阅读说明：本技术 氮化镓二硫化钼混合尺度pn结的制备方法 (Preparation method of gallium nitride and molybdenum disulfide mixed-scale PN junction ) 是由 曹玉洁 陈敦军 谢自力 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种氮化镓二硫化钼混合尺度PN结的制备方法,其步骤包括：(1)在衬底上沉积p-GaN层；(2)在干净、平整的玻片表面放置PDMS,在胶带的表面铺一层均匀的MoS<Sub>2</Sub>片状晶体,用胶带粘有MoS<Sub>2</Sub>片状晶体的一面接触PDMS并施压,使MoS<Sub>2</Sub>转移到PDMS上形成MoS<Sub>2</Sub>膜,揭下胶带,再将步骤(1)制得的器件的p-GaN层表面反扣在PDMS上并施压,使MoS<Sub>2</Sub>膜转移到p-GaN层表面,制成氮化镓二硫化钼混合尺度PN结。本发明中采用的是PDMS辅助干法转移,操作简单,制作成本低廉。利用该方法制备出来的MoS<Sub>2</Sub>薄膜尺寸较大,且与传统的机械剥离法相比,该方法制备的样品衬底较为干净,便于后续的器件测试。(The invention discloses a preparation method of a gallium nitride and molybdenum disulfide mixed scale PN junction, which comprises the following steps: (1) depositing a p-GaN layer on a substrate; (2) placing PDMS on the surface of a clean and flat glass slide, and spreading a layer of uniform MoS on the surface of an adhesive tape 2 Flaky crystal with MoS adhered by adhesive tape 2 One side of the plate crystal is contacted with PDMS and pressed to make MoS 2 Transfer to PDMS to form MoS 2 Removing the adhesive tape, reversely buckling the surface of the p-GaN layer of the device prepared in the step (1) on PDMS and applying pressure to make MoS 2 And transferring the film to the surface of the p-GaN layer to prepare the gallium nitride and molybdenum disulfide mixed scale PN junction. The invention adopts PDMS auxiliary dry transfer, and has simple operation and low manufacturing cost. MoS prepared by the method 2 The film has larger size, and compared with the traditional mechanical stripping method, the sample substrate prepared by the method is cleaner, thereby being convenient for the subsequent device test.)

氮化镓二硫化钼混合尺度PN结的制备方法

技术领域

本发明涉及一种氮化镓二硫化钼混合尺度PN结的制备方法，属于微纳电子器件领域。

背景技术

当前，二维PN半导体异质结已经成为基础科学和应用物理学的研究重点，它可以通过结合不同材料的优点来实现新的功能，或者通过异质结界面处的高效电荷传输来调控材料的光电性能。因此，二维PN半导体异质结在微电子与光电子领域，如光伏器件、发光器、场效应晶体管等实际应用中有巨大的前景。PN结中存在的内建电场和层间复合将决定器件的整流特性、光伏效应和光检测能力。

MoS₂作为一种典型的过渡金属硫化物，具有独特的二维层状结构，并凭借其独特的物理特性和光电特性，成为新型功能材料的研究热点。GaN作为典型的Ⅲ族氮化物材料，在紫外探测器、高频高压电力电子器件中均有广泛的应用。将n-MoS₂与p-GaN结合在一起制备成PN结，在高性能紫外光电探测器、光学传感器、气体传感器等领域将有广泛的研究前景。

目前制备n-MoS₂/p-GaN混合尺度PN结的方法有三种。第一种，由传统机械剥离法在p-GaN上制备n-MoS₂，器件大小通常小于十微米，且产率较低。第二种，由CVD合成法在p-GaN上直接生长n-MoS₂薄膜，其大小尺寸大多在一微米左右，无法满足测试的要求。第三种，将预先生长好的大面积n-MoS₂用湿法转移法转移至p-GaN表面，转移过程中MoS₂薄膜的质量不可避免地会受到损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化镓二硫化钼混合尺度PN结的制备方法，可以在p-GaN表面形成大尺寸的MoS₂薄膜。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种氮化镓二硫化钼混合尺度PN结的制备方法，其步骤包括：

(1)在衬底上沉积p-GaN层；

(2)在干净、平整的玻片表面放置PDMS，在胶带的表面铺一层均匀的MoS₂片状晶体，用胶带粘有MoS₂片状晶体的一面接触PDMS并施压，使MoS₂转移到PDMS上形成MoS₂膜，揭下胶带，再将步骤(1)制得的器件的p-GaN层表面反扣在PDMS上并施压，使MoS₂膜转移到p-GaN层表面，制成氮化镓二硫化钼混合尺度PN结。

优选的，在进行步骤(2)之前，先在p-GaN层表面的一侧蒸镀金属电极，最后将MoS₂膜转移到p-GaN层表面时，将p-GaN层表面未蒸镀电极的一侧反扣在PDMS上，金属电极不与PDMS接触。

优选的，在胶带的表面铺一层均匀的MoS₂片状晶体具体为：在一片胶带表面铺一层MoS₂片状晶体，然后用另一片未使用过的胶带与粘有MoS₂片状晶体的胶带互粘，如此重复数次，直至胶带表面形成均匀的MoS₂片状晶体层。

优选的，所述衬底为蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底。

优选的，所述p-GaN层为Mg掺杂的p-GaN，其掺杂浓度为5.9×10¹⁷cm^-3，厚度为400-500nm。

优选的，所述电极为用物理气相沉积制备的Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度依次为30nm/150nm/50nm/100nm，与p-GaN之间形成欧姆接触。

由胶带直接转移的机械剥离法制备的MoS₂薄膜尺寸很小，通常在5-10微米甚至更小，且衬底表面不干净，多胶且体材料的MoS₂较多，而通常情况下我们需要的薄层MoS₂很少；

将胶带扣在PDMS上后，由于PDMS具有粘性，会将大块状的MoS₂薄片转移至PDMS上，此时PDMS上的MoS₂薄片多为整块(胶带上通常有很多碎MoS₂薄片，碎的MoS₂薄片转移得到的MoS₂薄膜尺寸更小，无法满足需要)，这样再转移至p-GaN上得到的MoS₂薄膜尺寸将远大于普通胶带转移出的薄膜尺寸，且衬底上更干净。

与传统的机械剥离法相比，本发明中采用的PDMS辅助干法转移，操作简单，制作成本低廉，与湿法转移方法相比，对MoS₂薄膜的损伤更小。利用该方法制备出来的MoS₂薄膜与传统的机械剥离法相比尺寸较大，PN结的尺寸约有20-30μm，且，该方法制备的样品衬底较为干净，便于后续的器件测试。制得的器件表现出明显的整流效应，在半导体整流管、PN结光敏器件等方面上有极大的应用前景。

附图说明

图1为蓝宝石衬底上制备400-500nm的Mg掺杂的p-GaN的示意图。

图2为p-GaN上制备欧姆接触电极的示意图。

图3为p-GaN上无电极的区域制备n-MoS₂薄膜的示意图。

图4为C-AFM测试器件I-V特性曲线的系统结构示意图。

图5为C-AFM测试所得的I-V特性曲线图。

其中，1-蓝宝石衬底，2-氮化镓，3-电极，4-二硫化钼薄膜，5-针尖。

具体实施方式

以下是结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)PA-MBE法在蓝宝石衬底上沉积400-500nm的p-GaN，生长方法：金属镓和氮气分别作为Ga源和N源，生长温度为890℃；N₂流量为0.7sccm，功率为450W；Ga源温度为1050℃，金属镁作为Mg源，其温度为240℃。当温度升到所需温度后先打开Ga挡板在衬底表面生长一层新鲜的GaN层，生长时间2min，然后打开Mg挡板开始生长，生长时间2h；

(2)用物理气相沉积的方法在p-GaN上制备Ti/Al/Ni/Au合金电极，厚度依次为30nm/150nm/50nm/100nm，再由退火炉对样品进行快速退火处理，条件为800℃、N₂氛围，与p-GaN之间形成欧姆接触；

(3)在干净、平整的玻片表面放置PDMS(聚二甲基硅氧烷，型号PF-40/17-X4，美国Gel Pak公司生产)，用镊子在胶带(Scotch Tape，购自南京晚晴化玻仪器有限公司)表面铺一层MoS₂片状晶体，然后用另一片未使用过的胶带与粘有MoS₂片状晶体的胶带互粘，如此重复数次，直至胶带表面形成均匀的MoS₂片状晶体层，MoS₂片状晶体的尺寸大概在0.5mm*0.5mm，用胶带粘有MoS₂片状晶体的一面接触PDMS，用刀片轻压数次或用手指轻压数次，使MoS₂转移到PDMS上形成MoS₂膜，揭下胶带，再将步骤(2)制得的器件中p-GaN层无电极的部分反扣在PDMS上，用刀片轻压数次或轻压15s左右，使MoS₂膜转移到p-GaN层表面，制成氮化镓二硫化钼混合尺度PN结。

先行制作电极的目的是便于对制得的氮化镓二硫化钼混合尺度PN结进行测试。如图4所示，为C-AFM测试MoS₂局域载流子I-V特性曲线的系统结构示意图。将置于n-MoS₂上的导电针尖接地，同时在电极3上施加偏压VBias，通过改变偏压值的范围，以获取在该测试范围内的该点的I-V特性曲线。

如图5所示，为C-AFM测试PN结在一定偏压下的I-V特性曲线图。从图中可以看出，器件表现出明显的整流特性，其漏电流约为1.5pA，开启电压约为2V。当施加偏压到达一定值后，电流值超过22nA的部分将逐渐趋于饱和，这是由于C-AFM测试范围的限制所致。

如果是实际制作氮化镓二硫化钼混合尺度PN结的过程中，也可以省略电极制作的步骤。