CN111900091B - 一种二维纳米半导体材料掺杂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种二维纳米半导体材料掺杂方法，利用紫外光照和局部电场联合作用，实现了对二维纳米材料的可控性掺杂，可以形成单极性的n型器件和p型器件,且掺杂后的p型和n型器件；掺杂可逆，掺杂速度超快，掺杂周期在100ms以内；掺杂是非易失的，掺杂后的器件可在空气环境下稳定工作，且没有任何迟滞现象。该光电掺杂工艺与传统的CMOS工艺兼容：即利用传统的紫外光刻工艺，就可以实现二维纳米材料的空间选择性p型和n型掺杂。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，更加具体地说，涉及一种新型二维纳米半导体材料掺杂方法，该掺杂方法高效、可逆、快速、非易失。
背景技术
相比于硅基材料，新型二维纳米半导体材料尺寸更小(μm·μm·nm)，并展现了更加丰富、优异的电学特性。如果基于二维材料的器件可以取代硅基器件，将大幅度提升芯片集成度，延续摩尔定律，迎来一场巨大的芯片革命。目前，越来越多的材料物理学家，致力于二维材料晶圆级生长，并取得了非常大的成功。然而，芯片革命成功的关键因素在于实现二维材料可控性的掺杂，形成稳定的p型和n型二维纳米半导体材料。
目前应用于二维纳米半导体材料的掺杂手段如下所述：
(1)双栅极场效应管：其器件极性通过单独的栅极结构施加电压来控制，然而该掺杂方法具有易失性，断电后，器件极性不能保持。
(2)表面修饰：在二维材料表明修饰化学分子或是沉积原子层，二维材料与修饰层发生电荷交换，实现二维材料极性控制。然而，该掺杂方法会在二维材料表面引入大量的化学杂质，导致器件迟滞现象严重，严重影响器件的电学特性。
(3)不同功函数金属接触，实现器件极性控制：低功函数金属(例如Cr/Au)做接触，实现n型器件；高功函数金属(Pd/Au)做接触，使器件极性为p型。然而，高功函数金属价格昂贵，使器件制备成本增高。
此外，以上三种掺杂手段，均不能与标准的CMOS工艺兼容。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二维纳米半导体材料掺杂方法，利用紫外光照和局部电场联合作用进行掺杂，克服上述掺杂方法的不足，属于高效、可逆、快速、非易失的光电掺杂方法，且与传统的CMOS工艺兼容：即利用传统的紫外光刻工艺，就可以实现二维纳米材料的空间选择性p型和n型掺杂。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
一种二维纳米半导体材料掺杂方法，在基底上依次设置阻隔材料和半导体材料，并在半导体材料上设置电极，通过在基底和电极之间施加电压并同时对半导体材料进行紫外光照射的方式，实现对半导体材料的p型或者n型掺杂。
而且，基底为二氧化硅基底或者SiO2/Si基底。
而且，半导体材料为过渡金属硫化物半导体材料，如碲化钼，或者二硫化钼。
而且，阻隔材料为绝缘材料，如氮化硼或者氧化铝，用于电子空穴对中的电子或者空穴在电场作用下，隧穿过阻隔材料，被捕获在阻隔材料和基底的界面上，同时关闭UV光和掺杂电压，由于阻挡作用，捕获的电子或者空穴不能返回到半导体材料中，以使对半导体材料的不同掺杂。
而且，在基底上施加正向电场并对半导体材料进行紫外光照射，同时关闭UV和电场，紫外光照射到的半导体材料区域形成了稳定的n型场效应管(即n型掺杂)。
而且，在基底上施加负向电场并对半导体材料进行紫外光照射，同时关闭UV和电场，紫外光照射到的半导体材料区域形成了稳定的p型场效应管(即p型掺杂)。
而且，施加电压和紫外光照射的时间小于等于100ms。
本发明的技术方案是一种可控、快速掺杂方法，该掺杂方法利用紫外光照和局部电场联合作用，实现了对二维纳米材料的可控性掺杂，适用于新型二维纳米半导体材料：(1)可以形成单极性的n型器件和p型器件，且掺杂后的p型和n型器件具有高的载流子迁移率和载流子密度；(2)掺杂可逆，掺杂速度超快，掺杂周期在100ms以内；(3)掺杂是非易失的，掺杂后的器件可在空气环境下稳定工作，且没有任何迟滞现象；(4)该光电掺杂工艺与传统的CMOS工艺兼容：即利用传统的紫外光刻工艺，就可以实现二维纳米材料的空间选择性p型和n型掺杂。
附图说明
图1是本发明实施例中未掺杂、p掺杂和n掺杂后的MoTe2场效应管的转移特性曲线图。
图2是本发明实施例中p掺杂和n掺杂后的MoTe2场效应管的迟滞特性曲线图，其中a为n型，b为p型。
图3是本发明实施例中p掺杂的MoTe2场效应管的稳定性测试曲线图，各个曲线中自上而下分别为1—40d。
图4是本发明技术方案的器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如附图1所示，在SiO2/Si的基底上，通过现有的化学气相沉积(CVD)生长氮化硼(BN)和碲化钼(MoTe2)，在MoTe2表面，通过电子束蒸镀法形成两个金(Au)电极，形成MoTe2场效应管；紫外光从上方照射碲化钼层区域。
在SiO2/Si上施加+60V正向掺杂偏压，同时打开UV光，持续100ms，同时关闭掺杂偏压和UV光，此时，MoTe2场效应管掺杂成单极性p型器件；在SiO2/Si上施加-60V负向掺杂偏压，同时打开UV光，持续100ms，同时关闭掺杂偏压和UV光，此时，MoTe2场效应管掺杂成单极性n型器件。
掺杂机理：利用BN/SiO2界面效应捕获电子和空穴。以p掺杂为例：UV光在MoTe2表面激发大量的电子空穴对，同时在SiO2基底上施加+60V正向掺杂偏压，即电场方向为由下到上；电子空穴对中的电子在电场作用下，隧穿过BN，被捕获在BN/SiO2界面上；同时关闭UV光和掺杂电压，由于BN的阻挡作用，捕获的电子不能返回到MoTe2表面，一直存储在BN/SiO2界面上；则MoTe2中保留了大量的空穴，导致空穴浓度增大，使空穴成为MoTe2中的主要载流子，所以形成p型器件。以n掺杂为例：UV光在MoTe2表面激发大量的电子空穴对，同时在SiO2基底上施加-60V负向掺杂偏压，即电场方向为由上到下；电子空穴对中的空穴在电场作用下，隧穿过BN，被捕获在BN/SiO2界面上；同时关闭UV光和掺杂电压，由于BN的阻挡作用，捕获的空穴不能返回到MoTe2表面，一直存储在BN/SiO2界面上；则MoTe2中保留了大量的电子，导致电子浓度增大，使电子成为MoTe2中的主要载流子，所以形成n型器件。如附图1所示，利用如上所述的光电掺杂方法，通过控制掺杂电压的方向，可以实现单极性的n型器件和p型器件。
利用上述光电掺杂方法形成的p型器件和n型器件，没有在MoTe2表面引入任何杂质，表现出零迟滞现象，如附图2所示，零迟滞现象是器件工作稳定性强的一个重要标准，结合附图说明p型器件和n型器件具有较强的稳定性。
以p型掺杂后p型器件为例，连续40天测试器件的转移特性曲线图，如附图3所示，p型特性完全不会退化，表明这种光电掺杂方法是非易失的，可有效保持p型掺杂；同理n型掺杂能够得到有效保持。
根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现二维纳米半导体材料的掺杂，且表现出与本发明实施例基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种二维纳米半导体材料掺杂方法，其特征在于，在基底上依次设置阻隔材料和半导体材料，并在半导体材料上设置电极，通过在基底和电极之间施加电压并同时对半导体材料进行紫外光照射的方式，实现对半导体材料的p型或者n型掺杂。
2.根据权利要求1所述的一种二维纳米半导体材料掺杂方法，其特征在于，基底为二氧化硅基底或者SiO2/Si基底。
3.根据权利要求1所述的一种二维纳米半导体材料掺杂方法，其特征在于，半导体材料为过渡金属硫化物半导体材料。
4.根据权利要求3所述的一种二维纳米半导体材料掺杂方法，其特征在于，过渡金属硫化物半导体材料为碲化钼或者二硫化钼。
5.根据权利要求1所述的一种二维纳米半导体材料掺杂方法，其特征在于，阻隔材料为绝缘材料，用于电子空穴对中的电子或者空穴在电场作用下，隧穿过阻隔材料，被捕获在阻隔材料和基底的界面上，同时关闭UV光和掺杂电压，由于阻挡作用，捕获的电子或者空穴不能返回到半导体材料中，以使对半导体材料的不同掺杂。
6.根据权利要求5所述的一种二维纳米半导体材料掺杂方法，其特征在于，绝缘材料为氮化硼或者氧化铝。
7.根据权利要求1—6之一所述的一种二维纳米半导体材料掺杂方法，其特征在于，在基底上施加正向电场并对半导体材料进行紫外光照射，同时关闭UV和电场，紫外光照射到的半导体材料区域形成了稳定的n型场效应管。
8.根据权利要求1—6之一所述的一种二维纳米半导体材料掺杂方法，其特征在于，在基底上施加负向电场并对半导体材料进行紫外光照射，同时关闭UV和电场，紫外光照射到的半导体材料区域形成了稳定的p型场效应管。
9.根据权利要求1—6之一所述的一种二维纳米半导体材料掺杂方法，其特征在于，施加电压和紫外光照射的时间小于等于100ms。
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