金属硫化物晶体管的性能。所以，形成良好的n型和p型沟道接触和降低接触电阻仍然是过渡金属硫化物接触异质集成的一大挑战。为了解决过渡金属硫化物接触异质集成这个问题，目前主要研究用不同类型的金属和过渡金属硫化物接触，多数金属和过渡金属硫化物接触本征是n型接触，虽然理论上功函数比较低的金属和过渡金属硫化物接触会降低肖特基势垒，但由于金属和过渡金属硫化物接触的界面有很多界面态，容易造成费米钉扎，用不同功函数的金属和过渡金属硫化物接触，大都无法形成良好的n型接触，并且金属-过渡金属硫化物体系肖特基势垒比较高，接触电阻还是比较大，而且目前还没有研究报道金属与过渡金属硫化物会形成良好的p型肖特基势垒。
技术实现思路
本专利技术针对现有金属和过渡金属硫化物接触肖特基势垒偏高，界面态引起的费米钉扎问题，基于实际半导体器件加工工艺可实现的基础之上，提供了一种降低硅和过渡金属硫化物接触界面肖特基势垒的方法。本专利技术降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法，基于实际半导体器件可实现的加工工艺，采用以下技术方案：Si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理(使表面未饱和的Si键成键)，然后与过渡金属硫化物的两端进行表面接触，搭成NIN型肖特基场效应管或PIP型肖特基场效应管。所述硅为Si(001),Si(110),Si(111)晶面。所述过渡金属硫化物是MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2或WTe2。所述Si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理，是对Si的上下表面都进行钝化处理或者只对靠近界面的Si表面进行钝化处理。所述Si钝化处理后进行重掺杂，掺杂浓度至少达到1×1022e/cm3。这样可以进一步降低Si和过渡金属硫化物表面接触体系的肖特基势垒。尤其对应氟元素钝化的表面接触体系，重掺杂Si之后,体系的肖特基势垒可以降到零。所述Si经氢元素钝化后，对Si进行电子掺杂。所述Si经氟元素钝化后，对Si进行空穴掺杂。所述Si表面经氢元素钝化处理后将Si进行掺杂作为电极，过渡金属硫化物作为沟道材料，其两侧和Si接触，形成NIN型肖特基场效应晶体管。与Si表面没有进行钝化处理的场效应管器件相比，Si电极用氢钝化后的场效应管，亚阈值更低，开态电流更大，器件性能会明显提高。所述Si表面经氟元素钝化处理后将Si进行空穴掺杂作为电极，过渡金属硫化物作为沟道材料，其两侧和Si接触，形成PIP型肖特基场效应晶体管。计算发现，Si表面经氢元素钝化后和过渡金属硫化物接触，还是形成n型肖特基势垒，与Si表面未钝化的情况相比，经氢钝化的Si表面和过渡金属硫化物表面接触之后可以大大降低肖特基势垒，考虑不同晶面的影响，肖特基势垒值下降到0.16～0.21eV。对于用氟钝化的Si表面和过渡金属硫化物表面接触之后，计算发现，两者的表面接触体系由原来的n型肖特基接触变成了p型肖特基接触，并且肖特基势垒很低，尤其Si(110)晶面和过渡金属硫化物表面接触后肖特基势垒几乎为零。本专利技术基于传统Si材料，采用氢元素或氟元素钝化Si表面,形成Si和过渡金属硫化物表面接触体系，与传统的金属-过渡金属硫化物表面接触体系相比，用钝化后的Si和过渡金属硫化物接触后，不会因为表面态的原因出现费米钉扎效应，并且可以实现硅基二维材料的比较低的肖特基势垒和低的欧姆接触电阻。本专利技术在Si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理，本身硅和过渡金属硫化物半导体接触是n型肖特基势垒，用氢元素钝化Si表面后的接触体系，其费米能级更加靠近过渡金属硫化物半导体的导带底，费米能级和过渡金属硫化物的导带底的能量差降低，从而可以通过氢元素钝化Si表面降低体系的肖特基势垒；其次用氟元素钝化Si表面，可以由原来的n型肖特基接触变成p型肖特基接触。本专利技术选用传统材料硅和过渡金属硫化物进行表面接触，并通过传统的钝化元素氢和氟对Si表面进行钝化处理，可以降低Si和过渡金属硫化物表面接触体系的肖特基势垒，并且通过氟元素可以实现由n型肖特基势垒到p型肖特基势垒的转变，这对未来微电子器件把二维材料集成到传统硅材料中有重大指导意义。附图说明图1是本专利技术Si-MoS2表面接触的原子构型示意图。图2是经过氢、氟钝化硅表面之后界面体系肖特基势垒变化示意图。图3是本专利技术中肖特基场效应管示意图。图4是硅表面经三种不同处理之后与过渡金属硫化物形成的肖特基场效应管的原子结构图。图5是根据本专利技术中两种Si表面钝化方式形成的n型器件和p型器件在各种栅极电压条件下势垒的变化。具体实施方式本专利技术降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的方法是对Si的上下两个表面都钝化或者只对靠近半导体表面的那侧Si进行钝化，也就是通过氢元素或者氟元素让表面未饱和的Si键成键，表面钝化处理是一种公知的工艺方法。Si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理之后，可以和过渡金属硫化物的两端进行表面接触，分别搭成NIN型肖特基场效应管以及PIP型肖特基场效应管。经氢元素钝化后的Si-MoS2体系，要对Si进行电子掺杂。经氟元素钝化后的Si-MoS2体系，要对Si进行空穴掺杂。以下结合附图通过对具体实施例的描述，进一步详细说明本专利技术的方法。本专利技术的界面体系是过渡金属硫化物和Si表面接触的界面系统，过渡金属硫化物部分以MoS2为例，将硅放置在MoS2上，Si作为传统材料，掺杂技术成熟，可以利用现有技术轻松实现金属性的Si导体，对Si部分进行电子掺杂，掺杂浓度1×1019e/cm3，让Si部分变成一个导体。不经表面钝化处理的Si(111)面和MoS2表面接触后形成n型接触势垒，肖特基势垒大约是0.6eV。并且用其他两个不同的晶面，Si(001),(110)分别和MoS2接触，计算发现晶面对肖特基势垒的结果的影响很小。将Si表面未饱和的悬挂键分别用氢元素、氟元素钝化处理，经氢元素和氟元素饱和之后的Si分别和MoS2进行表面接触，计算发现，Si表面经氢元素钝化后和MoS2接触，还是形成n型肖特基势垒，与Si表面未钝化的情况相比，经氢钝化的Si表面和MoS2表面接触之后可以大大降低肖特基势垒，考虑不同晶面的影响，肖特基势垒值下降到0.16～0.21eV.对于用氟钝化的Si表面的和MoS2表面接触之后，计算发现，Si-MoS2表面接触体系由原来的n型肖特基接触变成了p型肖特基接触，并且肖特基势垒很低，尤其Si(110)晶面和MoS2表面接触后肖特基势垒几乎为零。如图1所示，采取Si-MoS2表面接触体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法，其特征是：Si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理，然后与过渡金属硫化物的两端进行表面接触，搭成NIN型肖特基场效应管或PIP型肖特基场效应管。

【技术特征摘要】
1.一种降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法，其特征是：Si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理，然后与过渡金属硫化物的两端进行表面接触，搭成NIN型肖特基场效应管或PIP型肖特基场效应管。2.根据权利要求1所述的降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法，其特征是：所述硅为Si(001),Si(110),Si(111)晶面。3.根据权利要求1所述的降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法，其特征是：所述过渡金属硫化物是MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2或WTe2。4.根据权利要求1所述的降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处理方法，其特征是：所述Si的表面用氢元素或者氟元素进行钝化处理，是对Si的上下表面都进行钝化处理或者只对靠近界面的Si表面进行钝化处理。5.根据权利要求1所述的降低硅和过渡金属硫化物半导体肖特基势垒的界面处...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰智，马晓雷，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37