一种基于二维半导体晶体的栅控PN结制造技术

本发明专利技术涉及一种基于二维半导体晶体的栅控PN结，包括：栅区、源区、漏区、沟道区和衬底。本发明专利技术采用对离子导电、对电子绝缘的固态多孔材料作为栅介质层，所述栅介质同时含有正、负两种离子。栅介质与沟道区的界面形成一个理论厚度只有1nm的双电层电容，使得器件可以在较低的栅压下对沟道区静电掺杂。本发明专利技术采用分离栅电极结构，通过控制第一栅电极和第二栅电极的电压极性，本发明专利技术器件可以实现NP、PN、NN、PP等多种构造。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维半导体晶体的栅控PN结
本专利技术涉及微电子与光电子领域，特别涉及一种基于二维半导体晶体的栅控PN结。
技术介绍
单层MoS2等二维层状半导体晶体由于具有柔韧性好、透明度高、直接带隙等优点，被认为是非常具有潜力的下一代光电材料。PN结是构成二极管、双极型晶体管、光探测器件、发光二极管和太阳能电池等微电子、光电子器件的基本元件，因此在二维半导体晶体上形成PN结是构建复杂器件的第一步，与块体材料相比，二维半导体晶体只有一个分子层厚，采用传统的半导体掺杂办法会使器件的性能退化。 基于二维半导体晶体的静电掺杂理论,最近，BrittonW.H.Baugher等研究人员在题为 Optoelectronic devices based on electrically tunable p - n d1des in amonolayer dichalcogenide (基于电场可调单层二硫化物PN结的光电子器件)(Naturenanotechnology9.4(2014):262-267)的文献中提出了一种基于分离栅极的单层WSe2PN结。该类器件中，单层WSe2被放置在具有分离结构的栅电极的氧化层上。通过在分离的栅极上分别施加正负电压，使得单层WSe2中实现静电掺杂，从而形成PN结。上述文献中分别采用HfO2作为栅介质层，器件的工作的电压都非常高(大于10V)。 近来，一种以双电层材料为栅介质的二维半导体晶体场效应晶体管引起了广泛关注，这类器件的栅介质与沟道区的界面形成双电层电容，该电容的厚度理论上仅为lnm，产生的电容比较大，通常比常规栅介质材料高出数倍甚至数十倍。由于其电容值很大，这类器件的工作电压很低(1V-3V)。例如:Jo, Sanghyun等研究员在题为Mono-and B1-1ayerWS2Light-Emitting Transistors (Nano letters (2014))的文献中提出了一种以离子液体为栅介质的单层和双层WS2发光晶体管。当Vds < Ves时，该器件等效于一个场效应晶体管，可以实现电子和空穴导电，其工作电压小于3V ;当Vds > Vgs时，沟道区会形成一个PN结。但是这类以离子液体或有机聚合物作为栅介质的器件存在以下缺点:(I)不能与传统半导体工艺兼容，器件的稳定性差；(2)离子液或有机聚合物往往覆盖在沟道区上方，因此不利于在光探测器、光电二极管等领域的应用；(3)器件形成的PN结不稳定，且PN结位置依赖于源漏电压。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提供了一种与半导体工艺兼容的基于二维半导体晶体的栅控PN结。 本专利技术通过以下技术方案实现，本专利技术包括栅区、源区、漏区、沟道区和衬底，所述栅区位于所述沟道区的下方，所述栅区包括栅介质和栅电极，所述栅电极由两个分离的第一栅电极和第二栅电极构成，所述源区和所述漏区位于所述沟道区的两侧，所述源区、所述漏区和所述栅区设置在所述衬底之上；所述栅介质为对电子绝缘、对离子导电的无机多孔材料，所述栅介质同时含有正、负两种离子。 优选地，所述正离子为锂离子、钠离子、镁离子、钾离子、钙离子中一种或多种。 优选地，所述负离子为氯离子、氢氧根离子中的一种或多种。 优选地，所述离子可以在电场作用下移动到栅介质与沟道区界面，形成双电层电容，实现对沟道区的静电掺杂。 优选地，所述无机多孔材料包括:Si02、A1203、WO3>Ta2O5, HfO2, ZnO2, Ti02。 优选地,所述的源区、漏区和所述栅电极材料为导体材料,包括Au、Pt、T1、ITO。 优选地，所述衬底材料为绝缘材料，包括硅片、玻璃、石英、陶瓷、塑料、聚亚酰胺、聚对苯二甲酸乙二酯或特殊纸制材料。 优选地，所述沟道区采用单二维半导体晶体，包括:单层MoS2、MoSe2, MoTe2, WS2,WSe2, WTe2, GeS2, GeSe2^GeTe2, SnS2, SnSe2, SnTe2^PbS2, PbSe2, PbTe2, GaS、GaSe, GaTe, InS、InSe、InTe0 本专利技术采用的栅介质材料可以使栅极工作电压变低，同时沟道区采用单层二维半导体晶体，可以对沟道区有效的静电掺杂，形成PN结。通过控制第一栅电极的电压极性，可以将栅电极上方的沟道区掺杂成η型或P型。通过控制第二栅电极的电压极性，可以将沟道区右侧掺杂成η型或P型。 与现有技术相比 ，本专利技术具有如下的有益效果: 本专利技术的半导体器件采用双电层电容原理实现对薄层二维半导体晶体的静电掺杂，所需电压非常低。同时区别于传统的离子液体或有机聚合物等双电层材料，本专利技术采用无机多孔材料作为栅介质与传统半导体工艺兼容。本专利技术采用分离栅电极结构，通过控制第一栅电极和第二栅电极的电压极性，本专利技术器件可以实现NP、ΡΝ、ΝΝ、ΡΡ等多种构造。 【附图说明】 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显: 图1是本专利技术一较优实施例中栅控PN结的结构剖面图； 图2a和图2b说明本专利技术栅控PN结分别在第一栅电极施加正电压，第二栅电极施加负电压；第一栅电极施加正电压，第二栅电极施加负电压情况下工作原理图； 图3为本专利技术栅控PN结工作在NN、PP、PN、NP结状态时源漏电压电流关系图。 【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明:本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。 如图1所示一种基于二维半导体晶体的栅控PN结包括栅区20、源区40、漏区50、沟道区30和衬底10，栅区20位于沟道区30的下方，栅区包括栅介质21、第一栅电极22和第二栅电极23，源区40和漏区50位于沟道区30的两侧，源区40、漏区50和栅区30均设置在所述衬底10之上。 所述衬底材料为绝缘材料，包括硅片、玻璃、石英、陶瓷、塑料、聚亚酰胺、聚对苯二甲酸乙二酯。在在本实施例中衬底10采用硅片。 所述栅介质为对电子绝缘、对离子导电的无机多孔材料，所述栅介质同时含有正、负两种离子。所述正离子为锂离子、钠离子、镁离子、钾离子、钙离子中一种或多种。所述负离子为氯离子、氢氧根离子中的一种或多种。所述无机多孔材料包括:Si02、A1203、WO3>Ta205、Hf02、ZnO2、T12。在本实施例中，栅介质22采用多孔二氧化硅。 所述的源区、漏区和所述栅电极材料为导体材料，包括Au、Pt、T1、ΙΤ0。在本实施例中，源区40、漏区50和栅电极21均采用ΙΤ0。 所述沟道区采用单二维半导体晶体，包括:单层MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、GeS2、GeSe2、GeTe2、SnS2Λ SnSe2Λ SnTe2、PbS2、PbSe2、PbTe2、GaS、GaSe、GaTe、InS、InSe、InTe0在本实施例中，沟道区30采用单层MoS2。 本实例中基于二维半导体晶体的栅控PN结的制备方法为: 首先在硅片上制备第一和第二栅电极:甩5um厚的光刻胶并图形化，在真空度为10_5量级反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维半导体晶体的栅控PN结，包括栅区、源区、漏区、沟道区和衬底，其特征在于，所述栅区位于所述沟道区的下方，所述栅区包括栅介质和栅电极，所述栅电极由两个分离的第一栅电极和第二栅电极构成，所述源区和所述漏区位于所述沟道区的两侧，所述源区、所述漏区和所述栅区设置在所述衬底之上；所述栅介质为对电子绝缘、对离子导电的无机多孔材料，所述栅介质同时含有正、负两种离子。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维半导体晶体的栅控PN结，包括栅区、源区、漏区、沟道区和衬底，其特征在于，所述栅区位于所述沟道区的下方，所述栅区包括栅介质和栅电极，所述栅电极由两个分离的第一栅电极和第二栅电极构成，所述源区和所述漏区位于所述沟道区的两侧，所述源区、所述漏区和所述栅区设置在所述衬底之上；所述栅介质为对电子绝缘、对离子导电的无机多孔材料，所述栅介质同时含有正、负两种离子。2.根据权利要求1所述的基于二维半导体晶体的栅控PN结，其特征在于:所述正离子为锂离子、钠离子、镁离子、钾离子、钙离子中一种或多种。3.根据权利要求1所述的基于二维半导体晶体的栅控PN结，其特征在于:所述负离子为氯离子、氢氧根离子中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的基于二维半导体晶体的栅控PN结，其特征在于:所述离子能在电场作用下移动到栅介质与沟道区界面，形成双电层电容，实现对沟道区的静电掺杂。5.根据权利要求1所述的基于二维半导体晶体的栅控PN结，其特征在于:所述离子在制备无机多孔栅电介质过程中引入，或者在制备好无机多孔栅介质后再引入。6.根据权利要求1-5任一项所述的基于二维半导体晶体的栅控PN结，其特征在于:通过控制第一栅电极的电压极性，将第一栅电极上方沟道区掺杂成η型或P型。7.根据权利要求1-5任一项所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘景全，郭杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31