基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管及其制备方法
阅读说明：本技术 基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管及其制备方法 (Diode based on two-dimensional telluriene/two-dimensional electron gas heterojunction and preparation method thereof ) 是由 姜昱丞 龚帅楠 高炬 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管及其制备方法,属于半导体技术领域。本发明将二维碲烯转移至钛酸锶衬底表面,再通过氩离子束轰击在钛酸锶衬底表面诱导出二维电子气,与二维碲烯接触形成范德华异质结。本发明所述的二维碲烯纳米线/二维电子气异质结、二维碲烯纳米片/二维电子气异质结的正向电流比反向电流分别高出10～(3)和10～(7)倍,两者均具有良好的二极管整流特性。本发明所述的二极管具有很高的稳定性,即便负向电压高达-100V,也无法将其击穿。这种异质结二极管结构简单、制备简单、性能优良,可广泛运用于电子芯片、智能器件等领域。(The invention relates to a diode based on a two-dimensional telluroene/two-dimensional electron gas heterojunction and a preparation method thereof, and belongs to the technical field of semiconductors. The method transfers two-dimensional tellurite to the surface of the strontium titanate substrate, and then induces two-dimensional electron gas on the surface of the strontium titanate substrate through argon ion beam bombardment, and the two-dimensional electron gas contacts with the two-dimensional tellurite to form Van der Waals heterojunction. The forward current of the two-dimensional tellurite alkene nanowire/two-dimensional electron gas heterojunction and the forward current of the two-dimensional tellurite alkene nanosheet/two-dimensional electron gas heterojunction are respectively 10 higher than the reverse current 3 And 10 7 And both have good diode rectification characteristics. The diode has high stability, and even if the negative voltage is as high as-100V, the diode cannot be broken down. The heterojunction diode has simple structure, simple preparation, excellent performance and good performanceThe method is widely applied to the fields of electronic chips, intelligent devices and the like.)
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管及其制备方法。
背景技术
在众多半导体器件中，二极管相对来说是最简单的一种器件，但又是电力电子电路中最常用的基础电子元器件之一，在电路中的作用举重若轻。随着开关器件的不断进步，开关速度的不断提升，对二极管性能的要求也越来越高，因此需要一种新的二极管以实现反向电压的提高以及工作温度区间拓展。自2017年成功制备二维碲烯(2D-Te)以来，因其具有厚度依赖性的带隙、环境稳定性、压电效应、高载流子迁移率和光响应等诸多优异特性，所以在光电探测器、场效应晶体管等电子器件应用上具有非常大的潜力。二维电子气因具有超导性、磁阻和铁磁性等物理特性，近些年引起了人们的广泛关注。现有技术中相似的结构制成的器件常温下整流性较差，正向电流与负向电流的比值较小，且负向有漏电情况。低温情况下很多相似结构的器件失去整流特性，无法在特殊环境下工作。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管及其制备方法。本发明的目的在于构造不同形态的二维碲烯(2D-Te)与二维电子气(2DEG)范德华异质结，利用其优异的整流特性，及电阻对温度不同的依赖关系，提供一种基于2D-Te/2DEG范德华异质结的高性能二极管。
本发明的第一个目的是提供一种基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管，包括钛酸锶衬底以及设置于所述钛酸锶衬底上的二维异质结和金属电极；所述二维异质结由二维碲烯和二维电子气组成，所述二维碲烯设置于钛酸锶衬底的表面，所述二维电子气由离子束轰击钛酸锶衬底得到；所述金属电极部分地覆盖于所述二维碲烯的表面，所述金属电极与所述二维电子气电性导通，且所述金属电极与二维电子气无接触。
进一步地，所述二维碲烯为二维碲烯纳米线和/或二维碲烯纳米片。
进一步地，当所述二维碲烯为二维碲烯纳米线时，二维碲烯/二维电子气异质结的工作温度区间为120-300K，正向电流比反向电流分别高出103倍。
进一步地，当所述二维碲烯为二维碲烯纳米片时，二维碲烯/二维电子气异质结的工作温度区间为10-300K，正向电流比反向电流分别高出107倍。
进一步地，所述金属电极为金、银、铝和铜中的一种或多种。
进一步地，所述二维碲烯的厚度为20-80nm；所述二维碲烯纳米线的厚度为20-40nm；二维碲烯纳米片的厚度为20-80nm。
进一步地，所述金属电极的厚度为80-120nm。
进一步地，所述二维电子气的厚度为80-120nm。
本发明的第二个目的是提供一种基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管的制备方法，包括如下步骤：
S1、将二维碲烯转移至钛酸锶衬底表面，加热，得到样品A；
S2、将光刻胶部分覆盖S1步骤所述的样品A表面的二维碲烯及同侧钛酸锶衬底，另一侧的其余部分暴露，得到样品B；
S3、氩气气压下，利用磁控溅射技术在S2步骤所述的样品B表面沉积金属材料形成金属电极，去除光刻胶，得到样品C；
S4、将光刻胶部分覆盖在S3步骤所述的样品C有金属电极一侧的二维碲烯及同侧钛酸锶衬底，得到样品D；
S5、氩气气压下，用氩离子束轰击S4步骤所述的样品D，在钛酸锶衬底上表面、远离金属电极的一侧形成二维电子气，得到所述基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管。
进一步地，在S1步骤中，所述加热为50-80℃加热1-2h。
进一步地，在S3步骤中，所述氩气气压为2×10-4-6×10-4mbar。氩气分子量大，保证了较好的溅射效率，而氦气、氖气分子量小溅射效率一般，同时分子量太大的惰性气体如氪气、氙气则需要更大的电离能，成本更高，并且氩气相对的更容易制取，价格更低。
进一步地，在S3步骤中，所述磁控溅射的温度为80-100℃。磁控溅射分DC溅射、RF溅射；所述DC溅射功率为140-160W，溅射时间3-5min；所述RF溅射功率为150-170W，溅射时间1-4min。
进一步地，在S5步骤中，所述氩气气压为3×10-6-8×10-6mbar。
进一步地，在S5步骤中，所述轰击的电压为200-400V；所述轰击的时间为10-15min。
进一步地，所述二维碲烯是经如下步骤制备得到的：
将亚碲酸钠与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入水中搅均，后加入氨水、水合肼混均，加热，得到二维碲烯。
进一步地，氨水和水合肼的体积比为1.8-2.2：1。
进一步地，亚碲酸钠和水合肼的质量体积比为50-60：1g/L
进一步地，所述加热是160-200℃保温15-25h。
一种基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管的工作原理：
2D-Te是p型材料，2DEG是n型材料。它们之间将形成一个p-n结。当对p-n结施加正电压时，势垒高度降低，器件导电。当施加负电压时，势垒高度大大增加，阻碍载流子的传输，从而导致器件在负电压处的绝缘。
二维碲烯/二维电子气的电输运特性受边缘效应影响。边缘效应是由于边缘处原子所受的其他原子的作用力减弱，导致了边缘处的晶格发生畸变。当电子在边缘处发生输运时，由于晶格畸变产生的晶格无序性很高，使电流遵循非金属的导电规律。因此，随着温度的降低，边缘处的电流减小。而在这种情况下，内部的电流会增大，依然遵循金属导电，即随着温度的降低，内部的电流增大。对于二维碲烯纳米线而言，边缘效应在电输运中起主导作用，因为边缘效应面积占总面积的很大比例。测量的电流是边缘电流和内部电流之和。随着温度的降低，边缘电流的降低大于内部电流的增加，从而导致测量电流的整体降低。相比之下，边缘效应对二维碲烯纳米片的影响要小于对二维碲烯纳米线的影响。在较大的正偏置电压下，二维碲烯纳米片/二维电子气(TNS/2DEG)表现出典型的金属导电特性。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明所述的二极管具有优秀的整流特性，正向电流比反向电流高达107倍，其负向近乎绝缘。TNS/2DEG异质结在放置两个月后，整流特性无明显衰减，且负向电压高达-100V时也不会被击穿。
(2)本发明所述的二极管能在全温度范围内工作，TNW/2DEG异质结在120K时仍能保持整流特性，TNS/2DEG异质结在10K温度下3V的电流比300K温度下更高，整流性更好。
(3)本发明所述的基于2D-Te/2DEG异质结的二极管几乎是迄今为止范德华异质结中最好的，是一种新型的混合维范德华异质结的高性能和全温度二极管。二极管结构简单、制备简单、性能优良，可广泛运用于电子芯片、智能器件等领域。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明实施例提供的异质结的结构示意图；其中1为钛酸锶衬底、2为二维碲烯、3为金属电极、4为二维电子气、5导线。
图2是本发明测试例1中提供的二极管在300K时的电流-电压曲线图；其中a为TNW/2DEG异质结在300K时的电流-电压曲线图，b为TNS/2DEG异质结在300K时的电流-电压曲线图。
图3是本发明测试例2中提供的在不同电压下的结电阻-温度曲线图；其中a为TNW/2DEG异质结在不同电压下的结电阻-温度曲线图，b为TNS/2DEG异质结在不同电压下的结电阻-温度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
参照图1所示，本发明实施例的2D-Te/2DEG异质结的结构示意图，该二极管包括钛酸锶衬底1以及设置于所述钛酸锶衬底1上的二维异质结和金属电极3；所述二维异质结由二维碲烯2和二维电子气4组成，所述二维碲烯2设置于钛酸锶衬底1的表面，所述二维电子气4由离子束轰击钛酸锶衬底1得到；所述金属电极3部分地覆盖于所述二维碲烯2的表面，所述金属电极3与所述二维电子气4通过导线5电性导通，且所述金属电极3与二维电子气4无接触。
本实施例的基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管及其制备方法，分为水热法生长二维碲烯与二极管的制备两个部分。
A、水热法生长二维碲烯
(1)准备16ml双重蒸馏水，在其中加入46mg亚碲酸钠(Na2TeO3)与适量聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌均匀；
(2)磁力搅拌器搅拌20min；
(3)转移至水热釜四氟内衬中，再加入1.66ml氨水溶液和0.84ml水合肼，将水热釜密封；
(4)置于烘箱中160℃保温20h；
(5)保温结束后自然冷却至室温，将所得深蓝色溶液在4000r/min下离心15min后能在离心管底部发现银白色沉淀，随后继续用蒸馏水离心洗涤3次，最终得到2D-Te的悬浮液。
B、二极管的制备
(1)以钛酸锶(STO)为衬底将2D-Te从悬浮液中捞出，并在手套箱中70℃加热1h，使2D-Te与STO表面形成更紧密的接触；
(2)采用光刻技术将一侧2/3面积的2D-Te及同侧STO衬底用光刻胶覆盖，其余部分暴露；
(3)在3×10-4mbar氩气气压下，利用磁控溅射技术在步骤(2)获得的样品表面沉积金；再去除光刻胶，制备金电极；
(4)采用光刻技术将光刻胶覆盖于有金电极一侧2/3的面积及同侧STO衬底；
(5)在5×10-6mbar氩气气压下，用300V的Ar+氩离子束轰击步骤(4)获得的样品表面12min，形成二维电子气；再经清洗，通过导线将金属电极与所述二维电子气电性导通，得到所述基于二维碲烯/二维电子气异质结的二极管。
本实施例在STO衬底上制备了2D-Te/2DEG异质结。单晶STO衬底为透明绝缘氧化物，经离子束轰击后表面形成导电的二维电子气，为N型导体；2D-Te为P型导电的二维层状半导体材料。由于2D-Te尺寸只有微米级，本实施例通过光刻技术在2D-Te一端蒸镀金电极，增加导电面积。
测试例1
参照图2，为本实施例为在300K时的电流-电压曲线图，图2a为TNW/2DEG异质结在300K时的电流-电压曲线图，3V电压下的正向电流比反向电流高3个数量级。图2b为TNS/2DEG异质结在300K时的电流-电压曲线图，3V电压下的正负电流之比最高可达7个数量级。TNS/2DEG异质结在制备成功一个月后再进行I-V测量，几乎没有任何性能的衰减。即便施加负向电压高达-100V，该异质结依然不会被击穿，并且负向漏电流小于2nA。正负电流比依然高达几乎5个数量级，这意味着极好的整流性，因此可以运用在二极管。
测试例2
参照图3，为本发明实施例在不同电压下的结电阻-温度曲线图，图3a为碲TNW/2DEG异质结在不同电压下的结电阻-温度曲线图，该异质结的电阻均是随着温度的降低而单调升高，在3V时，随着温度的降低，该异质结约在120K趋于绝缘。图3b为TNS/2DEG异质结在不同电压下的结电阻-温度曲线图，该异质结能在全温度范围10K-300K内保持优良的整流特性，当电压小于2.2V时，结电阻随温度的升高而下降，而当电压大于2.2V时，结电阻随温度的升高而升高，展现出与TNW/2DEG异质结不同的性质。
本发明实施例的基于2D-Te/2DEG范德华异质结的高性能二极管有优异的整流特性且能在一个很宽的温度区间内正常工作。本发明实施例造价低、性能好、稳定性强，在电子芯片、智能器件等领域具有应用前景。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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