【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属-半导体，具体涉及一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构。
技术介绍
1、随着摩尔定律的发展，集成电路上可以容纳的晶体管数目约每经过18个月到24个月便会增加一倍，晶体管密度和性能提升的同时，也会使得功耗增加。尤其是进入后摩尔时代，半导体器件在亚十纳米的技术节点上，器件功耗问题变得更加突出；硅基器件在接近物理极限的尺度下，迁移率急剧下降，传输效率变差；由于传统硅基掺杂工艺会对体材产生破坏，使得界面间缺陷态多，导致接触电阻增大；随着尺寸微缩，沟道耗尽层的面积减小为梯形面积，导致多数载流子浓度减小，沟道耗尽层区出现载流子反型所需要的栅极电压减小，使得器件更难关断，漏电流增大，这些因素都会导致器件功耗急剧增大。人们设计出finfet、gaa等新型结构延缓着晶体管持续微缩的局面。然而，愈发严重的短沟道效应始终制约着集成电路的进一步发展，微电子器件进入10nm以下的技术节点并接近其基本极限，需要新的通道材料来继续缩放器件尺寸，同时保持优越的性能。与传统的硅基体材料半导体相比，二维材料在种类优势上，包含n型、p型和双极型半导体材料，可以完全避免硅基工艺中采用高温扩散、离子注入掺杂改性带来的材料损伤问题；在结构优势上，二维材料具有原子级厚度，这有利于栅极调控，且表面无悬挂键，可以有效减少电子在界面的捕获；在器件构筑优势上，可以通过二维材料间的范德华力进行垂直构筑，异质集成简单化；在性能优势上，二维材料在极限尺度下，迁移率随层数厚度变化不大，远高于5纳米以下的硅基材料的迁移率。因此，二维半导体材料被认为是发展低功耗器件
技术实现思路
1、本专利技术旨在解决现有技术的不足，提出一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，与通常的二维平面晶体管不同，该器件采用垂直mos2/wse2结和平面内通道，通过异质结的栅控势垒高度实现开关状态，实现了热电子发射和隧道传输机制的转换。该器件利用高速隧道电流和独特的短通道结构，克服了普通电子器件存在的电压尖峰和反向恢复时间长等问题，从而获得了对ic接口的访问。本专利技术提供了一个基于双栅调制的概念验证型晶闸管结构，开辟了一个前景广阔的前景。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，包括：衬底层结构、半导体模块、绝缘介质层模块、电极模块以及顶层结构；
4、所述半导体模块位于所述衬底层结构的上方，且中间有间隙；
5、所述绝缘介质层模块位于所述半导体结构的上方的一端；
6、所述电极模块位于所述半导体结构的的上方的另一端，且不与所述绝缘介质层模块连接；
7、所述顶层结构位于所述绝缘介质层模块上方；
8、所述半导体模块采用二维半导体材料；
9、所述绝缘介质层模块采用电介质材料；
10、所述电极模块采用二维半金属电极材料和传统金属电极材料；所述二维半金属电极材料面内原子通过共价键结合，层间采用范德华堆叠。
11、进一步优选地，所述二维半导体材料的厚度为0.7-10nm，所述电介质材料的厚度为5-10nm，所述二维半金属电极材料的厚度为10-20nm，所述传统金属电极材料的厚度为40-50nm。
12、进一步优选地，所述二维半导体材料采用过渡金属硫族化合物mx2和石墨烯；m为过渡金属元素，x为硫族元素。
13、进一步优选地，所述电介质材料为h-bn、hfo2、zro2、hfxzr1-xo2中的一种。
14、进一步优选地，所述传统金属电极材料为cr/au、ti/au、ag/au、au中的一种。
15、进一步优选地，所述二维半金属电极材料为1t’-mote2、1t’-wte2、1t-ptse2、2h-nbse2、1t’-te se2、1t’-ti s2、1t-hf te2、1t-ti te2、1t’-ws2和pt te2中的一种。
16、本专利技术还提供一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管，采用上述的晶闸管结构，包括：衬底层结构、顶层结构；半导体模块包括：石墨烯层、mos2层以及wse2层、绝缘介质层模块包括：h-bn层、电极模块包括：1t’-mote2层以及au层；
17、所述顶层结构采用金属材料；
18、所述石墨烯层与mos2层依次位于所述衬底层上方，且所述石墨烯层与mos2层中间有间隙；
19、所述wse2层位于所述mos2层上方的一侧，且跨过所述间隙；
20、所述h-bn层位于所述wse2层上方，且全覆盖；
21、所述1t’-mote2层位于所述mos2层上方的另一侧，且不跨过所述间隙，与所述wse2层不连接；
22、所述au层位于所述1t’-mote2层上方。
23、本专利技术还提供一种制备基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管的方法，包括：
24、材料准备：采用化学气相沉积法制备得到单层或少层mos2；采用机械剥离法获得少层h-bn、1t’-mote2以及wse2；少量石墨烯层在衬底层结构上剥离；
25、刻蚀：采用聚焦离子束技术切割mos2层以及石墨烯层，制备出≈50nm的纳米间隙来分离源极和漏极端子；
26、电极沉积：少量石墨烯层在衬底层结构上剥离，作为接触电极，通过电子束光刻结合热蒸镀沉积晶闸管的电极；
27、精准转移：石墨烯层作为接触电极，mos2层作为n型载流子传输通道转移到石墨烯层顶部，少层wse2堆叠在间隙的顶部；将h-bn层转移到wse2层上方，作为顶栅介质覆盖器件；将1t’-mote2层转移至一侧的mos2层上，最后利用牺牲层辅助法将金属au层转移到1t’-mote2层上；
28、真空退火：在真空环境中退火，得到所述超薄短通道隧穿晶闸管。
29、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
30、本专利技术提供了一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，在该结构中，石墨烯作为源极和漏极端子，少层h-bn为顶部介质绝缘体，传输通道由背对背垂直mos2/wse2结和平面wse2通道组成，二维半金属电极材料与二维半导体材料堆叠形成的范德华异质结没有传统键合异质结的晶格匹配和加工兼容性要求的限制，接触区形成的肖特基势垒高度减弱了强费米钉扎效应。与通常的二维场效应晶闸管不同，这种晶闸管的开关行为依赖于垂直p-n结通过双栅极的频带调制，导致了在热电子发射和隧穿之间的传输机制的转变。有助于基于二维半导体的晶闸管结构设计和优化，扩展新型半导体材料应用。
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1.一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，其特征在于，包括：衬底层结构、半导体模块、绝缘介质层模块、电极模块以及顶层结构；
2.根据权利要求1所述一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，其特征在于，所述二维半导体材料的厚度为0.7-10nm，所述电介质材料的厚度为5-10nm，所述二维半金属电极材料的厚度为10-20nm，所述传统金属电极材料的厚度为40-50nm。
3.根据权利要求1所述一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，其特征在于，所述二维半导体材料采用过渡金属硫族化合物MX2和石墨烯；M为过渡金属元素，X为硫族元素。
4.根据权利要求1所述一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，其特征在于，所述电介质材料为h-BN、HfO2、ZrO2、HfxZr1-xO2中的一种。
5.根据权利要求1所述一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，其特征在于，所述传统金属电极材料为Cr/Au、Ti/Au、Ag/Au、Au中的一种。
6.根据权利要求1所述一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿
7.一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管，采用权利要求1-6任一项所述的晶闸管结构，其特征在于，包括：衬底层结构、顶层结构；半导体模块包括：石墨烯层、MoS2层以及WSe2层、绝缘介质层模块包括：h-BN层、电极模块包括：1T’-MoTe2层以及Au层；
8.制备权利要求7所述一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管的方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，其特征在于，包括：衬底层结构、半导体模块、绝缘介质层模块、电极模块以及顶层结构；
2.根据权利要求1所述一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，其特征在于，所述二维半导体材料的厚度为0.7-10nm，所述电介质材料的厚度为5-10nm，所述二维半金属电极材料的厚度为10-20nm，所述传统金属电极材料的厚度为40-50nm。
3.根据权利要求1所述一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，其特征在于，所述二维半导体材料采用过渡金属硫族化合物mx2和石墨烯；m为过渡金属元素，x为硫族元素。
4.根据权利要求1所述一种基于二维器件组成的超薄短通道隧穿晶闸管结构，其特征在于，所述电介质材料为h-bn、hfo2、zro2、hfxzr1-xo2中的一种。
5.根据权利要求1所述一种基于二维器件组...
【专利技术属性】
技术研发人员：史书怀，吕中宾，杜君莉，鲁思宇，夏大伟，何晓宇，张朝峰，丁国君，姚伟，王森，张铮，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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