用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管及实现方法
【专利摘要】本文发明公开了一种用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管及实现方法。该遂穿二极管为异质结遂穿二极管，最下面是衬底(1)，在衬底(1)上是下电极台面(2)，在下电极台面(2)的上面的一边为黑磷烯横向异质结(3)，另一边是下电极(6)，在黑磷烯横向异质结(3)上为电极台面(4)，电极台面(4)上为上电极(5)。与普通遂穿二极管相比，本发明提出的异质结不需要进行重掺杂即可得到用于遂穿的能带结构。其中III型半导体异质结是本专利设计结构的核心部分。本发明选用的同种材料异质结更容易达到晶格匹配，制备工艺也更简单，仅仅通过范德瓦耳斯力就能将两种不同堆垛结构的黑磷烯横向连接形成异质结。
【专利说明】
用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管及实现方法
技术领域
[0001]本发明涉及用旋转堆垛黑磷烯的不同堆垛结构实现遂穿二极管的方法，属于半导体器件技术领域。
【背景技术】
[0002]隧穿二极管从LeOESaki发明它起的半个世纪内受到持续的关注，遂穿二极管(RTD)是基于量子遂穿效应的一种负阻纳米电子器件，具有响应速度快，工作频率高，功耗低等特点，由RTD串联可以构成具有自锁特性的单稳态一双稳态逻辑转换单元(M0BLE)，且构成相同功能的电路所用共振遂穿二极管比常规器件要少，具有简化电路，降低功耗的作用。
[0003]具有原子层厚度的2D材料由于其不同于体材料的优越性质而受到人们的广泛研究，如石墨烯，MoS2等等。近年来，一种新的2D材料少层黑磷烯已经能在实验条件下通过机械剥离的方法制备得到并且受到了人们的广泛关注。体黑磷是一种具有金属光泽的晶体，可由白磷或红磷转化而来，体黑磷具有直接半导体带隙，且表现出与层数相关的特性，少层黑磷烯的电子迀移率为1000cm2/VS，还具有非常高的漏电流调制率，使得其在未来的纳米电子器件中的应用有很大潜力。另外因其为直接带隙，其光学性质相比其他材料也有很大的优势，是目前新型二维材料研究的热点之一。
[0004]二维黑磷烯的带隙与黑磷层数相关，其能隙范围在0.3-1.5eV之间。对于像黑磷烯这样具有层状结构的二维材料，当层与层之间的相对位置不同时会有不同的堆垛结构。以双层黑磷烯为基础，根据堆垛方式的不同，将这些堆垛结构分为两大类，第一类是将两层黑磷烯沿平面的两个方向相对平移，称之为平移堆垛;第二类是将两层黑磷烯相对旋转，称之为旋转堆垛。我们的理论计算证明，对于平移型堆垛结构AB堆垛和Αδ堆垛，当层数达到6层以上时，二者的能带排列可以形成III型异质结，有利于制造遂穿二极管。利用黑磷烯的不同堆垛结构具有不同带隙和能级的特点，本文提出用旋转堆垛黑磷烯的不同堆垛结构实现遂穿二极管的方法，所涉及的异质结为同种材料，相比不同材料构成的异质结，该方法制备条件更方便，成本低廉，可以更有效的达到遂穿条件。
【发明内容】
[0005]技术问题:本发明的目的在于提供一种用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管及实现方法，使用二维材料黑磷烯的不同堆垛结构组成III型异质结制备遂穿二极管，降低制备成本，提高遂穿二极管的效率。
[0006]技术方案:本发明的一种用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管为异质结遂穿二极管，最下面是衬底，在衬底上是下电极台面，在下电极台面的上面的一边为黑磷烯横向异质结，另一边是下电极，在黑磷烯横向异质结上为电极台面，电极台面上为上电极。
[0007]所述的黑磷烯横向异质结为一个由黑磷烯的两种不同堆垛结构组成的横向异质结，这种异质结为III型异质结半导体;两种不同的堆垛结构分别为AB堆垛和Αδ堆垛;AB堆垛为黑磷烯的稳定结构，相当于P型半导体，Αδ堆垛为黑磷烯的亚稳态结构，相当于η型半导体;AB堆垛黑磷烯的第二层相当于相对第一层沿a方向移动了半个周期，Αδ的结构相当于下一层相对于上一层结构移动了小于半个周期的距离，约0.2-0.3个周期的距离。
[0008]所述的异质结中AB堆垛和Αδ堆垛，其厚度都在6层以上，20nm以上，甚至为了配合工艺需求能做到更厚。
[0009]本发明的用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管的制备方法包括以下步骤:
[0010]a.衬底的制备:采用η型硅作为衬底；
[0011 ] n-Si衬底清洗:Wn-Si( 111)片为衬底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干，放入石英管中进行沉积处理;石英管的真空度为10-2Pa，加热到300°C维持10分钟，以去除硅片表面的水汽；
[0012]b.少层黑磷烯的制备:体黑磷通过在高温高压下对其同质异形体白磷或红磷进行处理得到；
[0013]c.遂穿二极管的制造步骤:
[0014]Cl)以得到的横向异质结为衬底，用光学光刻和湿法腐蚀形成共振遂穿二极管上电极台面和下电极台面，其中形成共振遂穿二极管上电极台面腐蚀液为磷酸腐蚀液，形成共振遂穿二极管下台面腐蚀液为锢稼砷InGaAs/铝砷AIAs选择性腐蚀液丁二酸SA腐蚀液；
[0015]c2)用湿法腐蚀形成共振遂穿二极管下台面，在下台面上蒸发形成钦铂金金属层；
[0016]c3)再用光学光刻法在蒸发形成的钦铂金金属层上形成共振遂穿二极管的下电极金属，蒸发20nmTi，20nmPt，150nmAu;采用同样的方法制备上电极；
[0017]c4)用光学光刻和电子束蒸发法，制作形成金属接线柱。
[0018]所述少层黑磷烯的制备具体为:
[0019]I)将白磷在1000-1200Pa大气压下加热到200-250°C，得到片状黑磷;通过机械剥离方法从黑磷晶体剥离出多层黑磷烯;然后再通过Ar+等离子体剥离方法剥离得到少层黑磷稀；
[0020]得到层状的黑磷烯:首先获取黑磷块体，然后将黑磷块体浸入过氧化氢异丙苯CHP的溶剂中，再加超声波超声10-15分钟;最后，使用离心机使其分离得到层状物；
[0021 ] 2)用Si基板从溶液中捞出黑磷烯薄膜，放在50-60 °C的加热台上烘干，去除黑磷烯薄膜与Si基板之间的水分，同时将少层黑磷烯更牢固的与Si基板结合；
[0022]3)步骤2)得到的少层黑磷烯结构通常为多层的AB堆垛结构，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离掉多余的黑磷得到6到20层的黑磷烯；
[0023]4)在电子显微镜下，使用探针对上述得到的结构进行剥离，移动层与层之间的相对距离，约0.2-0.3个周期的距离，得到Αδ堆垛黑磷烯;AB堆垛和Αδ堆垛可以通过相互之间的范德瓦耳斯力相结合形成横向异质结.
[0024]有益效果:有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0025]1.使用不同的堆垛结构通过横向连接形成I型异质结作为激光器的主体，能降低注入电流，能有效的提高激光器转化效率。
[0026]2.本发明中选取的二维材料黑磷，可以把遂穿二极管做得很薄。
[0027]3.本发明异质结采用的是同一种材料，异质结组合更容易达到晶格匹配，制备异质结薄膜的工艺方法相比不同材料构成的异质结也更为便捷简单。
【附图说明】
[0028]图1为两种不同堆垛的结构示意图，上下两层分别用灰色和黑色表示:(a)AS堆垛双层黑磷烯的顶视图和侧视图；(b)AB堆垛黑磷烯的顶视图和侧视图。
[0029]图2为本发明提供的异质结遂穿二极管的结构示意图。
[0030]图3遂穿二极管的基本原理。
[0031]其中有:衬底1、下电极台面2、黑磷烯横向异质结3、电极台面4、上电极5、下电极6。
【具体实施方式】
[0032]本发明所述的用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管，如图1所示主要包括如下几个部分:衬底、下电极台面、黑磷烯III型异质结、上电极台面、上电极和下电极。
[0033]隧道二极管的功能基于电荷载流子(ChargeCarrier)的带间隧穿，在热平衡状态下，AB堆垛和Αδ堆垛的能带图3(a)，Ε「η在价带边缘之下，Efp在导带边缘之上。由于能带相互重叠，在很小的翻篇电压就可以是的电子从EFAB之下的价带跃迀到EFAS智商的导带，发生电子量子遂穿。图3(b):施加较小的翻篇电压时，EFn逐渐降低并靠近EFp，P型区的填充状态逐渐增多而N型区的空状态逐渐增多，因此从P区到N区的电子遂穿效应随着翻篇电压的升高而加强。图3(c):在较小的偏电压下，EFn相对于Efp上升，遂穿效应从N区到P区，形成的电流方向从P区到N区。图3(d):随着整篇电压继续增大，当EFn继续上升到某个点时，能带分离，这时填充状态相对于空穴状态的数量减少，遂穿效应减弱。
[0034]a.衬底的制备:采用η型硅作为衬底；
[0035]n-Si衬底清洗:Wn-Si( 111)片为衬底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干，放入石英管中进行沉积处理;石英管的真空度为10-2Pa，加热到300°C维持10分钟，以去除硅片表面的水汽；
[0036]b.少层黑磷烯的制备:体黑磷通过在高温高压下对其同质异形体白磷或红磷进行处理得到:
[0037]I)将白磷在1000_1200Pa大气压下加热到200_250°C，得到片状黑磷；通过机械剥离方法从黑磷晶体剥离出多层黑磷烯;然后再通过Ar+等离子体剥离方法剥离得到少层黑磷稀；
[0038]得到层状的黑磷烯:首先获取黑磷块体，然后将黑磷块体浸入过氧化氢异丙苯CHP的溶剂中，再加超声波超声10-15分钟。最后，使用离心机使其分离得到层状物；
[0039 ] 2)用Si基板从溶液中捞出黑磷烯薄膜，放在50-60 °C的加热台上烘干，去除黑磷烯薄膜与Si基板之间的水分，同时将少层黑磷烯更牢固的与Si基板结合；
[0040]3)步骤2)得到的少层黑磷烯结构通常为多层的AB堆垛结构，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离掉多余的黑磷得到适当层数(6到20层)的黑磷烯；
[0041]4)在电子显微镜下，使用探针对上述得到的结构进行剥离，移动层与层之间的相对距离，约0.2-0.3个周期的距离，得到Αδ堆垛黑磷烯;AB堆垛和Αδ堆垛可以通过相互之间的范德瓦耳斯力相结合形成横向异质结；
[0042]c.遂穿二极管的制造步骤:
[0043]I)在上述基础上，以得到的横向异质结为衬底，用光学光刻和湿法腐蚀形成共振遂穿二极管上电极台面和下电极台面，其中形成共振遂穿二极管上电极台面腐蚀液为磷酸腐蚀液，形成共振遂穿二极管下台面腐蚀液为锢稼砷(InGaAs)/铝砷(AIAs)选择性腐蚀液丁二酸(SA)腐蚀液。
[0044]2)用湿法腐蚀形成共振遂穿二极管下台面，在下台面上蒸发形成钦铂金金属层。
[0045]3)再用光学光刻法在蒸发形成的钦铂金金属层上形成共振遂穿二极管的下电极金属，蒸发20nm Ti，20nmPt，150nmAu。采用同样的方法制备上电极。
[0046]4)用光学光刻和电子束蒸发法，制作形成金属接线柱。
【主权项】
1.一种用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管，其特征在于，该遂穿二极管为异质结遂穿二极管，最下面是衬底(I)，在衬底(I)上是下电极台面(2)，在下电极台面(2)的上面的一边为黑磷烯横向异质结(3)，另一边是下电极(6)，在黑磷烯横向异质结(3)上为电极台面(4)，电极台面(4)上为上电极(5)。2.根据权利要求1所述的用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管，其特征在于，所述的黑磷烯横向异质结(3)为一个由黑磷烯的两种不同堆垛结构组成的横向异质结，这种异质结为III型异质结半导体;两种不同的堆垛结构分别为AB堆垛和Αδ堆垛;AB堆垛为黑磷烯的稳定结构，相当于P型半导体，Αδ堆垛为黑磷烯的亚稳态结构，相当于η型半导体;AB堆垛黑磷烯的第二层相当于相对第一层沿a方向移动了半个周期，Αδ的结构相当于下一层相对于上一层结构移动了小于半个周期的距离，约0.2-0.3个周期的距离。3.根据权利要求2所述的用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管，其特征在于，所述的异质结中AB堆垛和Αδ堆垛，其厚度都在6层以上，20nm以上，甚至为了配合工艺需求能做到更厚。4.一种如权利要求1所述的用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤: a.衬底的制备:米用η型娃作为衬底； n-Si衬底清洗:Wn-Si (111)片为衬底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干，放入石英管中进行沉积处理;石英管的真空度为10-2Pa，加热到300°C维持10分钟，以去除硅片表面的水汽； b.少层黑磷烯的制备:体黑磷通过在高温高压下对其同质异形体白磷或红磷进行处理得到； c.遂穿二极管的制造步骤: Cl)以得到的横向异质结为衬底，用光学光刻和湿法腐蚀形成共振遂穿二极管上电极台面和下电极台面，其中形成共振遂穿二极管上电极台面腐蚀液为磷酸腐蚀液，形成共振遂穿二极管下台面腐蚀液为锢稼砷InGaAs/铝砷AIAs选择性腐蚀液丁二酸SA腐蚀液； c2)用湿法腐蚀形成共振遂穿二极管下台面，在下台面上蒸发形成钦铂金金属层； c3)再用光学光刻法在蒸发形成的钦铂金金属层上形成共振遂穿二极管的下电极金属，蒸发20nmTi，20nmPt，150nmAu ；采用同样的方法制备上电极； c4)用光学光刻和电子束蒸发法，制作形成金属接线柱。5.根据权利要求4所述的用少层黑磷烯的不同堆垛结构的遂穿二极管的制备方法，其特征在于所述少层黑磷烯的制备具体为: 1)将白磷在1000-1200Pa大气压下加热到200-250°C，得到片状黑磷;通过机械剥离方法从黑磷晶体剥离出多层黑磷烯;然后再通过Ar+等离子体剥离方法剥离得到少层黑磷烯； 得到层状的黑磷烯:首先获取黑磷块体，然后将黑磷块体浸入过氧化氢异丙苯CHP的溶剂中，再加超声波超声10-15分钟;最后，使用离心机使其分离得到层状物； 2)用Si基板从溶液中捞出黑磷烯薄膜，放在50-60°C的加热台上烘干，去除黑磷烯薄膜与S i基板之间的水分，同时将少层黑磷烯更牢固的与S i基板结合； 3)步骤2)得到的少层黑磷烯结构通常为多层的AB堆垛结构，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离掉多余的黑磷得到6到20层的黑磷烯； 4)在电子显微镜下，使用探针对上述得到的结构进行剥离，移动层与层之间的相对距离，约0.2-0.3个周期的距离，得到Αδ堆垛黑磷烯;AB堆垛和Αδ堆垛可以通过相互之间的范德瓦耳斯力相结合形成横向异质结。
【文档编号】H01L21/329GK105977311SQ201610551782
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】雷双瑛, 沈海云, 黄兰
【申请人】东南大学