[发明专利]一种基于二维材料的场效应整流器及其制备方法

说明书

本发明属于整流器领域，并具体公开了一种基于二维材料的场效应整流器及其制备方法。该场效应整流器包括从下至上依次设置的衬底、沟道层和耗尽层，同时还包括设置在耗尽层两侧的源极和漏极，其中沟道层由二维二硫化钼制成，以此降低场效应整流器的器件尺寸，耗尽层用于耗尽沟道层的载流子，用于提高场效应整流器的场效应调控能力。本发明采用二维二硫化钼材料作为场效应整流器的沟道层，使得器件尺寸得到了极大的降低，有利于实现更大的集成度，同时本发明通过增设耗尽层，用于耗尽沟道层的载流子，能够有效提升电场对于沟道层的调控性能，使得基于二维材料的场效应整流器获得较大的整流比，并在脉冲测试下展现出良好的整流特性。

技术领域

本发明属于整流器领域，更具体地，涉及一种基于二维材料的场效应整流器及其制备方法。

背景技术

整流器是将交流信号转变为直流信号的器件，目前整流器主要是通过硅基PN结二极管实现。其制备方法主要为利用不同的掺杂工艺，在同一块硅基衬底上相邻地制备P型半导体和N型半导体，利用形成的PN结区的单向导通性实现整流特性。场效应整流器是一种利用栅极对沟道材料的调控来实现整流特性的整流器，相比于常用的PN结整流器具有导通电压低、击穿电压高等优点，在功率集成电路方面更有优势。CN101562182A公开了一种集成的HEMT和横向场效应整流器组合、方法及系统，其提供了一种基于氮化镓和铝镓氮材料的场效应整流器。该发明利用四氟化碳等离子处理工艺耗尽栅电极下方的二维电子气沟道，通过栅极电压控制沟道开关实现整流特性。该整流器的正向导通电压为0.63伏特，反向击穿电压为390 伏特，同时具备了低的正向导通电压和高的反向击穿电压，展现出了优异的整流性能。但是，现有的场效应整流器普遍存在器件尺寸相对较大，应用场景受限的问题。

近年来，采用二维材料制备整流器已经成为一大研究热点。与传统的 PN结整流器不同的是，二维整流器不需要利用掺杂工艺进行制备，并且可以很好地通过外电场对其沟道载流子进行调控，因此表现出传统PN结器件不具备的多态可调整流特性。2014年，荷兰代尔夫特理工大学纳米科学研究所的Michele等人制备了基于二维黑磷的双栅调控结构整流器件，通过控制双栅的电压，实现了双向导通、正向导通和负向导三种状态 (Photovoltaiceffect in few-layer black phosphorus PN junctions defined by localelectrostatic gating[J].Nature Communications,2014,5:4651)。2017 年，同济大学物理科学与工程学院李东等人通过制备黑磷/二硒化钨分子层堆叠异质结结构，在单个器件上实现了栅极可调的双向导通态和单向导通态两个状态(.Gate-Controlled BP-WSe2Heterojunction Diode for Logic Rectifiers and Logic Optoelectronics[J].Small,2017,13(21))。

二维材料具有纳米尺度的特性，能很好地利用场效应对其沟道的载流子进行调控，有利于场效应整流器的实现，并且能够有效减小场效应整流器的器件尺寸。但是，将二维材料应用于场效应整流器的制备中存在工艺复杂、产品稳定性差、场效应调控能力不足等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于二维材料的场效应整流器及其制备方法，其中该场效应整流器的沟道层采用二维二硫化钼制成，能够有效降低其器件尺寸，同时通过设置耗尽层，用于耗尽沟道层的载流子，以此提高场效应整流器的场效应调控能力。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于二维材料的场效应整流器，该场效应整流器包括从下至上依次设置的衬底、沟道层和耗尽层，同时还包括设置在所述耗尽层两侧的源极和漏极，其中所述沟道层由二维二硫化钼制成，以此降低所述场效应整流器的器件尺寸，所述耗尽层用于耗尽所述沟道层的载流子，从而提高所述场效应整流器的场效应调控能力。

作为进一步优选的，所述耗尽层由P型分子材料制成，所述P型分子材料包括酞菁锌、酞菁铜和并五苯。