基于准范德华接触结构的二维半导体器件及其制备方法技术

本发明专利技术实施例提供一种基于准范德华接触结构的二维半导体器件及其制备方法，器件的接触电极由石墨烯纳米片和金属垂直堆叠组成，金属被蒸镀在石墨烯纳米片上。该二维半导体器件，由于包含了石墨烯/金属准范德华接触结构，使得器件的一种载流子的肖特基势垒明显降低，另一种载流子的热辅助场发射激活能也表现出明显的降低，从而大大地提升了该半导体器件的性能。再者，使用六方氮化硼作为衬底时，基于该石墨烯/金属准范德华接触结构的器件表现出对衬底效应的免疫性。同时还公开了该接触结构的制备方法，通过对基于该制备方法获得的半导体器件进行性能的验证，证明了该制备方法的有效性，并且制备获得的半导体器件的性能也大大的提升。

【技术实现步骤摘要】
基于准范德华接触结构的二维半导体器件及其制备方法
本专利技术实施例涉及无机半导体纳米材料
，尤其涉及一种基于准范德华接触结构的二维半导体器件及其制备方法。
技术介绍
范德华半导体材料具有原子薄层的厚度、表面无悬挂键、优异的电学和光电特性、带隙随层数可调等优点，被认为是最有前途的新一代电子器件和光电器件的沟道材料之一。考虑到对超薄的材料进行可控掺杂的困难性，具有双极型导电性能的范德华半导体材料，如二碲化钼和二硒化钨，在单片上形成互补逻辑器件表现出巨大的潜力。然而，器件的双极型特性总是强烈地依赖于金属接触、衬底和材料厚度，表现出n端或p端主导的导电行为，从而了失去双极传输特性的优势。肖特基势垒指载流子从金属注入沟道所必须克服的一种能量势垒，它对范德华半导体器件所显示的电学性质起着至关重要的作用。因此，人们努力探索范德华半导体/金属界面的物理性质，实现肖特基势垒高度降低的高质量接触。由于缺乏可行的掺杂方法，达到肖特基-莫特规则的极限是主要策略。尽管范德华半导体表面无悬挂键，但由于范德华半导体所沉积金属的缺陷和晶体结构的破坏，金属诱导间隙态引起的强烈的费米能级钉扎效应仍然存在。到目前为止，人们已经提出了许多解决办法来消除费米能级钉扎效应。用石墨烯代替金属作为电极接触是一种常用的方法，因为石墨烯具有极高的载流子迁移率和优异的机械性能，并且由于石墨烯费米能级的可调性和界面的范德华性质，使得范德华半导体/石墨烯系统具有很强的功函数可调性。然而，只有通过改变栅极电压才能实现较小的肖特基势垒，这限制了石墨烯接触电极的实际应用。在最近的一项工作中，预沉积的金属薄膜被转移到二硫化钼纳米片上，来消除直接蒸镀金属电极造成的破坏。结合聚甲基丙烯酸甲酯(简称PMMA)作为介电环境，通过改变接触金属的类型，在二硫化钼上实现接近肖特基-莫特极限，但是由于PMMA的使用，在制造过程中不能使用标准的光刻方法，这严重增加了工艺的复杂度。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种基于准范德华接触结构的二维半导体器件及其制备方法，用以控制二维半导体器件的载流子注入势垒，进而提高器件的性能。本专利技术实施例提供一种基于石墨烯/金属准范德华接触结构的半导体器件，包括：所述半导体器件的接触电极由石墨烯纳米片和金属垂直堆叠而成，所述金属垂直蒸镀在所述石墨烯上。本专利技术实施例提供一种制备基于准范德华接触结构的二维半导体器件的方法，其特征在于，包括：S1，按照从下到上的顺序依次堆叠六方氮化硼纳米片、二碲化钼纳米片或二硒化钨纳米片、石墨烯纳米片和所述金属；S2，所述六方氮化硼纳米片、所述二碲化钼纳米片或所述二硒化钨纳米片、所述石墨烯纳米片和所述金属必须有垂直重叠的区域，获得所述二维半导体器件的石墨烯/金属准范德华接触电极。本专利技术实施例提供一种准范德华接触结构及其制备方法，基于该接触结构的半导体器件，其一种载流子的肖特基势垒明显的降低，另一种载流子的热辅助场发射激活能也表现出明显的降低，从而大大的提升了该半导体器件的性能。再者，通过使用六方氮化硼作为衬底与二氧化硅/硅衬底对比发现，基于该石墨烯/金属准范德华接触结构的器件表现出对衬底效应的免疫性。同时还公开了该接触结构的制备方法，通过对该制备方法获得的半导体器件进行性能的验证，证明了该制备方法的有效性，并且制备获得的半导体器件的性能也大大的提升。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，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他的附图。图1为本专利技术实施例一种基于金属接触、石墨烯接触、石墨烯/金属准范德华接触的二维半导体器件的结构示意图；图2为本专利技术还提供一种基于准范德华接触结构的二维半导体器件的制备方法的流程图；图3为本专利技术实施例一种蒸镀金属为铬、沟道材料为二碲化钼，衬底为二氧化硅/硅时的二维半导体器件的光学显微镜图；图4为本专利技术实施例图3器件中单独的二碲化钼的拉曼光谱；图5为本专利技术实施例图3器件中单独石墨烯的拉曼光谱；图6为基于同一个二碲化钼纳米片作为沟道材料时三种接触类型的器件在平带状态时的电子肖特基势垒图；图7为基于同一个二碲化钼纳米片作为沟道材料时三种接触类型的器件在平带状态时的空穴热辅助场发射激活能图；图8为基于同一个二碲化钼纳米片作为沟道材料时三种接触类型的器件在栅压为80伏特的条件下的输出特性曲线图；图9为以六方氮化硼为衬底、蒸镀金属为钯、沟道材料为二碲化钼的基于三种接触结构的范德华半导体器件光学显微镜图；图10为接触电极为钯时，衬底为六方氮化硼纳米片的器件与衬底为二氧化硅/硅的器件的电流密度差值图；图11为接触电极为石墨烯/钯准范德华接触时、衬底为六方氮化硼的器件与衬底为二氧化硅/硅的器件的电流密度差值图；图12为四种器件的空穴肖特基势垒和电子热辅助场发射激活能分布图；图13为以六方氮化硼为衬底、二硒化钨为沟道材料的基于三种接触结构的器件中单独二硒化钨的拉曼光谱图；图14为分别基于金属铬接触、石墨烯接触和石墨烯/铬准范德华接触的器件的转移特性曲线图；图15为以二硒化钨为沟道材料的器件电子的肖特基势垒图；图16表示三种接触下以二硒化钨为沟道材料的器件的输出特性曲线图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。现有技术中，将范德华材料缓冲层插入到金属和二维沟道材料之间是另外一种有前途的策略，其中范德华特征可以保持在沟道材料和缓冲层的界面上。例如，研究表明，插入六方氮化硼缓冲层可以增强电子隧道效应，从而能够与二硫化钼形成高质量的n型接触。但是，由于六方氮化硼的绝缘特性，六方氮化硼与金属混合接触的能带对准不能被电场调控，只能由接触的金属来决定。本专利技术实施例考虑到利用石墨烯作为缓冲层可能是一个更好的选择，因为它结合了范德华界面的优点和石墨烯自身的强烈的功函数可调谐性，在本专利技术中这种石墨烯与金属混合接触被命名为准范德华接触。本专利技术实施例提供了一种基于准范德华接触结构的二维半导体器件，该器件包括：所述半导体器件的接触电极由石墨烯纳米片和金属垂直堆叠而成，所述金属垂直蒸镀在所述石墨烯上。这种准范德华接触结构的特点为：将石墨烯接触的优点(功函数的可调谐性)和金属接触(很高的态密度)的优点相结合。本专利技术实施例中提供的范德华半导体器件均包含石墨烯/金属准范德华接触结构，具体在该器件中的结构为：范德华半导体器件的接触电极由石墨烯纳米片和金属电极垂直堆叠而成，金属电极垂直蒸镀在石墨烯纳米片上。图1为本专利技术实施例一种基于金属接触、石墨烯接触、石墨烯/金属准范德华接触的二维半导体器件的结构示意图，如图1所示：按照从左到右的顺序，左边的源极与漏极表示金属接触结构，中间的源极与漏极表示石墨烯接触结构，最右边的源极与漏极表示石墨烯/金属准范德华接触，二碲化钼或者二硒化钨作为该器件的横向导电沟道。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于准范德华接触结构的二维半导体器件，其特征在于，包括：所述半导体器件的接触电极为准范德华接触结构，所述准范德华接触结构由石墨烯纳米片和金属垂直堆叠组成，所述金属被垂直蒸镀在所述石墨烯纳米片上。

【技术特征摘要】
1.一种基于准范德华接触结构的二维半导体器件，其特征在于，包括：所述半导体器件的接触电极为准范德华接触结构，所述准范德华接触结构由石墨烯纳米片和金属垂直堆叠组成，所述金属被垂直蒸镀在所述石墨烯纳米片上。2.根据权利要求1所述半导体器件，其特征在于，所述半导体器件的横向导电沟道指二碲化钼纳米片或二硒化钨纳米片。3.根据权利要求1所述半导体器件，其特征在于，所述半导体器件的衬底指二氧化硅/硅或六方氮化硼纳米片。4.根据权利要求1所述半导体器件，其特征在于，所述金属为：铬或钯。5.一种制备如权利要求1-4任一所述基于准范德华接触结构的二维半导体器件的方法，其特征在于，包括：S1，按照从下到上的顺序依次堆叠六方氮化硼纳米片、二碲化钼纳米片或二硒化钨纳米片、石墨烯纳米片和所述金属；S2，所述六方氮化硼纳米片、所述二碲化钼纳米片或所述二硒化钨纳米片、所述石墨烯纳米片和所述金属必须有垂直重叠的区域，获得所述半导体器件的准范德华接触电极。6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，还包括：S3，将所述范德华半导体器件的准范德华接触电极指所述范德华半导体器件的源极和所述范德华半导体器件的漏极。7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，步骤S1具体包括：将所述二碲化钼纳米片或所述二硒化钨纳米片转移到所述六方氮化硼纳米片上；将石墨烯条...

【专利技术属性】
技术研发人员：何军，王俊俊，王峰，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11