用少層黑磷烯的不同堆垛結構的遂穿二極管及實現方法
【專利摘要】本文發明公開了一種用少層黑磷烯的不同堆垛結構的遂穿二極管及實現方法。該遂穿二極管為異質結遂穿二極管，最下面是襯底(1)，在襯底(1)上是下電極臺面(2)，在下電極臺面(2)的上面的一邊為黑磷烯橫向異質結(3)，另一邊是下電極(6)，在黑磷烯橫向異質結(3)上為電極臺面(4)，電極臺面(4)上為上電極(5)。與普通遂穿二極管相比，本發明提出的異質結不需要進行重摻雜即可得到用于遂穿的能帶結構。其中III型半導體異質結是本專利設計結構的核心部分。本發明選用的同種材料異質結更容易達到晶格匹配，制備工藝也更簡單，僅僅通過范德瓦耳斯力就能將兩種不同堆垛結構的黑磷烯橫向連接形成異質結。
【專利說明】
用少層黑磷烯的不同堆垛結構的遂穿二極管及實現方法
技術領域
[0001]本發明涉及用旋轉堆垛黑磷烯的不同堆垛結構實現遂穿二極管的方法，屬于半導體器件技術領域。
【背景技術】
[0002]隧穿二極管從LeOESaki發明它起的半個世紀內受到持續的關注，遂穿二極管(RTD)是基于量子遂穿效應的一種負阻納米電子器件，具有響應速度快，工作頻率高，功耗低等特點，由RTD串聯可以構成具有自鎖特性的單穩態一雙穩態邏輯轉換單元(M0BLE)，且構成相同功能的電路所用共振遂穿二極管比常規器件要少，具有簡化電路，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越性質而受到人們的廣泛研究，如石墨烯，MoS2等等。近年來，一種新的2D材料少層黑磷烯已經能在實驗條件下通過機械剝離的方法制備得到并且受到了人們的廣泛關注。體黑磷是一種具有金屬光澤的晶體，可由白磷或紅磷轉化而來，體黑磷具有直接半導體帶隙，且表現出與層數相關的特性，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制率，使得其在未來的納米電子器件中的應用有很大潛力。另外因其為直接帶隙，其光學性質相比其他材料也有很大的優勢，是目前新型二維材料研究的熱點之一。
[0004]二維黑磷烯的帶隙與黑磷層數相關，其能隙范圍在0.3-1.5eV之間。對于像黑磷烯這樣具有層狀結構的二維材料，當層與層之間的相對位置不同時會有不同的堆垛結構。以雙層黑磷烯為基礎，根據堆垛方式的不同，將這些堆垛結構分為兩大類，第一類是將兩層黑磷烯沿平面的兩個方向相對平移，稱之為平移堆垛;第二類是將兩層黑磷烯相對旋轉，稱之為旋轉堆垛。我們的理論計算證明，對于平移型堆垛結構AB堆垛和Αδ堆垛，當層數達到6層以上時，二者的能帶排列可以形成III型異質結，有利于制造遂穿二極管。利用黑磷烯的不同堆垛結構具有不同帶隙和能級的特點，本文提出用旋轉堆垛黑磷烯的不同堆垛結構實現遂穿二極管的方法，所涉及的異質結為同種材料，相比不同材料構成的異質結，該方法制備條件更方便，成本低廉，可以更有效的達到遂穿條件。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明的目的在于提供一種用少層黑磷烯的不同堆垛結構的遂穿二極管及實現方法，使用二維材料黑磷烯的不同堆垛結構組成III型異質結制備遂穿二極管，降低制備成本，提高遂穿二極管的效率。
[0006]技術方案:本發明的一種用少層黑磷烯的不同堆垛結構的遂穿二極管為異質結遂穿二極管，最下面是襯底，在襯底上是下電極臺面，在下電極臺面的上面的一邊為黑磷烯橫向異質結，另一邊是下電極，在黑磷烯橫向異質結上為電極臺面，電極臺面上為上電極。
[0007]所述的黑磷烯橫向異質結為一個由黑磷烯的兩種不同堆垛結構組成的橫向異質結，這種異質結為III型異質結半導體;兩種不同的堆垛結構分別為AB堆垛和Αδ堆垛;AB堆垛為黑磷烯的穩定結構，相當于P型半導體，Αδ堆垛為黑磷烯的亞穩態結構，相當于η型半導體;AB堆垛黑磷烯的第二層相當于相對第一層沿a方向移動了半個周期，Αδ的結構相當于下一層相對于上一層結構移動了小于半個周期的距離，約0.2-0.3個周期的距離。
[0008]所述的異質結中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]本發明的用少層黑磷烯的不同堆垛結構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，去除硅片上的有機物，用氮氣吹干，放入石英管中進行沉積處理;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:體黑磷通過在高溫高壓下對其同質異形體白磷或紅磷進行處理得到；
[0013]c.遂穿二極管的制造步驟:
[0014]Cl)以得到的橫向異質結為襯底，用光學光刻和濕法腐蝕形成共振遂穿二極管上電極臺面和下電極臺面，其中形成共振遂穿二極管上電極臺面腐蝕液為磷酸腐蝕液，形成共振遂穿二極管下臺面腐蝕液為錮稼砷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面，在下臺面上蒸發形成欽鉑金金屬層；
[0016]c3)再用光學光刻法在蒸發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20nmTi，20nmPt，150nmAu;采用同樣的方法制備上電極；
[0017]c4)用光學光刻和電子束蒸發法，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;通過機械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過Ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷稀；
[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的加熱臺上烘干，去除黑磷烯薄膜與Si基板之間的水分，同時將少層黑磷烯更牢固的與Si基板結合；
[0022]3)步驟2)得到的少層黑磷烯結構通常為多層的AB堆垛結構，在電子顯微鏡下，通過探針剝離的方法，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，使用探針對上述得到的結構進行剝離，移動層與層之間的相對距離，約0.2-0.3個周期的距離，得到Αδ堆垛黑磷烯;AB堆垛和Αδ堆垛可以通過相互之間的范德瓦耳斯力相結合形成橫向異質結.
[0024]有益效果:有技術相比，本發明具有如下有益效果:
[0025]1.使用不同的堆垛結構通過橫向連接形成I型異質結作為激光器的主體，能降低注入電流，能有效的提高激光器轉化效率。
[0026]2.本發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.本發明異質結采用的是同一種材料，異質結組合更容易達到晶格匹配，制備異質結薄膜的工藝方法相比不同材料構成的異質結也更為便捷簡單。
【附圖說明】
[0028]圖1為兩種不同堆垛的結構示意圖，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視圖；(b)AB堆垛黑磷烯的頂視圖和側視圖。
[0029]圖2為本發明提供的異質結遂穿二極管的結構示意圖。
[0030]圖3遂穿二極管的基本原理。
[0031]其中有:襯底1、下電極臺面2、黑磷烯橫向異質結3、電極臺面4、上電極5、下電極6。
【具體實施方式】
[0032]本發明所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結構的遂穿二極管，如圖1所示主要包括如下幾個部分:襯底、下電極臺面、黑磷烯III型異質結、上電極臺面、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，在熱平衡狀態下，AB堆垛和Αδ堆垛的能帶圖3(a)，Ε「η在價帶邊緣之下，Efp在導帶邊緣之上。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之下的價帶躍迀到EFAS智商的導帶，發生電子量子遂穿。圖3(b):施加較小的翻篇電壓時，EFn逐漸降低并靠近EFp，P型區的填充狀態逐漸增多而N型區的空狀態逐漸增多，因此從P區到N區的電子遂穿效應隨著翻篇電壓的升高而加強。圖3(c):在較小的偏電壓下，EFn相對于Efp上升，遂穿效應從N區到P區，形成的電流方向從P區到N區。圖3(d):隨著整篇電壓繼續增大，當EFn繼續上升到某個點時，能帶分離，這時填充狀態相對于空穴狀態的數量減少，遂穿效應減弱。
[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，去除硅片上的有機物，用氮氣吹干，放入石英管中進行沉積處理;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:體黑磷通過在高溫高壓下對其同質異形體白磷或紅磷進行處理得到:
[0037]I)將白磷在1000_1200Pa大氣壓下加熱到200_250°C，得到片狀黑磷；通過機械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過Ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷稀；
[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的加熱臺上烘干，去除黑磷烯薄膜與Si基板之間的水分，同時將少層黑磷烯更牢固的與Si基板結合；
[0040]3)步驟2)得到的少層黑磷烯結構通常為多層的AB堆垛結構，在電子顯微鏡下，通過探針剝離的方法，剝離掉多余的黑磷得到適當層數(6到20層)的黑磷烯；
[0041]4)在電子顯微鏡下，使用探針對上述得到的結構進行剝離，移動層與層之間的相對距離，約0.2-0.3個周期的距離，得到Αδ堆垛黑磷烯;AB堆垛和Αδ堆垛可以通過相互之間的范德瓦耳斯力相結合形成橫向異質結；
[0042]c.遂穿二極管的制造步驟:
[0043]I)在上述基礎上，以得到的橫向異質結為襯底，用光學光刻和濕法腐蝕形成共振遂穿二極管上電極臺面和下電極臺面，其中形成共振遂穿二極管上電極臺面腐蝕液為磷酸腐蝕液，形成共振遂穿二極管下臺面腐蝕液為錮稼砷(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面，在下臺面上蒸發形成欽鉑金金屬層。
[0045]3)再用光學光刻法在蒸發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20nm Ti，20nmPt，150nmAu。采用同樣的方法制備上電極。
[0046]4)用光學光刻和電子束蒸發法，制作形成金屬接線柱。
【主權項】
1.一種用少層黑磷烯的不同堆垛結構的遂穿二極管，其特征在于，該遂穿二極管為異質結遂穿二極管，最下面是襯底(I)，在襯底(I)上是下電極臺面(2)，在下電極臺面(2)的上面的一邊為黑磷烯橫向異質結(3)，另一邊是下電極(6)，在黑磷烯橫向異質結(3)上為電極臺面(4)，電極臺面(4)上為上電極(5)。2.根據權利要求1所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結構的遂穿二極管，其特征在于，所述的黑磷烯橫向異質結(3)為一個由黑磷烯的兩種不同堆垛結構組成的橫向異質結，這種異質結為III型異質結半導體;兩種不同的堆垛結構分別為AB堆垛和Αδ堆垛;AB堆垛為黑磷烯的穩定結構，相當于P型半導體，Αδ堆垛為黑磷烯的亞穩態結構，相當于η型半導體;AB堆垛黑磷烯的第二層相當于相對第一層沿a方向移動了半個周期，Αδ的結構相當于下一層相對于上一層結構移動了小于半個周期的距離，約0.2-0.3個周期的距離。3.根據權利要求2所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結構的遂穿二極管，其特征在于，所述的異質結中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。4.一種如權利要求1所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結構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，去除硅片上的有機物，用氮氣吹干，放入石英管中進行沉積處理;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:體黑磷通過在高溫高壓下對其同質異形體白磷或紅磷進行處理得到； c.遂穿二極管的制造步驟: Cl)以得到的橫向異質結為襯底，用光學光刻和濕法腐蝕形成共振遂穿二極管上電極臺面和下電極臺面，其中形成共振遂穿二極管上電極臺面腐蝕液為磷酸腐蝕液，形成共振遂穿二極管下臺面腐蝕液為錮稼砷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面，在下臺面上蒸發形成欽鉑金金屬層； c3)再用光學光刻法在蒸發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20nmTi，20nmPt，150nmAu ；采用同樣的方法制備上電極； c4)用光學光刻和電子束蒸發法，制作形成金屬接線柱。5.根據權利要求4所述的用少層黑磷烯的不同堆垛結構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;通過機械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過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的加熱臺上烘干，去除黑磷烯薄膜與S i基板之間的水分，同時將少層黑磷烯更牢固的與S i基板結合； 3)步驟2)得到的少層黑磷烯結構通常為多層的AB堆垛結構，在電子顯微鏡下，通過探針剝離的方法，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，使用探針對上述得到的結構進行剝離，移動層與層之間的相對距離，約0.2-0.3個周期的距離，得到Αδ堆垛黑磷烯;AB堆垛和Αδ堆垛可以通過相互之間的范德瓦耳斯力相結合形成橫向異質結。
【文檔編號】H01L21/329GK105977311SQ201610551782
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】雷雙瑛, 沈海云, 黃蘭
【申請人】東南大學