CN108933171A - 半导体结构及半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构，其包括一半导体层，该半导体层的厚度为1～100纳米，所述半导体层包括一第一表面及与第一表面相对的第二表面；一碳纳米管，该碳纳米管设置于半导体层的第一表面；一导电膜，该导电膜通过沉积方法形成于所述半导体层的第二表面，使半导体层设置于碳纳米管和导电膜之间，碳纳米管、半导体层与导电膜相互层叠形成一多层立体结构。本发明进一步提供一种采用所述半导体结构的半导体器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体结构及一种半导体器件。
背景技术
近年来，范德华异质结是最近两年的新兴研究领域。范德华异质结通过将具有不同性质(电学以及光学等)的二维材料堆到一起，可以实现对组合而成的“新”材料的性质进行人工调控；由于层间弱的范德华作用力，相邻的层间不再受晶格必须相匹配的限制；并且，由于没有成分过渡，所形成的异质结具有原子级陡峭的载流子(势场)梯度；由于以过渡金属双硫族化物为代表的非石墨烯二维层状材料通常可以形成二类能带关系，因此以它们为基础搭建的异质结具有非常强的载流子分离能力；此外，由于超薄的厚度以及特殊的二维结构，使其具有强的栅极响应能力，以及与传统微电子加工工艺和柔性基底相兼容的特性。
发明内容
本发明提供了新型的含有范德华异质结的半导体结构以及其相关应用。
一种半导体结构，其包括一半导体层，该半导体层的厚度为1～100纳米，所述半导体层包括一第一表面及与第一表面相对的第二表面；一碳纳米管，该碳纳米管设置于半导体层的第一表面；一导电膜，该导电膜通过沉积方法形成于所述半导体层的第二表面，使半导体层设置于碳纳米管和导电膜之间，碳纳米管、半导体层与导电膜相互层叠形成一多层立体结构。
一半导体器件，该半导体器件包括一第一电极、一第二电极、一第三电极及一半导体结构；该半导体结构与该第一电极和第二电极电连接，该第三电极通过一绝缘层与该半导体结构、第一电极及第二电极绝缘设置；所述半导体结构包括：一半导体层，该半导体层的厚度为1～100纳米，所述半导体层包括一第一表面及与第一表面相对的第二表面；一碳纳米管，该碳纳米管设置于半导体层的第一表面；一导电膜，该导电膜通过沉积方法形成于所述半导体层的第二表面，使半导体层设置于碳纳米管和导电膜之间，碳纳米管、半导体层与导电膜相互层叠形成一多层立体结构；其中，所述第一电极与所述碳纳米管电连接，所述第二电极与所述导电膜电连接。
相较于现有技术，本发明提供了一种新型的半导体结构及其半导体器件，该半导体结构及半导体器件在未来的纳米电子学和纳米光电子学领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的半导体结构的结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的半导体结构的侧视示意图。
图3为本发明第二实施例提供的半导体器件的立体结构示意图。
图4为本发明第二实施例提供的半导体器件在用作晶体管时，在栅极电压不同时，晶体管的传输特征曲线图。
图5为本发明第二实施例提供的半导体器件在用作晶体管时，在栅极电压不同时，晶体管的输出特征曲线图。
主要元件符号说明
半导体结构 100
碳纳米管 102
半导体层 104
导电膜 106
多层立体结构 110
半导体器件 200
第一电极 202
第二电极 204
第三电极 208
绝缘层 210
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例对本发明的半导体结构及半导体器件作进一步的详细说明。
请参阅图1及图2，本发明第一实施例提供一种半导体结构100。该半导体结构100包括一碳纳米管102、一半导体层104及一导电膜106。所述碳纳米管 102朝一第一方向延伸。所述半导体层104的厚度为1～100纳米。所述导电膜 106设置于所述半导体层104的表面，使半导体层104设置于碳纳米管102和导电膜106之间。所述半导体层104包括一第一表面1042及一第二表面1044，第一表面1042和第二表面1044相对设置。所述碳纳米管102设置在半导体层104 的第一表面1042，并与第一表面1042直接接触。所述半导体结构可以仅包括一根碳纳米管102设置于半导体层104的第一表面。
所述碳纳米管102为金属型碳纳米管。碳纳米管102的直径不限，可以为0.5纳米～150纳米，在某些实施例中，碳纳米管102的直径可以为1纳米～10纳米。优选地，碳纳米管102为单壁碳纳米管，其直径为1纳米～5纳米。本实施例中，碳纳米管102为金属型单壁碳纳米管，其直径为1纳米。
所述半导体层104为一二维结构的半导体层。所述二维结构即半导体层 104的厚度较小，半导体层的厚度为1纳米～200纳米，优选地，其厚度为1纳米～100纳米。所述半导体层104可以仅包括一层半导体材料，即半导体层104 为一个单层的结构。所述半导体层104的可以为N型半导体，也可以为P型半导体。所述半导体层104的材料不限，可以为无机化合物半导体、元素半导体或有机半导体材料，如：砷化镓、碳化硅、多晶硅、单晶硅或萘等。在一些实施例中，半导体层104的材料为过渡金属硫化物材料。本实施例中，半导体层104的材料为硫化钼(MoS2)，为N型半导体材料，其厚度为18纳米。在别的实施例中，半导体层104的材料为硒化钨(WSe2)，其厚度为22纳米。
所述导电膜106的材料为导电材料，可以为金属、导电聚合物或ITO。导电膜106直接沉积在半导体层104的第二表面1044。导电膜106沉积在半导体层 104的第一表面1044的具体方法不限，可以为离子溅射、磁控溅射或其他镀膜方法。所述导电膜106的厚度不限，可以为5纳米～100微米。在一些实施例中，导电膜106的厚度为5纳米～100纳米；在另一些实施例中，导电膜106的厚度为5纳米～20纳米。所述导电膜106的形状不限，可以为长条形、线性、方形等形状。本实施例中，所述导电膜106为长条形。
所述碳纳米管102、半导体层104和导电膜106相互层叠形成一多层立体结构110。由于碳纳米管102相对于半导体层104和导电膜106的尺寸较小，该多层立体结构110的横截面的面积由碳纳米管102的直径和长度决定。由于碳纳米管102为纳米材料，该多层立体结构110的横截面面积也是纳米级。所述多层立体结构110定义一横向截面及一竖向截面，所述横向截面即平行于半导体层104表面的方向的截面，所述纵向截面即垂直于半导体层104的表面的方向的截面。所述横向截面的面积由碳纳米管102的直径和长度决定。所述纵向截面的面积由碳纳米管102的长度和多层立体结构110的厚度决定。由于碳纳米管102相对于半导体层104和导电膜106的尺寸较小，该多层立体结构110的横向截面和纵向截面的面积均较小，多层立体结构110的体积也很小。优选地，该多层立体结构110的横截面的面积为0.25nm2～1000nm2。更优选地，该多层立体结构110的横截面的面积为1nm2～100nm2。
碳纳米管102和导电膜106与二维半导体层104在多层立体结构110处形成范德华异质结构。在应用时，碳纳米管102和导电膜106可以看作设置在半导体结构104的两个相对表面上的电极，当在碳纳米管102和导电膜106上施加偏压实现导通时，电流的流动路径为穿过多层立体结构110的横截面，所述半导体元件100的有效部分为多层立体结构110。所述半导体元件100的整体尺寸只需确保大于多层立体结构110的体积即可，因此，半导体元件100可以具有较小的尺寸，只需确保其包括多层立体结构110。所述半导体元件100可以为一纳米级的半导体元件。该半导体元件具有较低的能耗、纳米级的尺寸以及更高的集成度。
本发明的半导体结构为一基于碳纳米管不对称范德华异质结构 (CCVH)，其中半导体层为一二维结构，其被不对称地夹在碳纳米管102和导电膜106之间。所述半导体层104可以仅包括一种半导体材料。该半导体结构在用作晶体管时，具有较高的开/关比(大于105)和较大电流密度(大于 105A/cm2)，可满足逻辑电路的要求。本发明中，碳纳米管与半导体层的第一表面接触，导电膜与半导体层的第二表面接触，碳纳米管和导电膜对2D 半导体层的不对称接触使范德华异质结构具有更优异的输运性能。当半导体结构用在晶体管上时，范德华异质结构在相对的源极-漏极偏置处显示出不对称的输出特性。运输特性的多样性主要归因于碳纳米管费米能级易被调制和器件的不对称接触，同时碳纳米管电极适用于电子型或者空穴型导电。可调节器件功能以及侧向器件尺寸的限制使得这种包括碳纳米管的不对称范德华异质结构的半导体结构具有独特性，在未来的纳米电子学和纳米光电子学领域具有巨大的潜力。
请参见图3，本发明第二实施例提供一种半导体器件200。该半导体器件 200包括一第一电极202、一第二电极204、一半导体结构100及一第三电极208。该半导体结构100与该第一电极202和第二电极204电连接，该第三电极208通过一绝缘层210与该半导体结构100、第一电极202及第二电极204绝缘设置。所述半导体结构100的具体结构与第一实施例提供的半导体结构100相同，在此不再重复做详述。
所述半导体器件200中，第三电极208与绝缘层210层叠设置，所述半导体结构100设置在绝缘层210的表面，使绝缘层210位于第三电极208和半导体结构100之间。所述半导体结构100中，碳纳米管102直接设置于绝缘层210的表面，半导体层104设置于碳纳米管102的上方，使碳纳米管102位于半导体层104 和绝缘层210之间，导电膜106位于半导体层104的上方。
所述第一电极202和第二电极204均由导电材料组成，该导电材料可选择为金属、ITO、ATO、导电银胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等。该金属材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钯或任意组合的合金。所述第一电极 202和第二电极204也可以均为一层导电薄膜，该导电薄膜的厚度为2微米-100 微米。本实施例中，所述第一电极202、第二电极204为金属Au，其厚度为50 纳米。本实施例中，所述第一电极202与碳纳米管102电连接，设置于碳纳米管102的一端并贴合于碳纳米管102的表面，即Au层设置于碳纳米管102表面；所述第二电极204与导电膜106电连接，并设置于导电膜106的一端并贴合于导电膜106的表面，即Au层设置于导电膜106表面。
所述绝缘层210的材料为绝缘材料，其厚度为1纳米～100微米。绝缘层210 使碳纳米管102与第三电极208间隔绝缘设置。本实施例中，绝缘层的材料为氧化硅。
所述第三电极208由导电材料组成，该导电材料可选择为金属、ITO、 ATO、导电银胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等。该金属材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钯或任意组合的合金。本实施例中，所述第三电极208 为一层状结构，绝缘层210设置于第三电极208的表面，所述第一电极202、第二电极204、以及半导体结构100设置于绝缘层210上，并由第三电极208和绝缘层210支撑。本发明中，碳纳米管102直接设置在绝缘层210表面，碳纳米管102靠近第三电极208，导电膜106远离第三电极208，导电膜106不会在半导体层104和第三电极208产生屏蔽效应，因此，半导体器件200在应用时，第三电极208可以控制半导体结构100。
所述半导体器件200中，由于碳纳米管102和导电膜106与半导体层104之间形成异质结，即多层立体结构110内部形成异质结。本实施例所提供的半导体器件200，可以为一晶体管，其中，第一电极202为漏极，第二电极204为源极，第三电极208为栅极。通过在第三电极208上施加不同偏压来改变所述异质结势垒的高度，从而控制第一电极202和第二电极204之间电流的大小。本实施例中，半导体层104的材料为硫化钼，其为n型半导体，第一电极202和第二电极204的偏压一定时，当第三电极208的电压为正时，多层立体结构110 内部形成肖特基结势垒降低，第一电极202和第二电极204之间导通产生电流，实现开状态，电流的流动路径为从第一电极202、碳纳米管102、多层立体结构110、导电膜106及第二电极204；当第三电极208的电压为负时，异质结的势垒增高，第一电极202和第二电极204之间几乎没有电流通过，实现关的状态。请参见图4，该晶体管的开关比可达106；请参见图5，该晶体管的电流输出也较大电流密度可以达到(大于105A/cm2)；该晶体管可以满足逻辑电路的要求。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体结构，其包括:
一半导体层，该半导体层的厚度为1～100纳米，所述半导体层包括一第一表面及与第一表面相对的第二表面；
一碳纳米管，该碳纳米管设置于半导体层的第一表面；
一导电膜，该导电膜通过沉积方法形成于所述半导体层的第二表面，使半导体层设置于碳纳米管和导电膜之间，所述碳纳米管、半导体层与导电膜相互层叠形成一多层立体结构。
2.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述碳纳米管为金属型碳纳米管。
3.如权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管。
4.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述多层立体结构的横截面面积在1nm2～100nm2之间。
5.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体层的厚度为1纳米～200纳米。
6.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体材料为砷化镓、碳化硅、多晶硅、单晶硅、萘或硫化钼。
7.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述导电膜的沉积方法包括离子溅射、磁控溅射或其它镀膜方法。
8.如权利要求7所述的半导体结构，其特征在于，所述导电膜的厚度为5纳米～100纳米。
9.一半导体器件，该半导体器件包括一第一电极、一第二电极、一第三电极及一半导体结构；该半导体结构与该第一电极和第二电极电连接，该第三电极通过一绝缘层与该半导体结构、第一电极及第二电极绝缘设置；所述半导体结构包括：
一半导体层，该半导体层的厚度为1～100纳米，所述半导体层包括一第一表面及与第一表面相对的第二表面；
一碳纳米管，该碳纳米管设置于半导体层的第一表面；
一导电膜，该导电膜通过沉积方法形成于所述半导体层的第二表面，使半导体层设置于碳纳米管和导电膜之间，碳纳米管、半导体层与导电膜相互层叠形成一多层立体结构；
其中，所述碳纳米管设置于绝缘层的表面，使绝缘层位于碳纳米管和第三电极之间。
10.如权利要求9所述的半导体器件，其特征在于，所述第一电极与碳纳米管电连接，所述第二电极与所述导电膜电连接。
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