用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管及實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本文發(fā)明公開了一種用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管及實(shí)現(xiàn)方法。該遂穿二極管為異質(zhì)結(jié)遂穿二極管，最下面是襯底(1)，在襯底(1)上是下電極臺(tái)面(2)，在下電極臺(tái)面(2)的上面的一邊為黑磷烯橫向異質(zhì)結(jié)(3)，另一邊是下電極(6)，在黑磷烯橫向異質(zhì)結(jié)(3)上為電極臺(tái)面(4)，電極臺(tái)面(4)上為上電極(5)。與普通遂穿二極管相比，本發(fā)明提出的異質(zhì)結(jié)不需要進(jìn)行重?fù)诫s即可得到用于遂穿的能帶結(jié)構(gòu)。其中III型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)是本專利設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的核心部分。本發(fā)明選用的同種材料異質(zhì)結(jié)更容易達(dá)到晶格匹配，制備工藝也更簡(jiǎn)單，僅僅通過(guò)范德瓦耳斯力就能將兩種不同堆垛結(jié)構(gòu)的黑磷烯橫向連接形成異質(zhì)結(jié)。
【專利說(shuō)明】
用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用旋轉(zhuǎn)堆垛黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遂穿二極管的方法，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隧穿二極管從LeOESaki發(fā)明它起的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)受到持續(xù)的關(guān)注，遂穿二極管(RTD)是基于量子遂穿效應(yīng)的一種負(fù)阻納米電子器件，具有響應(yīng)速度快，工作頻率高，功耗低等特點(diǎn)，由RTD串聯(lián)可以構(gòu)成具有自鎖特性的單穩(wěn)態(tài)一雙穩(wěn)態(tài)邏輯轉(zhuǎn)換單元(M0BLE)，且構(gòu)成相同功能的電路所用共振遂穿二極管比常規(guī)器件要少，具有簡(jiǎn)化電路，降低功耗的作用。
[0003]具有原子層厚度的2D材料由于其不同于體材料的優(yōu)越性質(zhì)而受到人們的廣泛研究，如石墨烯，MoS2等等。近年來(lái)，一種新的2D材料少層黑磷烯已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)條件下通過(guò)機(jī)械剝離的方法制備得到并且受到了人們的廣泛關(guān)注。體黑磷是一種具有金屬光澤的晶體，可由白磷或紅磷轉(zhuǎn)化而來(lái)，體黑磷具有直接半導(dǎo)體帶隙，且表現(xiàn)出與層數(shù)相關(guān)的特性，少層黑磷烯的電子迀移率為1000cm2/VS，還具有非常高的漏電流調(diào)制率，使得其在未來(lái)的納米電子器件中的應(yīng)用有很大潛力。另外因其為直接帶隙，其光學(xué)性質(zhì)相比其他材料也有很大的優(yōu)勢(shì)，是目前新型二維材料研究的熱點(diǎn)之一。
[0004]二維黑磷烯的帶隙與黑磷層數(shù)相關(guān)，其能隙范圍在0.3-1.5eV之間。對(duì)于像黑磷烯這樣具有層狀結(jié)構(gòu)的二維材料，當(dāng)層與層之間的相對(duì)位置不同時(shí)會(huì)有不同的堆垛結(jié)構(gòu)。以雙層黑磷烯為基礎(chǔ)，根據(jù)堆垛方式的不同，將這些堆垛結(jié)構(gòu)分為兩大類，第一類是將兩層黑磷烯沿平面的兩個(gè)方向相對(duì)平移，稱之為平移堆垛;第二類是將兩層黑磷烯相對(duì)旋轉(zhuǎn)，稱之為旋轉(zhuǎn)堆垛。我們的理論計(jì)算證明，對(duì)于平移型堆垛結(jié)構(gòu)AB堆垛和Αδ堆垛，當(dāng)層數(shù)達(dá)到6層以上時(shí)，二者的能帶排列可以形成III型異質(zhì)結(jié)，有利于制造遂穿二極管。利用黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)具有不同帶隙和能級(jí)的特點(diǎn)，本文提出用旋轉(zhuǎn)堆垛黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遂穿二極管的方法，所涉及的異質(zhì)結(jié)為同種材料，相比不同材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，該方法制備條件更方便，成本低廉，可以更有效的達(dá)到遂穿條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的目的在于提供一種用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管及實(shí)現(xiàn)方法，使用二維材料黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)組成III型異質(zhì)結(jié)制備遂穿二極管，降低制備成本，提高遂穿二極管的效率。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管為異質(zhì)結(jié)遂穿二極管，最下面是襯底，在襯底上是下電極臺(tái)面，在下電極臺(tái)面的上面的一邊為黑磷烯橫向異質(zhì)結(jié)，另一邊是下電極，在黑磷烯橫向異質(zhì)結(jié)上為電極臺(tái)面，電極臺(tái)面上為上電極。
[0007]所述的黑磷烯橫向異質(zhì)結(jié)為一個(gè)由黑磷烯的兩種不同堆垛結(jié)構(gòu)組成的橫向異質(zhì)結(jié)，這種異質(zhì)結(jié)為III型異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體;兩種不同的堆垛結(jié)構(gòu)分別為AB堆垛和Αδ堆垛;AB堆垛為黑磷烯的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于P型半導(dǎo)體，Αδ堆垛為黑磷烯的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于η型半導(dǎo)體;AB堆垛黑磷烯的第二層相當(dāng)于相對(duì)第一層沿a方向移動(dòng)了半個(gè)周期，Αδ的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于下一層相對(duì)于上一層結(jié)構(gòu)移動(dòng)了小于半個(gè)周期的距離，約0.2-0.3個(gè)周期的距離。
[0008]所述的異質(zhì)結(jié)中AB堆垛和Αδ堆垛，其厚度都在6層以上，20nm以上，甚至為了配合工藝需求能做到更厚。
[0009]本發(fā)明的用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管的制備方法包括以下步驟:
[0010]a.襯底的制備:采用η型硅作為襯底；
[0011 ] n-Si襯底清洗:Wn-Si( 111)片為襯底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去離子水超聲波清洗，去除硅片上的有機(jī)物，用氮?dú)獯蹈?，放入石英管中進(jìn)行沉積處理;石英管的真空度為10-2Pa，加熱到300°C維持10分鐘，以去除硅片表面的水汽；
[0012]b.少層黑磷烯的制備:體黑磷通過(guò)在高溫高壓下對(duì)其同質(zhì)異形體白磷或紅磷進(jìn)行處理得到；
[0013]c.遂穿二極管的制造步驟:
[0014]Cl)以得到的橫向異質(zhì)結(jié)為襯底，用光學(xué)光刻和濕法腐蝕形成共振遂穿二極管上電極臺(tái)面和下電極臺(tái)面，其中形成共振遂穿二極管上電極臺(tái)面腐蝕液為磷酸腐蝕液，形成共振遂穿二極管下臺(tái)面腐蝕液為錮稼砷InGaAs/鋁砷AIAs選擇性腐蝕液丁二酸SA腐蝕液；
[0015]c2)用濕法腐蝕形成共振遂穿二極管下臺(tái)面，在下臺(tái)面上蒸發(fā)形成欽鉑金金屬層；
[0016]c3)再用光學(xué)光刻法在蒸發(fā)形成的欽鉑金金屬層上形成共振遂穿二極管的下電極金屬，蒸發(fā)20nmTi，20nmPt，150nmAu;采用同樣的方法制備上電極；
[0017]c4)用光學(xué)光刻和電子束蒸發(fā)法，制作形成金屬接線柱。
[0018]所述少層黑磷烯的制備具體為:
[0019]I)將白磷在1000-1200Pa大氣壓下加熱到200-250°C，得到片狀黑磷;通過(guò)機(jī)械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過(guò)Ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷??；
[0020]得到層狀的黑磷烯:首先獲取黑磷塊體，然后將黑磷塊體浸入過(guò)氧化氫異丙苯CHP的溶劑中，再加超聲波超聲10-15分鐘;最后，使用離心機(jī)使其分離得到層狀物；
[0021 ] 2)用Si基板從溶液中撈出黑磷烯薄膜，放在50-60 °C的加熱臺(tái)上烘干，去除黑磷烯薄膜與Si基板之間的水分，同時(shí)將少層黑磷烯更牢固的與Si基板結(jié)合；
[0022]3)步驟2)得到的少層黑磷烯結(jié)構(gòu)通常為多層的AB堆垛結(jié)構(gòu)，在電子顯微鏡下，通過(guò)探針剝離的方法，剝離掉多余的黑磷得到6到20層的黑磷烯；
[0023]4)在電子顯微鏡下，使用探針對(duì)上述得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剝離，移動(dòng)層與層之間的相對(duì)距離，約0.2-0.3個(gè)周期的距離，得到Αδ堆垛黑磷烯;AB堆垛和Αδ堆垛可以通過(guò)相互之間的范德瓦耳斯力相結(jié)合形成橫向異質(zhì)結(jié).
[0024]有益效果:有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0025]1.使用不同的堆垛結(jié)構(gòu)通過(guò)橫向連接形成I型異質(zhì)結(jié)作為激光器的主體，能降低注入電流，能有效的提高激光器轉(zhuǎn)化效率。
[0026]2.本發(fā)明中選取的二維材料黑磷，可以把遂穿二極管做得很薄。
[0027]3.本發(fā)明異質(zhì)結(jié)采用的是同一種材料，異質(zhì)結(jié)組合更容易達(dá)到晶格匹配，制備異質(zhì)結(jié)薄膜的工藝方法相比不同材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)也更為便捷簡(jiǎn)單。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為兩種不同堆垛的結(jié)構(gòu)示意圖，上下兩層分別用灰色和黑色表示:(a)AS堆垛雙層黑磷烯的頂視圖和側(cè)視圖；(b)AB堆垛黑磷烯的頂視圖和側(cè)視圖。
[0029]圖2為本發(fā)明提供的異質(zhì)結(jié)遂穿二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3遂穿二極管的基本原理。
[0031]其中有:襯底1、下電極臺(tái)面2、黑磷烯橫向異質(zhì)結(jié)3、電極臺(tái)面4、上電極5、下電極6。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本發(fā)明所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管，如圖1所示主要包括如下幾個(gè)部分:襯底、下電極臺(tái)面、黑磷烯III型異質(zhì)結(jié)、上電極臺(tái)面、上電極和下電極。
[0033]隧道二極管的功能基于電荷載流子(ChargeCarrier)的帶間隧穿，在熱平衡狀態(tài)下，AB堆垛和Αδ堆垛的能帶圖3(a)，Ε「η在價(jià)帶邊緣之下，Efp在導(dǎo)帶邊緣之上。由于能帶相互重疊，在很小的翻篇電壓就可以是的電子從EFAB之下的價(jià)帶躍迀到EFAS智商的導(dǎo)帶，發(fā)生電子量子遂穿。圖3(b):施加較小的翻篇電壓時(shí)，EFn逐漸降低并靠近EFp，P型區(qū)的填充狀態(tài)逐漸增多而N型區(qū)的空狀態(tài)逐漸增多，因此從P區(qū)到N區(qū)的電子遂穿效應(yīng)隨著翻篇電壓的升高而加強(qiáng)。圖3(c):在較小的偏電壓下，EFn相對(duì)于Efp上升，遂穿效應(yīng)從N區(qū)到P區(qū)，形成的電流方向從P區(qū)到N區(qū)。圖3(d):隨著整篇電壓繼續(xù)增大，當(dāng)EFn繼續(xù)上升到某個(gè)點(diǎn)時(shí)，能帶分離，這時(shí)填充狀態(tài)相對(duì)于空穴狀態(tài)的數(shù)量減少，遂穿效應(yīng)減弱。
[0034]a.襯底的制備:采用η型硅作為襯底；
[0035]n-Si襯底清洗:Wn-Si( 111)片為襯底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去離子水超聲波清洗，去除硅片上的有機(jī)物，用氮?dú)獯蹈?，放入石英管中進(jìn)行沉積處理;石英管的真空度為10-2Pa，加熱到300°C維持10分鐘，以去除硅片表面的水汽；
[0036]b.少層黑磷烯的制備:體黑磷通過(guò)在高溫高壓下對(duì)其同質(zhì)異形體白磷或紅磷進(jìn)行處理得到:
[0037]I)將白磷在1000_1200Pa大氣壓下加熱到200_250°C，得到片狀黑磷；通過(guò)機(jī)械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過(guò)Ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷??；
[0038]得到層狀的黑磷烯:首先獲取黑磷塊體，然后將黑磷塊體浸入過(guò)氧化氫異丙苯CHP的溶劑中，再加超聲波超聲10-15分鐘。最后，使用離心機(jī)使其分離得到層狀物；
[0039 ] 2)用Si基板從溶液中撈出黑磷烯薄膜，放在50-60 °C的加熱臺(tái)上烘干，去除黑磷烯薄膜與Si基板之間的水分，同時(shí)將少層黑磷烯更牢固的與Si基板結(jié)合；
[0040]3)步驟2)得到的少層黑磷烯結(jié)構(gòu)通常為多層的AB堆垛結(jié)構(gòu)，在電子顯微鏡下，通過(guò)探針剝離的方法，剝離掉多余的黑磷得到適當(dāng)層數(shù)(6到20層)的黑磷烯；
[0041]4)在電子顯微鏡下，使用探針對(duì)上述得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剝離，移動(dòng)層與層之間的相對(duì)距離，約0.2-0.3個(gè)周期的距離，得到Αδ堆垛黑磷烯;AB堆垛和Αδ堆垛可以通過(guò)相互之間的范德瓦耳斯力相結(jié)合形成橫向異質(zhì)結(jié)；
[0042]c.遂穿二極管的制造步驟:
[0043]I)在上述基礎(chǔ)上，以得到的橫向異質(zhì)結(jié)為襯底，用光學(xué)光刻和濕法腐蝕形成共振遂穿二極管上電極臺(tái)面和下電極臺(tái)面，其中形成共振遂穿二極管上電極臺(tái)面腐蝕液為磷酸腐蝕液，形成共振遂穿二極管下臺(tái)面腐蝕液為錮稼砷(InGaAs)/鋁砷(AIAs)選擇性腐蝕液丁二酸(SA)腐蝕液。
[0044]2)用濕法腐蝕形成共振遂穿二極管下臺(tái)面，在下臺(tái)面上蒸發(fā)形成欽鉑金金屬層。
[0045]3)再用光學(xué)光刻法在蒸發(fā)形成的欽鉑金金屬層上形成共振遂穿二極管的下電極金屬，蒸發(fā)20nm Ti，20nmPt，150nmAu。采用同樣的方法制備上電極。
[0046]4)用光學(xué)光刻和電子束蒸發(fā)法，制作形成金屬接線柱。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管，其特征在于，該遂穿二極管為異質(zhì)結(jié)遂穿二極管，最下面是襯底(I)，在襯底(I)上是下電極臺(tái)面(2)，在下電極臺(tái)面(2)的上面的一邊為黑磷烯橫向異質(zhì)結(jié)(3)，另一邊是下電極(6)，在黑磷烯橫向異質(zhì)結(jié)(3)上為電極臺(tái)面(4)，電極臺(tái)面(4)上為上電極(5)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管，其特征在于，所述的黑磷烯橫向異質(zhì)結(jié)(3)為一個(gè)由黑磷烯的兩種不同堆垛結(jié)構(gòu)組成的橫向異質(zhì)結(jié)，這種異質(zhì)結(jié)為III型異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體;兩種不同的堆垛結(jié)構(gòu)分別為AB堆垛和Αδ堆垛;AB堆垛為黑磷烯的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于P型半導(dǎo)體，Αδ堆垛為黑磷烯的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于η型半導(dǎo)體;AB堆垛黑磷烯的第二層相當(dāng)于相對(duì)第一層沿a方向移動(dòng)了半個(gè)周期，Αδ的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于下一層相對(duì)于上一層結(jié)構(gòu)移動(dòng)了小于半個(gè)周期的距離，約0.2-0.3個(gè)周期的距離。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管，其特征在于，所述的異質(zhì)結(jié)中AB堆垛和Αδ堆垛，其厚度都在6層以上，20nm以上，甚至為了配合工藝需求能做到更厚。4.一種如權(quán)利要求1所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟: a.襯底的制備:米用η型娃作為襯底； n-Si襯底清洗:Wn-Si (111)片為襯底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去離子水超聲波清洗，去除硅片上的有機(jī)物，用氮?dú)獯蹈?，放入石英管中進(jìn)行沉積處理;石英管的真空度為10-2Pa，加熱到300°C維持10分鐘，以去除硅片表面的水汽； b.少層黑磷烯的制備:體黑磷通過(guò)在高溫高壓下對(duì)其同質(zhì)異形體白磷或紅磷進(jìn)行處理得到； c.遂穿二極管的制造步驟: Cl)以得到的橫向異質(zhì)結(jié)為襯底，用光學(xué)光刻和濕法腐蝕形成共振遂穿二極管上電極臺(tái)面和下電極臺(tái)面，其中形成共振遂穿二極管上電極臺(tái)面腐蝕液為磷酸腐蝕液，形成共振遂穿二極管下臺(tái)面腐蝕液為錮稼砷InGaAs/鋁砷AIAs選擇性腐蝕液丁二酸SA腐蝕液； c2)用濕法腐蝕形成共振遂穿二極管下臺(tái)面，在下臺(tái)面上蒸發(fā)形成欽鉑金金屬層； c3)再用光學(xué)光刻法在蒸發(fā)形成的欽鉑金金屬層上形成共振遂穿二極管的下電極金屬，蒸發(fā)20nmTi，20nmPt，150nmAu ；采用同樣的方法制備上電極； c4)用光學(xué)光刻和電子束蒸發(fā)法，制作形成金屬接線柱。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)的遂穿二極管的制備方法，其特征在于所述少層黑磷烯的制備具體為: 1)將白磷在1000-1200Pa大氣壓下加熱到200-250°C，得到片狀黑磷;通過(guò)機(jī)械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過(guò)Ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷烯； 得到層狀的黑磷烯:首先獲取黑磷塊體，然后將黑磷塊體浸入過(guò)氧化氫異丙苯CHP的溶劑中，再加超聲波超聲10-15分鐘;最后，使用離心機(jī)使其分離得到層狀物； 2)用Si基板從溶液中撈出黑磷烯薄膜，放在50-60°C的加熱臺(tái)上烘干，去除黑磷烯薄膜與S i基板之間的水分，同時(shí)將少層黑磷烯更牢固的與S i基板結(jié)合； 3)步驟2)得到的少層黑磷烯結(jié)構(gòu)通常為多層的AB堆垛結(jié)構(gòu)，在電子顯微鏡下，通過(guò)探針剝離的方法，剝離掉多余的黑磷得到6到20層的黑磷烯； 4)在電子顯微鏡下，使用探針對(duì)上述得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剝離，移動(dòng)層與層之間的相對(duì)距離，約0.2-0.3個(gè)周期的距離，得到Αδ堆垛黑磷烯;AB堆垛和Αδ堆垛可以通過(guò)相互之間的范德瓦耳斯力相結(jié)合形成橫向異質(zhì)結(jié)。
【文檔編號(hào)】H01L21/329GK105977311SQ201610551782
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月13日
【發(fā)明人】雷雙瑛, 沈海云, 黃蘭
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)