CN109638152B - 一种过渡金属族硫化物逻辑运算器及其构筑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于逻辑运算器领域，涉及一种过渡金属族硫化物同质结逻辑运算器及其构筑方法。构筑方法为：对一个过渡金属族硫化物纳米片的一半区域进行保护，另一半未保护的区域用弱氧化性溶液进行硫空位的构筑。而过渡金属族硫化物的电子特性受硫空位调控的影响明显，从而在保护区域和硫空位构筑区域产生了电子浓度差，形成同质结。在原始区域，硫空位构筑区域和同质结区域构筑电极之后便可得到同质结逻辑运算器，避免了复杂范德华异质结堆垛的工艺和不稳定的器件界面和不稳定的P/N掺杂，提供一个简单稳定的同质结逻辑运算器构筑新途径。由于二维过渡金属族硫化物超薄的特性，将在下一代柔性，透明，大规模集成电子器件上面具有极大的应用前景。

Description

一种过渡金属族硫化物逻辑运算器及其构筑方法
技术领域
本发明属于逻辑运算器领域，涉及一种简单、独特、有效的过渡金属族硫化物同质结逻辑运算器的过渡金属族硫化物逻辑运算器及其构筑方法。
背景技术
二维半导体同质结逻辑运算器，相比传统硅基CMOS逻辑运算器，具备集成度更高，无短沟道效应，栅极调控灵敏等优点。相比二维半导体异质结逻辑运算器，其无界面晶格错配现象，界面载流子陷阱少进而接触电阻小，器件稳定性好以及集成工艺简单等优点。有望发展成为下一代主要的集成电子器件。另一方面，具有半导体性质的二维过渡金属族硫化物具有一定的光学带隙，表面无悬挂键,化学性质稳定。单层二维过渡金属族硫化物更体现出直接带隙。基于这些优异的特性，二维过渡金属族硫化物在场效应晶体管，PN结二极管，忆阻器和逻辑运算器等电子和光电子领域具有极大地发展潜力。例如单层MoS2场效应晶体管开关比可达108，室温最大迁移率达410 cm2s-1v-1；单层MoS2与BP，WSe2等P型二维半导体构筑的范德华异质结逻辑运算器可实现多功能信号转换，增益达12。此外，单层超薄过渡金属族二硫化物极其适合构筑柔性透明电子和光电子器件，如离子液体顶栅调控的单层MoS2和单层WSe2 CMOS逻辑运算器实现高达110的电压增益。因此，过渡金属族硫化物半导体材料在未来亚10 nm集成电子器件以及柔性透明，可穿戴电子器件领域具有极大的发展空间和应用前景。
然而现存用于构筑过渡金属族硫化物逻辑运算器的方法，大多工艺复杂，很难实现大面积集成。现存的方法主要分为两类：一、P/N掺杂法, 这种方法是将传统的N/P型二维材料通过等离子体，强酸或者高温退火等，使得材料结构中的部分原子被替换而表现出P/N型特征，进而构筑逻辑运算器。此方法与传统CMOS工艺兼容性差，对材料有一定的破坏性。掺杂后的稳定性差。此外，对单层二维过渡金属族硫化物而言，由于结构受限，很难实现类似硅材料理想的掺杂效果。二、范德华异质结法。这种方法是将P型和N型的二维材料通过范德华力堆垛在一起，实现PN结特性构筑逻辑运算器。此方法工艺极其复杂，每一层材料的堆叠都会不可避免地引入残胶和杂质，引入异质结的晶格错配，从而降低器件的性能。此外，大面积的集成很难实现，极大地限制二维半导体材料的发展。
我们发明的二维过渡金属族硫化物纳米片同质结逻辑运算器，构筑过程简单，与传统CMOS工艺兼容。可用于大面积的过渡金属族硫化物逻辑运算器的集成，器件稳定性良好。此方法完善了上述两类方法的缺点，同时具备它们的优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单，与传统CMOS工艺兼容的过渡金属族硫化物逻辑运算器的构筑方法。此工艺旨在提供一种能摆脱极度难掺杂和复杂堆垛，简单有效的构筑逻辑运算器的新途径。
为达上述目的，本发明的技术方案：一种过渡金属族硫化物逻辑运算器，所述过渡金属族硫化物逻辑运算器包括目标基底、过渡金属族硫化物纳米片和电极；
其中，所述过过渡金属族硫化物纳米片设置所述目标基底上，所述过渡金属族硫化物纳米片分为硫空位构筑区域，原始区域以及同质结区域；所述电极分别设置在所述硫空位构筑区域，原始区域和同质结区域上。
进一步，所述电极为金属电极，数量为三个，其中一个电极沉积在硫空位构筑区域的一端，另一个电极沉积在原始区域的一端，第三个电极沉积在所述硫空位构筑区域和所述原始区域之间的同质结区域上。
进一步，所述过渡金属族硫化物纳米片为采用机械剥离、CVD生长或离子插层获得的二硫化钼，二硫化钨，二硒化钼或二硒化钨纳米片，其厚度为0.65-100 nm。
进一步，所述基底为硅片、蓝宝石基底或PET基底。
本发明的另一目的提供一种制备上述的过渡金属族硫化物逻辑运算器的方法，具体包括以下步骤：
S1：将选取的二维过渡金属族硫化物纳米片转移到不与弱氧化性溶液反应的并且能和过渡金属族硫化物纳米片形成牢固接触的目标基底上；
S2：利用EBL精确曝光技术将转移到目标基底上的过渡金属族硫化物纳米片的一半区域曝光出来，并用弱氧化性溶液浸泡所述曝光区域，随后用去离子水清洗残留的弱氧化性溶液，随后加热干燥；
S3：利用EBL在S2得到过渡金属族硫化物纳米片的所述空位构筑区域，原始区域和同质结区域的过渡区域曝光并利用热蒸镀沉积电极，即得到过渡金属族硫化物逻辑运算器。
进一步，所述S1的具体方法为：将选取沉积在硅片上过渡金属族硫化物纳米片上匀一层PMMA，110-130 ℃干燥1-5min后放入HF水溶液，刻蚀掉二氧化硅后带有二维过渡金属族硫化物纳米片的PMMA膜与硅片分离，再用大量去离子水清洗PMMA膜，最后捞至目标基底上并用丙酮去掉PMMA。
进一步，所述S2的具体方法为：
S2.1将目标基底上的二维过渡金属族硫化物纳米片旋涂PMMA胶，再温度为150-180℃干燥1-3 min，随后利用电子束曝光技术曝光出二维过渡金属族硫化物的一半区域，另一半区域继续用PMMA 盖住；
S2.2将S2.1得到曝光出的区域用弱氧化性水溶液浸泡，接着用ID水洗掉残余的弱氧化性溶液，随后用丙酮去除保护层PMMA。
进一步，所述弱氧化性溶液为H2O2溶液，次氯酸溶液或稀硝酸溶液。
进一步，所述目标基底为硅片、蓝宝石基底或PET基底。
本发明的有益效果是：由于采用技术方案，该方法充分利用二维过渡金属族硫化物性能极易受硫空位调控的特点。大量硫空位充当载流子trap位点，捕获和束缚载流子使得二维过渡金属族硫化物的电子特性受到调控。我们利用硫空位对特定区域的过渡金属族硫化物进行有效的电子特性调控。利用调控区域和原始区域对底栅响应度的不同，构筑了过渡金属族硫化物同质结逻辑运算器。
过渡金属族硫化物同质结逻辑运算器的电压输入输出特性曲线表现出良好的逻辑转换特性。因为同质结界面不存在晶格的错配，能带连续，调控区域硫空位稳定存在等，构筑的逻辑运算器性能稳定。同时由于硫空位可实现大面积过渡金属族硫化物的特性调控，因此可以大面积构筑过渡金属族硫化物同质结集成电路。过渡金属族硫化物同质结的界面稳定，将在下一代柔性，透明，可穿戴逻辑运算器构筑的电子器件中发挥不可比拟的作用。
附图说明
图1为本发明实施例中过渡金属族硫化物逻辑运算器的结构示意图。
图2为本发明实施例中过渡金属族硫化物逻辑运算器的电压输入输出逻辑转换特性曲线。
图中：
1.电极,2.过渡金属族硫化物,2-1.原始区域，2-2.硫空位构筑区域,2-3.同质结区域, 3.目标基底。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案进行详细说明，显然，所描述的实例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实例。基于本发明中的实例，本领域人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种过渡金属族硫化物逻辑运算器，所述过渡金属族硫化物逻辑运算器包括目标基底、过渡金属族硫化物纳米片和电极；
其中，所述过过渡金属族硫化物纳米片设置所述目标基底上，所述过渡金属族硫化物纳米片分为硫空位构筑区域，原始区域以及同质结区域；所述电极分别设置在所述硫空位构筑区域，原始区域和同质结区域上。
所述电极为金属电极，数量为三个，其中一个电极沉积在硫空位构筑区域的一端，另一个电极沉积在原始区域的一端，第三个电极沉积在所述硫空位构筑区域和所述原始区域之间的同质结区域上。
所述过渡金属族硫化物纳米片为采用机械剥离、CVD生长或离子插层获得的二硫化钼，二硫化钨，二硒化钼或二硒化钨纳米片，其厚度为0.65-100 nm。
所述基底为硅片、蓝宝石基底或PET基底。
一种制备上述的过渡金属族硫化物逻辑运算器的方法，具体包括以下步骤：
S1：将选取的二维过渡金属族硫化物纳米片转移到不与弱氧化性溶液反应的并且能和过渡金属族硫化物纳米片形成牢固接触的目标基底上；
S2：利用EBL精确曝光技术将转移到目标基底上的过渡金属族硫化物纳米片的一半区域曝光出来，并用弱氧化性溶液浸泡所述曝光区域，随后用去离子水清洗残留的弱氧化性溶液，随后加热干燥；
S3：利用EBL在S2得到过渡金属族硫化物纳米片的所述空位构筑区域，原始区域和同质结区域的过渡区域曝光并利用热蒸镀沉积电极，即得到过渡金属族硫化物逻辑运算器。
所述S1的具体方法为：将选取沉积在硅片上过渡金属族硫化物纳米片上匀一层PMMA，110-130 ℃干燥1-5min后放入HF水溶液，刻蚀掉二氧化硅后带有二维过渡金属族硫化物纳米片的PMMA膜与硅片分离，再用大量去离子水清洗PMMA膜，最后捞至目标基底上并用丙酮去掉PMMA。
所述S2的具体方法为：
S2.1将目标基底上的二维过渡金属族硫化物纳米片旋涂PMMA胶，再温度为150-180℃干燥1-3 min，随后利用电子束曝光技术曝光出二维过渡金属族硫化物的一半区域，另一半区域继续用PMMA 盖住；
S2.2将S2.1得到曝光出的区域用弱氧化性水溶液浸泡，接着用ID水洗掉残余的弱氧化性溶液，随后用丙酮去除保护层PMMA。
所述弱氧化性溶液为H2O2溶液，次氯酸溶液或稀硝酸溶液。
所述目标基底为硅片、蓝宝石基底或PET基底。
实施例1
如图1所示，过渡金属族硫化物逻辑运算器包括目标基底3、过渡金属族硫化物纳米片2和电极1；
其中，所述过渡金属族硫化物纳米片2覆盖在所述目标基底3上，所述过渡金属族硫化物纳米片2分为原始区域2-1，.硫空位构筑区域2-2和同质结区域2-3；3个所述电极分别设置在所述原始区域2-1、硫空位构筑区2-2域和同质结区域2-3上。目标基底材料为具有300 nm SiO2基底上，电极为Cr/Au，
制备方法为：
步骤（1）化学气相沉积法（CVD）生长单层二硫化钼：以三氧化钼和硫粉为反应源，Ar气为载气，加热到170℃的硫蒸汽和设定为860 ℃的三氧化钼在载气的携带下沉积到二氧化硅表面，沉积30 min后随炉冷却得到三角形的单层二硫化钼。
步骤（2）湿法转移：将步骤（1）中生长好的二硫化钼上匀一层PMMA，120 ℃干燥2min后放入HF水溶液，刻蚀掉二氧化硅后带有二硫化钼的PMMA膜与硅片分离，随后用大量去离子水（ID）清洗PMMA膜，最后捞至目标基底上并用丙酮去掉PMMA。
步骤（3）微区曝光：将步骤（2）中目标基底上的二硫化钼旋涂PMMA胶，180℃干燥1min，随后利用电子束曝光技术曝光出单层二硫化钼的一半区域，另一半区域继续用PMMA盖住。
步骤（4）构筑硫空位：将步骤（3）曝光出的区域用弱氧化性水溶液浸泡，接着用ID水洗掉残余的弱氧化性溶液，随后用丙酮去除保护层PMMA。
步骤（5）沉积电极：同步骤（3），将步骤（4）中调控好硫空位的二硫化钼利用电子束曝光技术曝光出电极区域，用热蒸镀将铬/金电极沉积在曝光出的电极区域，最后利用丙酮去掉除电极区域的铬/金。
实施例2：
过渡金属族硫化物逻辑运算器的结构相同，区别在于采用的原料的不同。
制备方法为：
步骤（1）化学气相沉积法（CVD）生长单层二硒化钼： Ar气为载气，加热到170℃的硫蒸汽和设定为860 ℃的三氧化钼在载气的携带下沉积到二氧化硅表面，沉积30 min后随炉冷却得到三角形的单层二硒化钼。
步骤（2）湿法转移：将步骤（1）中生长好的二硒化钼上匀一层PMMA，120 ℃干燥2min后放入HF水溶液，刻蚀掉二氧化硅后带有二硒化钼的PMMA膜与硅片分离，随后用大量去离子水（ID）清洗PMMA膜，最后捞至目标基底上并用丙酮去掉PMMA。
步骤（3）微区曝光：将步骤（2）中目标基底上的二硒化钼旋涂PMMA胶，180℃干燥1min，随后利用电子束曝光技术曝光出单层二硫化钼的一半区域，另一半区域继续用PMMA盖住。
步骤（4）构筑硫空位：将步骤（3）曝光出的区域用稀释至浓度为24%的次氯酸溶液浸泡，接着用ID水洗掉残余的弱氧化性溶液，随后用丙酮去除保护层PMMA。
步骤（5）沉积电极：同步骤（3），将步骤（4）中调控好硫空位的二硒化钼利用电子束曝光技术曝光出电极区域，用热蒸镀将铬/金电极沉积在曝光出的电极区域，最后利用丙酮去掉除电极区域的铬/金。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种过渡金属族硫化物逻辑运算器的制备方法，所述过渡金属族硫化物逻辑运算器包括目标基底、过渡金属族硫化物纳米片和电极；
其中，所述过渡金属族硫化物纳米片设置所述目标基底上，所述过渡金属族硫化物纳米片分为硫空位构筑区域，原始区域以及同质结区域；所述电极分别设置在所述硫空位构筑区域，原始区域和同质结区域上；所述电极为金属电极，数量为三个，其中一个电极沉积在硫空位构筑区域的一端，另一个电极沉积在原始区域的一端，第三个电极沉积在所述硫空位构筑区域和所述原始区域之间的同质结区域上；所述过渡金属族硫化物纳米片为采用机械剥离、CVD生长或离子插层获得的二硫化钼，二硫化钨，二硒化钼或二硒化钨纳米片，其厚度为0.65-100 nm；所述基底为硅片、蓝宝石基底或PET基底，其特征在于， 所述制备方法具体包括以下步骤：
S1：将选取的二维过渡金属族硫化物纳米片转移到不与弱氧化性溶液反应的并且能和过渡金属族硫化物纳米片形成牢固接触的目标基底上；
S2：利用EBL精确曝光技术将转移到目标基底上的过渡金属族硫化物纳米片的一半区域曝光出来，并用弱氧化性溶液浸泡所述曝光区域，随后用去离子水清洗残留的弱氧化性溶液，随后加热干燥；
S3：利用EBL在S2得到过渡金属族硫化物纳米片的所述空位构筑区域，原始区域和同质结区域的过渡区域曝光并利用热蒸镀沉积电极，即得到过渡金属族硫化物逻辑运算器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1）的具体方法为：将沉积在硅片上过渡金属族硫化物纳米片上匀一层PMMA，110-130 ℃干燥1-5min后放入HF水溶液，刻蚀之后，使带有二维过渡金属族硫化物纳米片的PMMA膜与硅片分离，再用大量去离子水清洗PMMA膜，最后捞至目标基底上并用丙酮去掉PMMA。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2的具体方法为：
S2.1将目标基底上的二维过渡金属族硫化物纳米片旋涂PMMA胶，再温度为150-180℃干燥1-3 min，随后利用电子束曝光技术曝光出二维过渡金属族硫化物的一半区域，另一半区域继续用PMMA 盖住；
S2.2将S2.1得到曝光出的区域用弱氧化性水溶液浸泡，接着用ID水洗掉残余的弱氧化性溶液，随后用丙酮去除保护层PMMA。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弱氧化性溶液为H2O2溶液，次氯酸溶液或稀硝酸溶液。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标基底为硅片、蓝宝石基底或PET基底。
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