CN111509050B - 一种金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管及制备方法 - Google Patents
一种金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种金属‑二维硒化铟‑石墨肖特基二极管及制备方法，首先采用金属硬掩模在285nm SiO2/Si衬底表面沉积金属电极，以机械剥离法制备的二维硒化铟为基础，采用干法转移技术将其搭接在金属‑石墨非对称电极之间，并置于干燥空气中保存24小时，构筑二维硒化铟肖特基二极管。在采用原有非对称金属电极制备二维半导体材料肖特基二极管思路的基础上，设计了金属‑二维硒化铟‑石墨结构。该方法可以稳定制备高质量金/铂‑二维硒化铟‑石墨肖特基二极管。避免了原有光刻过程中的化学污染和金属化过程引入的材料损伤，减弱了由界面缺陷导致的费米能级钉扎，形成高质量金属‑二维半导体肖特基界面，实现了金/铂‑二维硒化铟石墨肖特基二极管的构筑。
Description
技术领域
本发明属于肖特基二极管及制备方法，涉及一种金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管及制备方法。
背景技术
以过渡族金属硫族化合物为代表的二维半导体材料凭借独特的物理、化学性质及其巨大的研究价值，受到了人们的广泛关注。其中属于Ⅲ-ⅦA族化合物半导体的二维硒化铟材料具有优异的电学输运性能，机械性能以及光响应特性，在刚性和柔性电子及光电子器件具有很高的应用价值。肖特基二极管具有良好的性能且易于制备，在传统硅基电子系统中被广泛应用，是电子和光电子应用的最基本器件单元之一。一般来说，在沟道半导体表面通过沉积具有不同功函数的金属电极材料是制备肖特基二极管常用方法之一。但截至目前为止，因在二维半导体材料表面金属化过程中会引入晶格损伤缺陷，破坏二维半导体的无悬挂键惰性表面，导致半导体-金属界面产生较强的界面费米能级钉扎，难以实现高质量的二维半导体-金属肖特基界面制备。二维硒化铟-金属肖特基界面也面临相同问题，制备基于二维硒化铟材料的高质量肖特基二极管的难题仍未解决。
文献1“Sinha D,Lee J U.Ideal graphene/silicon Schottky junctiondiodes.Nano letters,2014；14:4660-4664”报道了采用干法转移和光刻等技术成功制备了石墨烯/n型硅肖特基二极管，报道的石墨烯/n型硅肖特基二极管属于二维金属(石墨烯)-三维半导体(n型硅)结构型肖特基二极管。
文献2“Miao J,Zhang S,Cai L,et al.Black phosphorus schottky diodes:channel length scaling and application as photodetectors.Advanced ElectronicMaterials,2016；2:1500346”报道了采用电子束光刻技术在二维黑磷表面沉积了铝和金电极，成功制备了金-黑磷-铝肖特基二极管，报道的金-黑磷-铝肖特基二极管属于三维金属-二维半导体-三维金属型肖特基二极管。
文献3“Liu Y,Guo J,Zhu E,et al.Approaching the Schottky–Mott limit invan der Waals metal–semiconductor junctions.Nature,2018；557:696-700”报道了采用干法转移将铂和银电极分别搭接二硫化钼表面成功制备了铂-二硫化钼-银肖特基二极管，报道的铂-二硫化钼-银肖特基二极管属于三维金属-二维半导体-三维金属型肖特基二极管。
以上报道均满足严格意义上基于二维材料肖特基二极管的制备要求，但在制备过程中使用了光刻工艺，操作过程复杂且不利于高质量肖特基界面的获得。同时又因二维硒化铟材料与石墨烯具有相同的电子亲和势以及在二维硒化铟材料表面沉积金属会引入较强的费米能级钉扎，不能形成高质量二维硒化铟-金属肖特基界面，尚没有基于二维硒化铟材料肖特基二极管的报道。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管及制备方法，克服现有二维材料肖特基二极管制备步骤复杂的不足以及填补二维硒化铟肖特基二极管。
技术方案
一种金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管，其特征在于包括金属、二维硒化铟、石墨、SiO2/Si和铬；SiO2/Si作为衬底，衬底上设有铬层，铬层上设有两个金属条作为电极，相互之间设有沟道；一个金属电极上设有少层石墨，从单侧电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧电极；二维硒化铟薄片搭接在另一侧金属电极与石墨电极之间，形成金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管。
所述金属为金或铂。
所述沉积铬的厚度为5nm。
所述两个条状金属的厚度为30nm。
所述两个金属电极之间的沟道宽度为30μm。
一种所述金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管制备的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、采用金属硬掩模在SiO2/Si表面制备铬/金属具有沟道宽度的对称结构的复合金属电极：
在285nm SiO2/Si的衬底材料上采用热蒸发的方式进行制备，首先沉积铬层，然后沉积两个金属条，相互之间设有沟道；
步骤2：采用干法转移技术将少层石墨转移至其中一个条状金属电极上，从单侧电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧金属电极；
步骤3；采用干法转移技术将二维硒化铟薄片搭接在另一侧金属电极与石墨电极之间，形成金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管，并保存在有自然光照的室温干燥空气中。
所述少层石墨采用机械剥离法在本征无掺杂的石墨晶体上制备少层石墨。
采用机械剥离法在聚二甲基硅氧烷PDMS表面制备二维硒化铟材料：按硒铟原子比为1:1进行配料得硒化铟体材料，采用布里奇曼法生长，并除去表面氧化层之后的得到的二维硒化铟单晶体。
有益效果
本发明提出的一种金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管及制备方法，首先采用金属硬掩模在285nm SiO2/Si衬底表面沉积金属电极，以机械剥离法制备的二维硒化铟为基础，采用干法转移技术将其搭接在金属-石墨非对称电极之间，并置于干燥空气中保存24小时，构筑二维硒化铟肖特基二极管。在采用原有非对称金属电极制备二维半导体材料肖特基二极管思路的基础上，设计了金属-二维硒化铟-石墨结构。该方法可以稳定制备高质量金/铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管。
本发明的有益效果是：该方法以机械剥离法制备的二维硒化铟为基础，采用干法转移技术将其搭接在金属-石墨非对称电极之间，并置于干燥空气中保存24小时，构筑二维硒化铟肖特基二极管。该结构首先采用金属硬掩模在285nm SiO2/Si衬底表面沉积金属电极，再采用干法转移技术将石墨覆盖在单侧电极表面以构筑非对称金属-石墨电极，最后再将二维硒化铟搭接联通两侧电极。在整个制备过程中，充分利用了二维材料表面无悬挂键的优点，构筑纯范德瓦尔斯结构，避免了原有光刻过程中的化学污染和金属化过程引入的材料损伤，减弱了由界面缺陷导致的费米能级钉扎，形成高质量金属-二维半导体肖特基界面，实现了金/铂-二维硒化铟石墨肖特基二极管的构筑。
附图说明
图1是本发明方法实施例1所制备的二维硒化铟肖特基二极管的结构示意图。
图2是本发明方法实施例1所制备的金-二维硒化铟-石墨肖特基二极管1号样的光学显微镜照片。
图3是本发明方法实施例1所制备的金-二维硒化铟-石墨肖特基二极管1号样暗场和明场条件下的电流-电压特性曲线。
图4是本发明方法实施例2所制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管4号样的光学显微镜照片。
图5是本发明方法实施例2所制备的铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管4号样暗场和明场条件下的电流-电压特性曲线。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提供一种二维硒化铟肖特基二极管的制备方法。该方法以机械剥离法制备的二维硒化铟为基础，采用干法转移技术将其搭接在金属-石墨非对称电极之间，并置于干燥空气中保存24小时，构筑二维硒化铟肖特基二极管。在采用原有非对称金属电极制备二维半导体材料肖特基二极管思路的基础上，设计了金属-二维硒化铟-石墨结构。该结构首先采用金属硬掩模在285nm SiO2/Si衬底表面沉积金属电极，再采用干法转移技术将石墨覆盖在单侧电极表面以构筑非对称金属-石墨电极，最后将二维硒化铟搭接联通两侧电极。在整个制备过程中，将使用金属硬掩模在285nm SiO2/Si衬底表面制备金属电极作为制备过程的第一步，避免了在金属化过程中对二维硒化铟材料产生损伤的可能。同时充分利用了二维材料表面无悬挂键的优点，构筑纯范德瓦尔斯结构，避免了原有光刻过程中的化学污染。两项措施均有利于减弱了由界面界面处的费米能级钉扎，形成高质量单侧金属-二维半导体肖特基界面。其次，考虑了二维硒化铟材料与石墨具有相近的电子亲和势(约为4.5-4.6电子伏特)，可用于构筑另一侧的准欧姆接触，最终实现了二维硒化铟肖特基二极管的构筑。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二维硒化铟肖特基二极管的制备方法，其特点是采用以下步骤：
步骤一、采用金属硬掩模在SiO2/Si表面制备铬/金或铂具有一定沟道宽度的对称结构的复合金属电极，其特征在于：选用的衬底材料为285nm SiO2/Si，采用热蒸发的方式进行制备，制备过程分两步进行，首先沉积5nm铬，然后沉积30nm金或铂，沟道宽度为30μm。
步骤二、采用机械剥离法制备少层石墨，采用干法转移技术将其转移至单侧电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧电极。所用为本征无掺杂的石墨晶体。
步骤三、采用机械剥离法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备二维硒化铟材料，所用的硒化铟体材料是按硒铟原子比为1:1进行配料，采用布里奇曼法生长，并除去表面氧化层之后的硒化铟单晶体。选取厚度均一，尺寸合适的薄片，采用干法转移技术将其搭接在金或铂-石墨电极之间，二维硒化铟一侧只与金属接触，另一侧只与少层石墨接触。
步骤四、将制备的金或铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管保存在有自然光照的室温干燥空气中24小时。
在室温空气条件下，使用Keithley 2450电流表对金或铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管进行暗场和明场电流-电压特性曲线测试。
实施例1：
步骤一、采用金属硬掩模，在285nm SiO2/Si表面热蒸发制备3个铬(5nm)/金(30nm)的对称结构的金属电极，电极之间的沟道距离为30μm。
步骤二、采用机械剥离法制备少层石墨，采用干法转移技术，将厚度分别为15nm，17nm和23nm的少层石墨薄片从聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面转移至单侧金电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧电极。
步骤三、采用机械剥离法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备二维硒化铟材料，选取厚度分别为30nm，20nm和15nm，尺寸分别约为50μm*100μm，20μm*50μm和10μm*60μm的薄片，采用干法转移技术将其搭接在金-石墨电极之间，并分别命名为1号样，2号样和3号样，其结构示意图如图1，实物照片如图2。
步骤四、将制备的金-二维硒化铟-石墨肖特基二极管1号样，2号样和3号样保存在有自然光照的室温干燥空气中24小时。
步骤五、在室温空气条件下，使用Keithley 2450电流表分别对金-二维硒化铟-石墨肖特基二极管1号样，2号样和3号样进行暗场和明场电流-电压特性曲线测试，如图3。
本实施例成功构筑了3个金-二维硒化铟-石墨肖特基二极管，成功率为100％。
实施例2：
步骤一、采用金属硬掩模，在285nm SiO2/Si表面热蒸发制备3个铬(5nm)/铂(30nm)的对称结构的金属电极，电极之间的沟道距离为30μm。
步骤二、采用机械剥离法制备少层石墨，采用干法转移技术，将厚度分别为17nm，25nm和30nm的少层石墨薄片从聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面转移至单侧铂电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧电极。
步骤三、采用机械剥离法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备二维硒化铟材料，选取厚度分别为25nm，19nm和14nm，尺寸分别约为50μm*200μm，50μm*50μm和20μm*60μm的薄片，采用干法转移技术将其搭接在铂-石墨电极之间，并分别命名为1号样，2号样和3号样，其结构示意图如图1，实物照片如图4。
步骤四、将制备的金-二维硒化铟-石墨肖特基二极管4号样，5号样和6号样保存在有自然光照的室温干燥空气中24小时。
步骤五、在室温空气条件下，使用Keithley 2450电流表分别对金-二维硒化铟-石墨肖特基二极管4号样，5号样和6号样进行暗场和明场电流-电压特性曲线测试，如图5。
本实施例成功构筑了3个铂-二维硒化铟-石墨肖特基二极管，成功率为100％。
Claims (7)
1.一种金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管的制备方法，其特征在于：所述金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管包括金属、二维硒化铟、石墨、SiO2/Si和铬；SiO2/Si作为衬底，衬底上设有铬层，铬层上设有两个金属条作为电极，相互之间设有沟道；一个金属电极上设有少层石墨，从单侧电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧电极；二维硒化铟薄片搭接在另一侧金属电极与石墨电极之间，形成金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管；
所述制备方法具体步骤如下：
步骤1、采用金属硬掩模在SiO2/Si表面制备铬/金属具有沟道宽度的对称结构的复合金属电极：
在285nm SiO2/Si的衬底材料上采用热蒸发的方式进行制备，首先沉积铬层，然后沉积两个金属条，相互之间设有沟道；
步骤2：采用干法转移技术将少层石墨转移至其中一个条状金属电极上，从单侧电极表面并充分覆盖电极内侧边缘且不搭接另一侧金属电极；
步骤3；采用干法转移技术将二维硒化铟薄片搭接在另一侧金属电极与石墨电极之间，形成金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管，并保存在有自然光照的室温干燥空气中。
2.根据权利要求1所述金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管的制备方法，其特征在于：所述金属为金或铂。
3.根据权利要求1所述金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管的制备方法，其特征在于：所述沉积铬的厚度为5nm。
4.根据权利要求1所述金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管的制备方法，其特征在于：所述两个条状金属的厚度为30nm。
5.根据权利要求1所述金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管，其特征在于：所述两个金属电极之间的沟道宽度为30μm。
6.根据权利要求1所述金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管的制备方法，其特征在于：所述少层石墨采用机械剥离法在本征无掺杂的石墨晶体上制备少层石墨。
7.根据权利要求1所述金属-二维硒化铟-石墨肖特基二极管的制备方法，其特征在于：采用机械剥离法在聚二甲基硅氧烷PDMS表面制备二维硒化铟材料：按硒铟原子比为1:1进行配料得硒化铟体材料，采用布里奇曼法生长，并除去表面氧化层之后的得到的二维硒化铟单晶体。
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