CN108666375B - 一种纳米层状横向同质pn二极管及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米层状横向同质PN二极管及其制备方法与应用。所述p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜均位于介质层的上表面，且横向连接；电极层分别与p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜纵向连接或横向连接；所述p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜由相同过渡金属硫族化合物组成。本发明制备方法简单，采用磁控溅射使氧等离子体实现过渡金属硫族化合物高效率低损伤的p型掺杂，实现了有效、可控掺杂，得到的二极管用于光电探测器具有更快光响应和更高探测率。
Description
技术领域
本发明属于光探测器领域，更具体地，涉及一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管及其制备方法与应用。
背景技术
二维过渡金属硫族化合物层状材料(TMDs)，因具有极高的电子迁移率和其他优异的光、电、机械、化学、声、力学等特性而倍受关注。过渡金属硫族化合物化学结构类似，显示为半导体特性的过渡金属硫族化合物各项性能也相仿，例如都具有随层数变化的带隙。以MoS2为例，MoS2是一种本征为n型的半导体材料并且带隙(1.29eV-1.8eV)随层数变化。MoS2有优良的载流子迁移率，单层载流子迁移率可达410cm2V-1s-1，多层载流子迁移率高达500cm2V-1s-1。MoS2还具有很强的吸光能力，据报道MoS2可吸收可见光到近红外波段的入射光(350-950nm)，约1nm厚的MoS2就可以吸收约5-10％的入射光，其吸收效率比GaAs和Si的吸收效率大约高一个数量级。 MoS2薄膜在光电探测器上展现出优异的特性，最近报道的利用铁电体做栅介质的MoS2光电晶体管探测器光响应度可以达到2570A/W，最短光响应时间只有1.8ms，探测波长范围从可见光到近红外(1.55um)，探测率达到 2.2×1012Jones。
目前大部分二维过渡金属硫族化合物光电探测器是光电晶体管型和异质结型，但是基于光电晶体管的过渡金属硫族化合物光探测器的性能受许多因素影响，如栅介质与过渡金属硫族化合物薄膜的界面接触，异质结型光电探测器性能受制于不同材料间接触良好与否和不同材料间定点转移的复杂工艺等等。因此结构更简单，工艺可控、易操作，界面接触更好，有更大潜能展现优异性能的同质结型过渡金属硫族化合物光电探测器成为研究热点。
目前主要采用等离子体注入方法对过渡金属硫族化合物掺杂制备同质横向或纵向PN光电二极管，离子体注入掺杂具有高度选择性和掺杂可控性的优点，但是由于过渡金属硫族化合物具有较弱的结合键和较强的化学活性，在离子轰击过程中会产生物理刻蚀和化学刻蚀破坏过渡金属硫族化合物物理结构，使得掺杂成功率低且制备横向或纵向同质PN二极管光电探测器性能下降。
发明内容
本发明解决了现有技术制备过渡金属硫族化合物同质PN二极管成功率低、制备工艺复杂和光响应慢的技术问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管，所述PN二极管包括单晶硅、介质层、p型过渡金属硫族化合物膜、n型过渡金属硫族化合物膜和电极层；所述介质层位于单晶硅的上表面；所述p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜均位于介质层的上表面，且p型过渡金属硫族化合物和n型过渡金属硫族化合物膜横向连接；所述电极层由两层金属电极构成；所述电极层位于p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜的上表面，且分别与p 型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜纵向连接；或所述电极层位于p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜的边界外侧，且分别与p型过渡金属硫族化合物膜和n型二过渡金属硫族化合物膜横向连接；所述p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜由相同过渡金属硫族化合物组成。
优选地，所述单晶硅厚度为300μm-500μm；所述介质层厚度为50 nm-300nm；所述p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜的厚度均为0.65nm-2nm。
优选地，所述电极层的上层为Au金属层，所述Au金属层厚度为50 nm-120nm；所述电极层与p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜接触的是Ti金属层，所述Ti金属层厚度为5nm-15nm。
优选地，所述单晶硅为p型单晶硅；所述介质层为二氧化硅介质层；所述p型过渡金属硫族化合物膜为p型MoS2膜；所述n型过渡金属硫族化合物膜为n型MoS2膜。
按照本发明的另一方面，提供了一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法，包含以下步骤：
(1)选取上表面有介质层的单晶硅作为衬底，在介质层上制备层状n 型过渡金属硫族化合物膜，形成样品A；
(2)在步骤(1)所述样品A的n型过渡金属硫族化合物膜上旋涂光刻胶，经EBL曝光及显影后，采用电子束蒸发在光刻胶上制备重金属膜，去胶后获得n型过渡金属硫族化合物膜表面留有坐标标记的样品B；
(3)在步骤(2)所述样品B的n型过渡金属硫族化合物膜表面旋涂光刻胶，经EBL曝光及显影，获得n型过渡金属硫族化合物膜至少有部分暴露在外，且不是全部暴露在外的样品C；
(4)采用磁控溅射使氧等离子体对步骤(3)所述的样品C进行掺杂，去除步骤(3)旋涂的光刻胶，得到样品D；
(5)在惰性气体环境下，将步骤(4)得到的样品D在400℃-500℃条件下退火，退火时间为50min-90min；使n型过渡金属硫族化合物膜暴露在外的部分掺杂氧离子，形成p型过渡金属硫族化合物膜，得到样品E；
(6)在步骤(5)得到的样品E上表面旋涂光刻胶，经EBL曝光及显影，获得n型过渡金属硫族化合物膜和p型过渡金属硫族化合物膜上表面分布的电极区域，或者n型过渡金属硫族化合物膜和p型过渡金属硫族化合物膜边界外侧的电极区域，得到样品F；
(7)在步骤(6)所述的样品F的电极区域采用电子束蒸发制备电极层；所述电极层为两层金属层，得到样品G；
(8)将步骤(7)所述的样品G去胶，即得到纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管。
优选地，步骤(1)所述单晶硅厚度为300μm-500μm；步骤(1)所述介质层厚度为50nm-300nm；步骤(1)所述n型过渡金属硫族化合物膜厚度为0.65nm-2nm；步骤(5)所述p型过渡金属硫族化合物膜厚度0.65nm-2 nm；步骤(1)所述层状n型过渡金属硫族化合物膜的制备方法为气相沉积法。
优选地，步骤(7)所述电极层的上层为Au金属层，所述Au金属层厚度为50nm-120nm；步骤(7)所述电极层与p型过渡金属硫族化合物膜和 n型过渡金属硫族化合物膜接触的是Ti金属层，所述Ti金属层厚度为5 nm-15nm。
优选地，步骤(1)所述单晶硅为p型单晶硅；步骤(1)所述介质层为二氧化硅介质层；步骤(5)所述p型过渡金属硫族化合物膜为p型MoS2膜；步骤(1)所述n型过渡金属硫族化合物膜为n型MoS2膜。
优选地，步骤(4)所述掺杂的过程为向磁控溅射装置中通入气流量为 60sccm-100sccm的氧气作为起辉气体，起辉后氧气电离为氧等离子体，所述氧等离子体在电场加速下轰击样品C的表面；所述轰击的时间为10秒-60 秒；所述氧气的压力10Pa-15Pa；所述磁控溅射装置的射频功率10W-40W。
按照本发明的另一方面，提供了所述的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管用于光电探测器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明公开了一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管及其制备方法与应用。所述的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质 PN结采用原位生长n型过渡金属硫族化合物薄膜、对n型过渡金属硫族化合物薄膜光刻留出p型区域、低功率磁控溅射掺杂、退火形成p型过渡金属硫族化合物区域、p型过渡金属硫族化合物与原n型过渡金属硫族化合物构成同质PN结方法合成。所述的电极层为双层金属，采用电子束蒸发工艺制备而成，电极层与过渡金属硫族化合物表面接触紧密，接触电阻小。
(2)本发明制备纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的方法，省去目前常用的定向转移工艺，使得制备方法简单；本发明所述二极管结构简单，现有技术通过转移堆叠p型过渡金属硫族化合物和n型过渡金属硫族化合物形成PN结，本发明PN结通过掺杂后自然形成，使得本发明制备方法简单，且本发明所述的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管性能稳定、光响应好，能够实现对可见光的高效探测；本发明利用磁场调控掺杂离子成分与掺杂程度，使得制备工艺可控易操作；使用的掺杂气体为氧气，使得制备成本较低，掺杂过程对过渡金属硫族化合物膜损坏小，制备得到的二极管性能稳定、光响应好，能够实现对可见光的高效探测。
(3)本发明所述纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法工艺简单可控，采用EBL光刻和电子束蒸发金属，先在生长有过渡金属硫族化合物的样品上表面沉积金属坐标，再根据坐标确定过渡金属硫族化合物位置进行定点光刻，采用磁控溅射通过磁场调控氧等离子的成分、调节射频功率与氧气压强使氧离子体在低能量下轰击过渡金属硫族化合物，实现低损耗掺杂，使得制备成功率提高。
(4)本发明所述纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法，由于采用磁控溅射工艺，采用具有较低化学活性且较高掺杂效率的氧等离子体实现过渡金属硫族化合物高效率低损伤的p型掺杂，实现了有效、可控掺杂，得到的二极管应用于光电探测器时，具有更快光响应和更高探测率。
(5)本发明过渡金属硫族化合物层作为二维材料层间迁移率远大于垂直迁移率，且横向迁移率可与硅材料比拟。本发明经过定位掺杂构成同质 PN结，与常见垂直同质结光电探测器不同的是横向同质PN结内横向电流更大，光响应更好，可以实现对可见光高效探测。
(6)本发明所制备的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管，电极层采用双层金属，且与过渡金属硫族化合物薄膜接触的金属为钛，与过渡金属硫族化合物的功函数匹配，形成良好欧姆接触，提高器件性能。同时金具有很高的导电性，防止内层金属被氧化。与MoS2薄膜接触的金属材料的功函数与MoS2的功函数匹配，可以与MoS2形成良好的欧姆接触。
附图说明
图1是本发明电极层位于p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜上表面的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管结构示意图。
图2是本发明电极层与p型过渡金属硫族化合物膜和n型二过渡金属硫族化合物膜边界相连接的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管结构示意图。
图3是本发明制备纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管工艺流程图。
图4是本发明制备纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管工艺流程图的对应示意图。
其中1-单晶硅；2-介质层；3-p型过渡金属硫族化合物膜；4-n型过渡金属硫族化合物物膜；5-金属层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图3是本发明制备纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管工艺流程图。图4是本发明制备纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管工艺流程图的对应示意图。本发明提供的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法具体步骤如下：
(1)采用丙酮溶液对表面有SiO2介质层的p型单晶硅片，进行超声清洗，去除衬底表面的有机污垢，并采用酒精对所述衬底进行超声清洗去除所述衬底表面的丙酮，去离子水冲洗3次。
(2)采用缓冲蚀刻液BOE清洗上述衬底，去除表面自然氧化层，然后去离子水冲洗，用氮气吹干。清洗后的表面有SiO2介质层的单晶硅片记作衬底A。
(3)对三氧化钼粉末MoO3和硫粉采用化学气相沉积法CVD在衬底A上制备n型层状MoS2薄膜，形成附有n型MoS2薄膜的样品B。
(4)在样品B附有MoS2薄膜上表面旋涂光刻胶，经EBL曝光及显影获得上表面有坐标标记的样品C。
(5)在C的具有光刻胶的上表面采用电子束蒸发制备厚度为 80nm-300nm的金薄膜获得样品D。
(6)采用专用去胶液对样品D去胶，获得表面留有金属标记的样品E。
(7)表面留有金标的样品E上表面旋涂光刻胶，经EBL曝光及显影获得上表面MoS2晶体有一半遮挡层一半暴露在外的样品F。
(8)采用磁控溅射设备，将样品F放置在靶材位中心，通入氧气作为起辉气体，气流量60sccm-100sccm，调节工作压力10Pa-15Pa之间，射频功率10W-40W之间。使氧等离子体在电场加速下轰击样品F表面10秒-60 秒，n型MoS2膜暴露在外的部分掺杂氧离子，形成p型MoS2膜，掺杂后的样品记样品G。
(9)采用专用去胶液对样品G去胶，获得样品H。
(10)将样品H在Ar气氛下退火。退火温度为500℃，退火处理时间为60min；退火后的样品记作样品I。
(11)在样品I附有MoS2薄膜上表面旋涂光刻胶，经EBL曝光及显影获得上表面有电极区域的样品J。
(12)样品J上表面含有MoS2，其上采用电子束蒸发制备厚度为5nm-15 nm的钛薄膜，再在其上制备50nm-120nm的金薄膜构成上电极，获得样品 K。
(13)采用专用去胶液对样品K去胶，经过lift-off去胶，获得表面留有电极的样品L。
现借助具体实施例进一步详细说明本发明提供的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管光电探测器制备方法。
实施例1
本发明一种制备纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的方法，包括以下步骤：
(1)采用丙酮溶液对表面有50nm厚SiO2介质层的厚度300μm p型单晶硅片，进行超声清洗，去除衬底表面的有机污垢，并采用酒精对所述衬底进行超声清洗去除所述衬底表面的丙酮，去离子水冲洗3次。
(2)采用缓冲蚀刻液BOE清洗上述衬底，去除表面自然氧化层，然后去离子水冲洗，用氮气吹干。清洗后的表面有SiO2介质层的单晶硅片记作衬底A。
(3)对三氧化钼粉末MoO3和硫粉采用化学气相沉积法CVD在衬底A上制备n型层状MoS2薄膜，形成附有n型MoS2薄膜的样品B。
(4)在样品B附有MoS2薄膜上表面旋涂浓度为4％PMMA光刻胶，保持转速为2000r/min，旋转时间为60s，使样品B上均匀覆盖一层厚度为400nm 的PMMA。再放在加热板保持170℃烘烤3分30秒。再进行EBL曝光，曝光后将样品B泡于MIBK溶液中30秒再移至异丙醇溶液中浸泡70秒，最后用去离子水冲洗干净，再用氮气枪吹干。获得上表面有坐标标记的样品C。
(5)在C的具有PMMA光刻胶的上表面采用电子束蒸发制备厚度为80nm 的金薄膜获得样品D。
(6)将样品D泡于丙酮溶液中20分钟对样品D去胶，获得表面留有金属坐标标记的样品E。
(7)表面留有金标的样品E上表面旋涂zep520A原液光刻胶，保持转速为4000r/min，旋转时间为60s，使样品E上均匀覆盖一层厚度为340nm 的zep胶。再放在加热板上保持180℃烘烤3分钟。根据步骤(6)的坐标标记，采用n型MoS2薄膜有部分暴露在外的曝光版图，进行EBL曝光，曝光后将样品B泡于二甲苯溶液中70秒再移至异丙醇溶液中浸泡30秒，再用氮气枪吹干，显影后获得n型过渡金属硫族化合物膜至少有部分暴露在外，且不是全部暴露在外的样品。
(8)采用磁控溅射设备，将样品F放置在靶材位中心，通入氧气作为起辉气体，气流量60sccm，调节工作压力10Pa，射频功率10W。使氧等离子体在电场加速下轰击样品F表面30秒，n型MoS2膜暴露在外的部分掺杂氧离子，形成p型MoS2膜，掺杂后的样品记样品G。
(9)用NMP浸泡G片5分钟后，用去离子水冲洗干净，再用氮气枪吹干获得样品H。
(10)将样品H在Ar气氛下退火。退火温度为500℃，退火处理时间为60min；退火后的样品记作样品I。
(11)在样品I附有MoS2薄膜上表面旋涂浓度为4％PMMA光刻胶，保持转速为2000r/min，旋转时间为60s，使样品I上均匀覆盖一层厚度为400nm 的PMMA。再放在加热板上保持170℃烘烤3分30秒。根据步骤(6)的坐标标记，采用使电极区域位于n型MoS2膜和p型MoS2膜边界上表面的曝光版图，进行EBL曝光。曝光后将样品I泡于MIBK溶液中30秒再移至异丙醇溶液中浸泡70秒，最后用去离子水冲洗干净，再用氮气枪吹干。获得n 型MoS2膜和p型MoS2膜上表面分布的电极区域的样品J。
(12)样品J上表面含有MoS2，其上采用电子束蒸发制备厚度为5nm 的钛薄膜，再在其上制备50nm的金薄膜构成上电极，获得样品K。
(13)将样品K泡于丙酮溶液中20分钟对样品K去胶，经过lift-off 去胶，获得表面留有电极的样品L。
实施例2
本发明一种制备纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的方法，包括以下步骤：
(1)采用丙酮溶液对表面有80nm厚SiO2介质层的厚度325μm的p 型单晶硅片，进行超声清洗，去除衬底表面的有机污垢，并采用酒精对所述衬底进行超声清洗去除所述衬底表面的丙酮，去离子水冲洗3次。
(2)采用缓冲蚀刻液BOE清洗上述衬底，去除表面自然氧化层，然后去离子水冲洗，用氮气吹干。清洗后的表面有SiO2介质层的单晶硅片记作衬底A。
(3)对三氧化钼粉末MoO3和硫粉采用化学气相沉积法CVD在衬底A上制备n型层状MoS2薄膜，形成附有n型MoS2薄膜的样品B。
(4)在样品B附有MoS2薄膜上表面旋涂浓度为4％PMMA光刻胶，保持转速为2000r/min，旋转时间为60s，使样品B上均匀覆盖一层厚度为400nm 的PMMA。再放在加热板保持170℃烘烤3分30秒。再进行EBL曝光，曝光后将样品B泡于MIBK溶液中30秒再移至异丙醇溶液中浸泡70秒，最后用去离子水冲洗干净，再用氮气枪吹干。获得上表面有坐标标记的样品C。
(5)在C的具有PMMA光刻胶的上表面采用电子束蒸发制备厚度为100 nm的金薄膜获得样品D。
(6)将样品D泡于丙酮溶液中20分钟对样品D去胶，获得表面留有金属坐标标记的样品E。
(7)表面留有金标的样品E上表面旋涂zep520A原液光刻胶，保持转速为4000r/min，旋转时间为60s，使样品E上均匀覆盖一层厚度为340nm 的zep胶。再放在加热板上保持180℃烘烤3分钟。根据步骤(6)的坐标标记，采用n型MoS2薄膜有部分暴露在外的曝光版图，进行EBL曝光。曝光后将样品B泡于二甲苯溶液中70秒再移至异丙醇溶液中浸泡30秒，再用氮气枪吹干，显影后获得n型过渡金属硫族化合物膜至少有部分暴露在外，且不是全部暴露在外的样品。
(8)采用磁控溅射设备，将样品F放置在靶材位中心，通入氧气作为起辉气体，气流量60sccm，调节工作压力11Pa，射频功率15W。使氧等离子体在电场加速下轰击样品F表面30秒，n型MoS2膜暴露在外的部分掺杂氧离子，形成p型MoS2膜，掺杂后的样品记样品G。
(9)用NMP浸泡G片5分钟后，用去离子水冲洗干净，再用氮气枪吹干获得样品H。
(10)将样品H在Ar气氛下退火。退火温度为500℃，退火处理时间为60min；退火后的样品记作样品I。
(11)在样品I附有MoS2薄膜上表面旋涂浓度为zep520A原液光刻胶，保持转速为4000r/min，旋转时间为60s，使样品I上均匀覆盖一层厚度为 340nm的zep胶。再放在加热板上保持180℃烘烤3分钟。根据步骤(6) 的坐标标记，采用使电极区域位于n型MoS2膜和p型MoS2膜边界外侧的曝光版图，进行EBL曝光。曝光后将样品I泡于二甲苯溶液中70秒再移至异丙醇溶液中浸泡30秒，再用氮气枪吹干。获得上表面有与n型MoS2膜和p 型MoS2膜边界横向相连接的电极区域的样品J。
(12)样品J上表面含有MoS2，其上采用电子束蒸发制备厚度为6nm 的钛薄膜，再在其上制备60nm的金薄膜构成上电极，获得样品K。
(13)将样品K泡于NMP溶液中5分钟对样品K去胶，经过lift-off 去胶，获得表面留有电极的样品L。
由于制备步骤是相同的，各个实施例之间的区别仅仅是各个参数的区别的，上述实施例仅仅给出了个别实施例中的参数；具体实施例如下表所示，下表示出了纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法所用参数及光刻胶。
图1为实施例1制备得到的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN 二极管，所示的二极管在工作时电流在过渡金属硫族化合物同质PN结中横向流动，在电极中垂直流动；图2为实施例2制备得到的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管，所示的二极管工作时电流在过渡金属硫族化合物同质PN结中横向流动到达电极处仍横向流动。
实施例3
一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管，所述PN二极管包括单晶硅1、介质层2、p型过渡金属硫族化合物膜3、n型过渡金属硫族化合物膜4和电极层5；所述介质层2位于单晶硅1的上表面；所述p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4均位于介质层2 的上表面，且p型过渡金属硫族化合物3和n型过渡金属硫族化合物膜4 横向连接；所述电极层5由两层金属电极构成；所述电极层5位于p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的上表面，且分别与p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4纵向连接；所述p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4由相同过渡金属硫族化合物组成。所述单晶硅1厚度为300μm；所述介质层2厚度为50nm；所述p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的厚度均为0.65nm。所述电极层5的上层为Au金属层，厚度为50nm；所述电极层5与p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的接触层为Ti金属层，厚度为5nm。所述单晶硅1为p型单晶硅；所述介质层2为二氧化硅介质层；所述p型过渡金属硫族化合物膜3为p型 MoS2膜；所述n型过渡金属硫族化合物膜4为n型MoS2膜。
实施例4
一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管，所述PN二极管包括单晶硅1、介质层2、p型过渡金属硫族化合物膜3、n型过渡金属硫族化合物膜4和电极层5；所述介质层2位于单晶硅1的上表面；所述p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4均位于介质层2 的上表面，且p型过渡金属硫族化合物3和n型过渡金属硫族化合物膜4 横向连接；所述电极层5由两层金属电极构成；所述电极层5位于p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的边界外侧，且分别与p型过渡金属硫族化合物膜3和n型二过渡金属硫族化合物膜4横向连接；所述p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4 由相同过渡金属硫族化合物组成。所述单晶硅1厚度为400μm；所述介质层2厚度为100nm；所述p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的厚度均为1nm。所述电极层5的上层为Au金属层，厚度为 100nm；所述电极层5与p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的接触层为Ti金属层，厚度为10nm。所述单晶硅1为p型单晶硅；所述介质层2为二氧化硅介质层；所述p型过渡金属硫族化合物膜3为p型MoS2膜；所述n型过渡金属硫族化合物膜4为n型MoS2膜。
实施例5
一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管，所述PN二极管包括单晶硅1、介质层2、p型过渡金属硫族化合物膜3、n型过渡金属硫族化合物膜4和电极层5；所述介质层2位于单晶硅1的上表面；所述p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4均位于介质层2 的上表面，且p型过渡金属硫族化合物3和n型过渡金属硫族化合物膜4 横向连接；所述电极层5由两层金属电极构成；所述电极层5位于p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的上表面，且分别与p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4纵向连接；或所述电极层5位于p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的边界外侧，且分别与p型过渡金属硫族化合物膜3和n型二过渡金属硫族化合物膜4横向连接；所述p型过渡金属硫族化合物膜3和n 型过渡金属硫族化合物膜4由相同过渡金属硫族化合物组成。所述单晶硅1 厚度为500μm；所述介质层2厚度为300nm；所述p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的厚度均为2nm。所述电极层5的上层为Au金属层，厚度为120nm；所述电极层5与p型过渡金属硫族化合物膜3和n型过渡金属硫族化合物膜4的接触层为Ti金属层，厚度为15nm。所述单晶硅1为p型单晶硅；所述介质层2为二氧化硅介质层；所述p型过渡金属硫族化合物膜3为p型MoS2膜；所述n型过渡金属硫族化合物膜4 为n型MoS2膜。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)选取上表面有介质层的单晶硅作为衬底，在介质层上制备层状n型过渡金属硫族化合物膜，形成样品A；
(2)在步骤(1)所述样品A的n型过渡金属硫族化合物膜上旋涂光刻胶，经EBL曝光及显影后，采用电子束蒸发在光刻胶上制备重金属膜，去胶后获得n型过渡金属硫族化合物膜表面留有坐标标记的样品B；
(3)在步骤(2)所述样品B的n型过渡金属硫族化合物膜表面旋涂光刻胶，经EBL曝光及显影，获得n型过渡金属硫族化合物膜至少有部分暴露在外，且不是全部暴露在外的样品C；
(4)采用磁控溅射使氧等离子体对步骤(3)所述的样品C进行掺杂，去除步骤(3)旋涂的光刻胶，得到样品D；
(5)在惰性气体环境下，将步骤(4)得到的样品D在400℃-500℃条件下退火，退火时间为50min-90min；使n型过渡金属硫族化合物膜暴露在外的部分掺杂氧离子，形成p型过渡金属硫族化合物膜，得到样品E；
(6)在步骤(5)得到的样品E上表面旋涂光刻胶，经EBL曝光及显影，获得n型过渡金属硫族化合物膜和p型过渡金属硫族化合物膜上表面分布的电极区域，或者n型过渡金属硫族化合物膜和p型过渡金属硫族化合物膜边界外侧的电极区域，得到样品F；
(7)在步骤(6)所述样品F的电极区域采用电子束蒸发制备电极层；所述电极层为两层金属层，得到样品G；
(8)将步骤(7)所述的样品G去胶，即得到纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管。
2.如权利要求1所述的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述单晶硅厚度为300μm-500μm；步骤(1)所述介质层厚度为50nm-300nm；步骤(1)所述n型过渡金属硫族化合物膜厚度为0.65nm-2nm；步骤(5)所述p型过渡金属硫族化合物膜厚度0.65nm-2nm；步骤(1)所述层状n型过渡金属硫族化合物膜的制备方法为气相沉积法。
3.如权利要求1所述的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法，其特征在于，步骤(7)所述电极层的上层为Au金属层，所述Au金属层厚度为50nm-120nm；步骤(7)所述电极层与p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜接触的是Ti金属层，所述Ti金属层厚度为5nm-15nm。
4.如权利要求1所述的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述单晶硅为p型单晶硅；步骤(1)所述介质层为二氧化硅介质层；步骤(5)所述p型过渡金属硫族化合物膜为p型MoS2膜；步骤(1)所述n型过渡金属硫族化合物膜为n型MoS2膜。
5.如权利要求1所述的纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述掺杂的过程为向磁控溅射装置中通入气流量为60sccm-100sccm的氧气作为起辉气体，起辉后氧气电离为氧等离子体，所述氧等离子体在电场加速下轰击样品C的表面；所述轰击的时间为10秒-60秒；所述氧气的压力10Pa-15Pa；所述磁控溅射装置的射频功率10W-40W。
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