横向同质异质结二极管器件及其制备方法

1.本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种横向同质异质结二极管器件及其制备方法。

背景技术：

2.肖特基二极管具有反向偏压较低、反向漏电大的特点，而且反向漏电流值为正温度特性，容易随着温度升高而急速变大。传统异质结二极管相对于肖特基二极管虽然反向偏压升高、反向漏电减小，但是正向压降增大。
3.因此，制备一个拥有尺寸小、反向偏压高、反向漏电低、正向压降小的二极管成为二极管器件研究的关键问题。

技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种横向同质异质结二极管器件及其制备方法。
5.本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本技术提供一种横向同质异质结二极管器件，包括：
7.衬底；
8.第一介质衬底层和第二介质衬底层，位于同层，且位于衬底的一侧；第一介质衬底层和第二介质衬底层相互接触；
9.二维半导体材料层，位于第一介质衬底层和第二介质衬底层背离衬底的一侧；沿垂直于衬底的方向，二维半导体材料层的正投影至少部分与第一介质衬底层的正投影交叠，至少部分与第二介质衬底层的正投影交叠；
10.第一欧姆电极和第二欧姆电极，位于同层，且位于二维半导体材料层背离衬底的一侧；第一欧姆电极和第二欧姆电极间隔排布。
11.可选地，二维半导体材料层为p型半导体材料层，或者；二维半导体材料层为n型半导体材料层。
12.可选地，沿垂直于衬底的方向，第一介质衬底层的厚度和第二介质衬底层的厚度相等；
13.第一介质衬底层的厚度为10nm～100nm；第二介质衬底层的厚度为10nm～100nm。
14.可选地，二维半导体材料层包括单层或多层；
15.二维半导体材料层为二硫化钼、二硫化钨或二硒化钨中的一种。
16.可选地，沿垂直于衬底的方向，二维半导体材料层的厚度为0.35nm～10nm。
17.可选地，第一欧姆电极和第二欧姆电极的材质均包括金属x和金属au，其中，x为钛、铬、铂或钯中的一种；金属x的生长厚度为10nm，金属au的生长厚度为80nm。
18.第二方面，本技术还提供一种横向同质异质结二极管器件的制备方法，包括
19.提供衬底；
20.在衬底上制作第一介质衬底层和第二介质衬底层；
21.利用干法或湿法将二维半导体材料层转移至第一介质衬底层和第二介质衬底层上；
22.在二维半导体层上进行金属蒸镀，并对金属进行退火合金化，形成第一欧姆电极和第二欧姆电极。
23.可选地，在衬底上制作第一介质衬底层和第二介质衬底层的过程包括：
24.在衬底上制作未处理的第一介质衬底层，依次使用丙酮、酒精和去离子水分别对未处理的第一介质衬底层进行超声清洗5min，并用氮气吹干；
25.对未处理的第一介质衬底层进行图形化光刻并蒸镀20nm～110nm的金属，再进行选择性刻蚀，刻蚀深度为10nm～100nm，得到图形化的第一介质衬底层；
26.利用分子束外延或磁控溅射在图形化的第一介质衬底层上生长未处理的第二介质衬底层，并置于金属腐蚀液中，暴露出第一介质衬底层；其中，未处理的第二介质衬底层的厚度为10nm～100nm。
27.可选地，金属退火温度为200℃～400℃。
28.本发明的有益效果：
29.本发明提供的一种横向同质异质结二极管器件及其制备方法，依次排布有衬底、第一介质衬底层、二维半导体材料层和第一欧姆电极，其中，第一介质衬底层与第二介质衬底层位于同层，且相互接触，第一欧姆电极与第二欧姆电极位于同层，且间隔设置；二维半导体材料层分别与第一介质衬底层和第二介质衬底层均接触，通过第一介质衬底层和第二介质衬底层，实现对二维半导体材料层的禁带宽度的调控，并且形成的横向异质结界面处于二维半导体材料层与第一介质衬底层和第二介质衬底层的接触面，形成的横向异质结只有一条线，能够减少界面处的缺陷；此外，单一材料本身形成横向异质结，能够简化二极管器件的制备，降低制备成本。
30.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
31.图1是本发明实施例提供的横向同质异质结二极管器件的一种结构示意图；
32.图2是本发明实施例提供的横向同质异质结二极管器件的制备方法的一种流程图。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
34.现有技术中，以石墨烯、过渡金属硫属化物(tmds)为代表的二维材料具有原子级的厚度，良好的理化性质，超大的比表面积等特点，广泛应用在半导体电子器件中。二维材料器件以其低损耗、小尺寸等特点，成为新一代半导体器件。现有技术中，对二维材料进行掺杂时，容易对二维材料造成损伤。
35.有鉴于此，本技术中利用二维材料具有原子级厚度的特点，再结合pn结二极管，能够有效减小二极管器件尺寸；此外，由二维材料构成的横向异质结比垂直异质结具有更小
的接触面，能够有效减少界面缺陷，提高二极管器件的电学性能。
36.请参见图1，图1是本发明实施例提供的横向同质异质结二极管器件的一种结构示意图，本技术所提供的一种横向同质异质结二极管器件，包括：
37.衬底1；
38.第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2，位于同层，且位于衬底1的一侧；第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2相互接触；
39.二维半导体材料层3，位于第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2背离衬底1的一侧；沿垂直于衬底1的方向，二维半导体材料层3的正投影至少部分与第一介质衬底层2-1的正投影交叠，至少部分与第二介质衬底层2-2的正投影交叠；
40.第一欧姆电极4-1和第二欧姆电极4-2，位于同层，且位于二维半导体材料层3背离衬底1的一侧；第一欧姆电极4-1和第二欧姆电极4-2间隔排布。
41.具体而言，请继续参见图1所示，本实施例中提供的横向同质异质结二极管器件包括依次排布的衬底1、第一介质衬底层2-1、二维半导体材料层3和第一欧姆电极4-1，其中，第一介质衬底层2-1与第二介质衬底层2-2位于同层，且相互接触，第一欧姆电极4-1与第二欧姆电极4-2位于同层，且间隔设置，第一欧姆电极4-1和第二欧姆电极4-2位于二维半导体材料层3背离第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2的一侧；二维半导体材料层3分别与第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2均接触，通过第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2，实现对二维半导体材料层3的禁带宽度进行调控，并且形成的横向异质结界面处于二维半导体材料层3与第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2的接触面，形成的横向异质结只有一条线，能够减少界面处的缺陷；此外，单一材料本身形成横向异质结，能够简化二极管器件的制备，降低制备成本。
42.在本技术的一种可选地实施例中，二维半导体材料层3为p型半导体材料层，或者；二维半导体材料层3为n型半导体材料层。
43.具体而言，本实施例中第一介质衬底层2-1、第二介质衬底层2-2和二维半导体材料层3的材料相同，采用同种材料形成的异质结，不存在不同材料间的晶格失配的问题，能够提高二极管器件的电学性能。
44.在本技术的一种可选地实施例中，沿垂直于衬底的方向，第一介质衬底层2-1的厚度和第二介质衬底层2-2的厚度相等；
45.第一介质衬底层2-1的厚度为10nm～100nm；第二介质衬底层2-2的厚度为10nm～100nm。
46.具体而言，本实施例中第一介质衬底层2-1的厚度为10nm～100nm，可以为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm或80nm。
47.在本技术的一种可选地实施例中，二维半导体材料层3包括单层或多层；
48.二维半导体材料层3为二硫化钼、二硫化钨或二硒化钨中的一种。
49.在本技术的一种可选地实施例中，沿垂直于衬底的方向，二维半导体材料层3的厚度为0.35nm～10nm。
50.具体而言，本实施例中二维半导体材料层3的厚度为0.35nm～10nm，可以为2nm、3nm、4nm、6nm或8nm。
51.在本技术的一种可选地实施例中，第一欧姆电极4-1和第二欧姆电极4-2的材质均
包括金属x和金属au，其中，x为钛、铬、铂或钯中的一种；金属x的生长厚度为10nm，金属au的生长厚度为80nm。
52.基于同一发明构思，请参见图2，图2是本发明实施例提供的横向同质异质结二极管器件的制备方法的一种流程图，本技术还提供一种横向同质异质结二极管器件的制备方法，用于制作本技术上述实施例中提供的横向同质异质结二极管器件，其中，横向同质异质结二极管器件的参考上述实施例，此处不再赘述；该制备方法包括：
53.s101、提供衬底1；
54.s102、在衬底1上制作第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2；
55.s103、利用干法或湿法将二维半导体材料层3转移至第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2上；
56.s104、在二维半导体层上进行金属蒸镀，并对金属进行退火合金化，形成第一欧姆电极4-1和第二欧姆电极4-2。
57.具体而言，本实施例中提供的一种横向同质异质结二极管器件的制备方法，工艺步骤简单，能够精准定位异质结在第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2上的具体位置，为后续器件的制备提供便利；此外，采用横向异质结可以避免晶格失配、界面缺陷等对二极管的电学性能的影响。
58.需要说明的是，形成的第一欧姆电极4-1和第二欧姆电极4-2与二维半导体材料层3均为欧姆接触。
59.在本技术的一种可选地实施例中，在衬底1上制作第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2的过程包括：
60.在衬底1上制作未处理的第一介质衬底层2-1，依次使用丙酮、酒精和去离子水分别对未处理的第一介质衬底层2-1进行超声清洗5min，并用氮气吹干；
61.对未处理的第一介质衬底层2-1进行图形化光刻并蒸镀20nm～110nm的金属，再进行选择性刻蚀，刻蚀深度为10nm～100nm，得到图形化的第一介质衬底层2-1；
62.利用分子束外延或磁控溅射在图形化的第一介质衬底层2-1上生长未处理的第二介质衬底层2-2，并置于金属腐蚀液中，暴露出第一介质衬底层2-1；其中，未处理的第二介质衬底层2-2的厚度为10nm～100nm。
63.在本技术的一种可选地实施例中，金属退火温度为200℃～400℃。
64.在本技术的一种可选地实施例中，制备的复合层(第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2的总称)厚度为10nm，二维半导体材料层3为单层的二硫化钼的横向同质异质结二极管器件。
65.s201、制备复合层。
66.依次使用丙酮、酒精、去离子水分别对第一介质衬底层2-1进行超声清洗5分钟，并用氮气吹干。
67.对第一介质衬底层2-1进行图形化光刻并蒸镀20nm厚的金属，再进行选择性刻蚀，刻蚀深度为10nm，得到图形化的第一介质衬底层2-1。
68.在图形化的第一介质衬底层2-1上利用分子束外延或磁控溅射生未处理的第二介质衬底层2-2，并放入金属腐蚀液中腐蚀以露出第一介质衬底层2-1，以形成复合层；其中，生长的未处理的第二介质衬底层2-2的厚度为10nm。
69.s202、转移二维半导体材料。
70.将机械剥离的单层二硫化钼纳米片使用干法转移法转移到复合层上，或将mocvd生长的单层二硫化钼薄膜用湿法转移法转移到复合衬底1层上。
71.s203、金属蒸镀形成欧姆接触。
72.在单层二硫化钼上进行金属蒸镀，并进行退火合金化形成第一欧姆电极4-1和第二欧姆电极4-2；所用金属为ti/au，且金属ti的生长厚度为10nm，金属au的生长厚度为80nm，并在300℃下进高温退火，完成单层二硫化钼的横向同质异质结二极管器件制备。
73.在本技术的一种可选地实施例中，制备复合层(第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2的总称)厚度为50nm、二维半导体材料层3为双层二硫化钼的横向同质异质结二极管器件。
74.s201、制备复合衬底1层。
75.依次使用丙酮、酒精、去离子水分别对未处理的第一介质衬底层2-1进行超声清洗5分钟，并用氮气吹干。
76.对未处理第一介质衬底层2-1进行图形化光刻并蒸镀60nm厚的金属，再进行选择性刻蚀，刻蚀深度为50nm，得到图形化的第一介质衬底层2-1。
77.在图形化的第一介质衬底2-1层上利用分子束外延或磁控溅射生长未处理的第二介质衬底2-2层，并放入金属腐蚀液中腐蚀以露出第一介质衬底层2-1，形成复合层；其中，生长的未处理的第二介质衬底层2-2的厚度为50nm。
78.s202、转移二维半导体材料。
79.将机械剥离的双层二硫化钼纳米片用干法转移法转移到复合衬底1层上，或将mocvd生长的双层二硫化钼薄膜用湿法转移法转移到复合衬底1层上。
80.s203、金属蒸镀形成欧姆接触。
81.在双层二硫化钼上进行金属蒸镀，并进行退火合金化形成第一欧姆电极4-1和第二欧姆电极4-2；所用金属为cr/au，且金属cr的生长厚度为10nm，金属au的生长厚度为80nm，并在350℃下进行高温退火，完成单层二硫化钼的横向同质异质结二极管器件制备。
82.在本技术的一种可选地实施例中，制备复合层(第一介质衬底层2-1和第二介质衬底层2-2的总称)厚度为100nm、二维材料半导体层为十层二硫化钼的横向同质异质结二极管器件。
83.s201、制备复合衬底1层。
84.依次使用丙酮、酒精、去离子水分别对未处理的第一介质衬底层2-1进行超声清洗5分钟，并用氮气吹干。
85.对未处理的第一介质衬底层2-1进行图形化光刻并蒸镀110nm后的金属，再进行选择性刻蚀，刻蚀深度为100nm，得到图形化的第一介质衬底层2-1。
86.在图形化的第一介质衬底层2-1上利用分子束外延或磁控溅射生长未处理的第二介质衬底层2-2，并放入金属腐蚀液中腐蚀以露出第一介质衬底层2-1形成复合层；其中，生长的第二介质衬底层2-2的厚度为100nm。
87.s202、转移二维半导体材料。
88.将机械剥离的十层二硫化钼纳米片用干法转移法转移到复合衬底1层上，或将mocvd生长的十层二硫化钼薄膜用湿法转移法转移到复合衬底1层上。
89.s203、金属蒸镀形成欧姆接触。
90.在十层二硫化钼上进行金属蒸镀，并进行退火合金化形成第一欧姆电极4-1和第二欧姆电极4-2；所用金属为pd/au，且金属pd的生长厚度为10nm，金属au的生长厚度为80nm，并在400℃下进行高温退火，完成单层二硫化钼的横向同质异质结二极管器件制备。
91.本发明提供的一种横向同质异质结二极管器件及其制备方法，依次排布有衬底、第一介质衬底层、二维半导体材料层和第一欧姆电极，其中，第一介质衬底层与第二介质衬底层位于同层，且相互接触，第一欧姆电极与第二欧姆电极位于同层，且间隔设置；二维半导体材料层分别与第一介质衬底层和第二介质衬底层均接触，通过第一介质衬底层和第二介质衬底层，实现对二维半导体材料层的禁带宽度的调控，并且形成的横向异质结界面处于二维半导体材料层与第一介质衬底层和第二介质衬底层的接触面，形成的横向异质结只有一条线，能够减少界面处的缺陷；此外，单一材料本身形成横向异质结，能够简化二极管器件的制备，降低制备成本。
92.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种横向同质异质结二极管器件，其特征在于，包括：衬底；第一介质衬底层和第二介质衬底层，位于同层，且位于所述衬底的一侧；所述第一介质衬底层和所述第二介质衬底层相互接触；二维半导体材料层，位于所述第一介质衬底层和所述第二介质衬底层背离所述衬底的一侧；沿垂直于所述衬底的方向，所述二维半导体材料层的正投影至少部分与所述第一介质衬底层的正投影交叠，至少部分与所述第二介质衬底层的正投影交叠；第一欧姆电极和第二欧姆电极，位于同层，且位于所述二维半导体材料层背离所述衬底的一侧；所述第一欧姆电极和所述第二欧姆电极间隔排布。2.根据权利要求1所述的横向同质异质结二极管器件，其特征在于，所述二维半导体材料层为p型半导体材料层，或者；所述二维半导体材料层为n型半导体材料层。3.根据权利要求1所述的横向同质异质结二极管器件，其特征在于，沿垂直于所述衬底的方向，所述第一介质衬底层的厚度和所述第二介质衬底层的厚度相等；所述第一介质衬底层的厚度为10nm～100nm；所述第二介质衬底层的厚度为10nm～100nm。4.根据权利要求1所述的横向同质异质结二极管器件，其特征在于，所述二维半导体材料层包括单层或多层；所述二维半导体材料层为二硫化钼、二硫化钨或二硒化钨中的一种。5.根据权利要求1所述的横向同质异质结二极管器件，其特征在于，沿垂直于所述衬底的方向，所述二维半导体材料层的厚度为0.35nm～10nm。6.根据权利要求1所述的横向同质异质结二极管器件，其特征在于，所述第一欧姆电极和所述第二欧姆电极的材质均包括金属x和金属au，其中，x为钛、铬、铂或钯中的一种；金属x的生长厚度为10nm，金属au的生长厚度为80nm。7.一种横向同质异质结二极管器件的制备方法，其特征在于，包括提供衬底；在所述衬底上制作第一介质衬底层和第二介质衬底层；利用干法或湿法将二维半导体材料层转移至所述第一介质衬底层和所述第二介质衬底层上；在所述二维半导体层上进行金属蒸镀，并对金属进行退火合金化，形成第一欧姆电极和第二欧姆电极。8.根据权利要求7所述的横向同质异质结二极管器件的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底上制作第一介质衬底层和第二介质衬底层的过程包括：在所述衬底上制作未处理的第一介质衬底层，依次使用丙酮、酒精和去离子水分别对未处理的第一介质衬底层进行超声清洗5min，并用氮气吹干；对未处理的第一介质衬底层进行图形化光刻并蒸镀20nm～110nm的金属，再进行选择性刻蚀，刻蚀深度为10nm～100nm，得到图形化的第一介质衬底层；利用分子束外延或磁控溅射在图形化的第一介质衬底层上生长未处理的第二介质衬底层，并置于金属腐蚀液中，暴露出第一介质衬底层；其中，未处理的第二介质衬底层的厚度为10nm～100nm。
9.根据权利要求7所述的横向同质异质结二极管器件的制备方法，其特征在于，所述金属退火温度为200℃～400℃。

技术总结

本发明公开了一种横向同质异质结二极管器件及其制备方法，涉及微电子技术领域，包括：衬底；第一介质衬底层和第二介质衬底层，位于同层，且位于衬底的一侧；第一介质衬底层和第二介质衬底层相互接触；二维半导体材料层，位于第一介质衬底层和第二介质衬底层背离衬底的一侧；沿垂直于衬底的方向，二维半导体材料层的正投影至少部分与第一介质衬底层的正投影交叠，至少部分与第二介质衬底层的正投影交叠；第一欧姆电极和第二欧姆电极，位于同层，且位于二维半导体材料层背离衬底的一侧；第一欧姆电极和第二欧姆电极间隔排布。本申请能够简化二极管器件的制备，降低制备成本。降低制备成本。降低制备成本。