CN112542473B - 一种光信号驱动的二维逻辑开关及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光信号驱动的二维逻辑开关及其制备方法，该开关包括：由衬底、二维二碲化钼和电极组成的光电晶体管、由电极和二维氮化硼组成的放大电阻、由衬底、二维二硫化钼和电极组成的逻辑晶体管以及由电极和二维氮化硼组成的逻辑电阻；其中，放大电阻两端并联到光电晶体管的源极和漏极，将光电晶体管输出的电流信号转换为电压信号，并起到放大作用，逻辑晶体管和逻辑电阻串联；光电晶体管产生的电信号，通过放大电阻以栅压的形式传递至逻辑晶体管的栅极，最终在逻辑晶体管的漏极输出电信号，实现光信号驱动的逻辑输出。本发明无需电流放大器，简化了制备工艺，并缩小了器件的体积。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电集成技术领域，特别涉及一种光信号驱动的二维逻辑开关及其制备方法。
背景技术
二十一世纪以来，世界已经全面进入电子信息时代。为了适应电子工业的巨大需求，半导体集成电路产业目前取得了长足的进步。二维材料及其相关器件异军突起，在新一代的光电器件中有着广泛的应用，如在光电探测器、逻辑器件、存储器等。因此，二维材料的制备及其相关器件构建技术一直是国际上的研究热点和各国主要竞争的技术领域之一。由于二维材料超高载流子迁移率，易整合性和宽带光吸收，被认为是下一代新型电子和光电子器件的候选材料。
目前，已经有很多基于二维材料光电晶体管构建的光电探测器，由晶体管构建的逻辑电路。但是逻辑电路通常以电信号作为输入信号，针对不同的电信号，进行不同的响应，以光信号作为输入信号的逻辑电路仍然面临很多挑战；同时针对光电探测器和逻辑电路的互联技术仍存在很多的问题。
光电场效应晶体管以电流的形式，将光信号转换为电信号，逻辑电路的输入信号通常为电压的形式，电流到电压转变的实现也存在很多问题。光电晶体管的输出电流通常很小，为微安级别，不能有效的作为输入信号被逻辑电路检测，通常选择加入电流放大器进行信号的放大，但是会增加器件的复杂程度，无需使用放大器直接将光电晶体管产生的输出信号传递给逻辑电路，存在很多的问题和挑战。
因此，有必要研究一种无需电流放大器实现光信号驱动的二维逻辑开关及其制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
本发明提供了一种光信号驱动的二维逻辑开关及其制备方法，以利用光电晶体管制备的光电探测器与逻辑电路互联，实现光信号驱动逻辑开关的作用。同时，通过并联电阻的方式，达到无需通过放大器，即可实现对光电探测器输出的电信号进行放大，并进一步传递给逻辑电路的效果。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种光信号驱动的二维逻辑开关，该光信号驱动的二维逻辑开关包括衬底和集成在所述衬底上的二维二碲化钼、第一电极、第二电极、放大电阻、第三电极、第四电极、第五电极、二维二硫化钼、第六电极、第七电极、逻辑电阻以及第八电极；
所述衬底、二维二碲化钼、第一电极和第二电极组成光电晶体管；其中，所述衬底用作所述光电晶体管的栅极，所述二维二碲化钼用作所述光电晶体管的沟道，所述第一电极和所述第二电极分别用作所述光电晶体管的源极和漏极；
所述第三电极和第四电极分别用作所述放大电阻的两个电极；其中，所述第一电极与所述第三电极电连接，所述第二电极与所述第四电极电连接；
所述衬底、第五电极、二维二硫化钼、第六电极和第七电极组成逻辑晶体管；其中，所述第五电极用作所述逻辑晶体管的栅极，所述二维二硫化钼用作所述逻辑晶体管的沟道，所述第六电极和第七电极分别用作所述逻辑晶体管的源极和漏极；所述第五电极与所述第三电极和第四电极分别电连接；
所述第七电极和第八电极分别用作所述逻辑电阻的两个电极。
其中，当二维二碲化钼在光照下时，通过所述光电晶体管的源极和漏极输出电流信号；所述放大电阻用于将所述光电晶体管产生的电流信号转换为电压信号，并起到信号放大的作用，所述逻辑晶体管的栅极通过所述放大电阻接收光电晶体管产生的电信号，最终在逻辑晶体管的漏极输出相应的逻辑电信号。
可选地，所述衬底为硅/二氧化硅绝缘衬底。
可选地，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、第七电极以及第八电极均为金金属电极。
可选地，所述放大电阻由二维氮化硼制成。
可选地，所述二维氮化硼的厚度为10nm～100nm，长度为10nm～20nm。
可选地，所述二维二碲化钼的厚度为3nm～30nm，长度为10nm～20nm。
可选地，所述二维二硫化钼的厚度为4nm～20nm，长度为10nm～20nm。
可选地，所述逻辑电阻由二维氮化硼制成。
另一方面，本发明还提供了一种上述的光信号驱动的二维逻辑开关的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：
步骤1：将衬底依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中分别超声清洗15分钟，将清洗后的衬底取出，吹干，得到处理后的衬底；
步骤2：将二维二碲化钼转移到处理后的衬底上；
步骤3：在二维二碲化钼附近5～7微米处，转移二维氮化硼，制备放大电阻；
步骤4：在放大电阻附近5～7微米处，制备第五电极；
步骤5：将二维二硫化钼转移到第五电极上方；
步骤6：在二维二硫化钼左侧附近5～7微米处，转移二维氮化硼，制备逻辑电阻；
步骤7：在衬底上蒸镀第一电极、第二电极，第三电极、第四电极，第六电极、第七电极以及第八电极，并蒸镀连接导线，将所述第一电极与所述第三电极电连接，所述第二电极与所述第四电极电连接，所述第五电极与所述第三电极和第四电极分别电连接，得到所述光信号驱动的二维逻辑开关。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明的二维逻辑开关通过将光电晶体管源极和漏极并联到逻辑电路晶体管底电极的方式，实现了光信号到电信号的传输；通过在光电晶体管源极和漏极两端并联大电阻的方式，实现了电流信号到电压信号的转变和电信号的放大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的光信号驱动的二维逻辑开关的结构示意图。
附图标记说明：
1、衬底；2、二维二碲化钼；3、第一电极；4、第二电极；5、放大电阻；
6、第三电极；7、第四电极；8、第五电极；9、二维二硫化钼；
10、第六电极；11、第七电极；12、逻辑电阻；13、第八电极；
14、连接导线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本实施例提供了一种光信号驱动的二维逻辑开关，该二维逻辑开关包括衬底1和集成在衬底1上的二维二碲化钼2、第一电极3、第二电极4、放大电阻5、第三电极6、第四电极7、第五电极8、二维二硫化钼9、第六电极10、第七电极11、逻辑电阻12以及第八电极13。
衬底1、二维二碲化钼2、第一电极3和第二电极4组成光电晶体管，该光电晶体管是一种场效应晶体管；其中，衬底1用于制备光电晶体管的栅极，二维二碲化钼2用作光电晶体管的沟道，第一电极3和第二电极4分别用作光电晶体管的源极和漏极；在光电晶体管的源极和漏极施加偏压的条件下，当二维二碲化钼2在光照下时，通过光电晶体管的源极和漏极，产生光生载流子的定向移动，从而产生电流信号，通过偏置电压调节光电晶体管的光生载流子的流动方向，从而产生光电流和暗电流。该光电晶体管的沟道宽度通过第一电极3与第二电极4之间的相对距离进行调节，二维二碲化钼2的厚度为3nm～30nm，长度为10nm～20nm，第一电极3和第二电极4的厚度均为50～80纳米。
放大电阻5由衬底1和二维氮化硼组成，第三电极6和第四电极7分别用作放大电阻5的两个电极，二维氮化硼的厚度为10nm～100nm，长度为10nm～20nm，第三电极6和第四电极7的厚度均为50～80纳米；其中，第一电极3与第三电极6电连接，第二电极4与第四电极7电连接；也即，该放大电阻5通过并联的方式，并联在光电晶体管的源极和光电晶体管的漏极的两端，该放大电阻5用于将光电晶体管产生的电流信号转换为电压信号，并且起到信号放大作用，将信号放大至后续逻辑电路的探测范围，其电阻值为1MΩ～1GΩ。
衬底1、第五电极8、二维二硫化钼9、第六电极10和第七电极11组成逻辑晶体管；其中，第五电极8位于二维二硫化钼9下方，用作逻辑晶体管的底栅电极，二维二硫化钼9用作逻辑晶体管的沟道，第六电极10和第七电极11分别用作逻辑晶体管的源极和漏极，第五电极8与第三电极6和第四电极7分别电连接；逻辑晶体管的结区宽度通过逻辑晶体管的源极和逻辑晶体管的漏极之间的相对距离进行调节，二维二硫化钼9的厚度为4nm～20nm,长度为10nm～20nm，第六电极10和第七电极11的厚度均为30～80纳米。
逻辑电阻12由衬底1和二维氮化硼组成，第七电极11和第八电极13分别用作逻辑电阻12的两个电极。也即，逻辑晶体管和逻辑电阻12通过逻辑晶体管的漏极实现串联，二者共用一个电极，组成逻辑电路。
光电晶体管通过将其源极和漏极并联到逻辑晶体管的栅极上，使光信号通过放大电阻5以栅压的形式传递至逻辑晶体管的栅极，最终在逻辑晶体管的漏极输出电压信号，实现光信号驱动的逻辑输出。
具体地，在本实施例中，上述衬底1为硅/二氧化硅绝缘衬底。上述第一电极3、第二电极4、第三电极6、第四电极7、第五电极8、第六电极10、第七电极11以及第八电极13均为金金属电极。本实施例通过金金属电极和金金属制备的连接导线14将光电晶体管的源极和漏极与放大电阻5的两端并联，同时，将光电晶体管的源极和漏极与逻辑晶体管的栅极进行并联，实现光电集成，最终实现光信号驱动的逻辑开关。
进一步地，上述逻辑开关的制备方法包括以下步骤：
步骤1：将衬底1依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中分别超声清洗15分钟，将清洗后的衬底取出，吹干，得到处理后的衬底1；
步骤2：通过精确转移将二维二碲化钼2转移到处理后的衬底1上；
步骤3：在二维二碲化钼2的附近5～7微米处，精准转移二维氮化硼，以制备放大电阻5；
步骤4：在二维氮化硼的附近5～7微米处，制备第五电极8，其长度为9～12微米，宽度为5微米；
步骤5：通过精确转移将二维二硫化钼9转移到第五电极8上方；
步骤6：在二维二硫化钼9左侧5～7微米处，转移二维氮化硼，制备逻辑电阻12；
步骤7：利用热蒸镀或电子束蒸镀在衬底1上蒸镀第一电极3、第二电极4，第三电极6、第四电极7，第六电极10、第七电极11以及第八电极13，并蒸镀连接导线14，将第一电极3与第三电极6电连接，第二电极4与第四电极7电连接，第五电极8与第三电极6和第四电极7分别电连接，得到上述逻辑开关。
综上，本实施例利用二碲化钼、硅/二氧化硅衬底、金金属电极制备了光电晶体管作为中红外光电探测器；利用二硫化钼、硅/二氧化硅衬底、金金属电极制备了逻辑电路晶体管，通过和氮化硼制备的电阻进行串联，制备成逻辑电路；利用逻辑电路晶体管的底电极，将光电晶体管输出的光电信号传输至逻辑电路中，同时，通过将氮化硼放大电阻并联在光电晶体管两端，实现了电流信号至电压信号的转换，并起到放大电信号的作用，实现了光信号驱动的逻辑开关。其中，二维二碲化钼在偏压下，通过光照来调控光电探测的电流，进一步调控逻辑电路的输出信号，起到光信号控制逻辑运算的功能。本实施例通过金金属互联的形式，将光电晶体管，放大电阻，逻辑电路实现并联连接。通过光电集成的方式简化了制备工艺，并缩小了器件的体积。
此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
Claims (7)
1.一种光信号驱动的二维逻辑开关，其特征在于，包括衬底和集成在所述衬底上的二维二碲化钼、第一电极、第二电极、放大电阻、第三电极、第四电极、第五电极、二维二硫化钼、第六电极、第七电极、逻辑电阻以及第八电极；
所述衬底、二维二碲化钼、第一电极和第二电极组成光电晶体管；其中，所述衬底用作所述光电晶体管的栅极，所述二维二碲化钼用作所述光电晶体管的沟道，所述第一电极和所述第二电极分别用作所述光电晶体管的源极和漏极；
所述第三电极和第四电极分别用作所述放大电阻的两个电极；其中，所述第一电极与所述第三电极电连接，所述第二电极与所述第四电极电连接；所述放大电阻由二维氮化硼制成；
所述衬底、第五电极、二维二硫化钼、第六电极和第七电极组成逻辑晶体管；其中，所述第五电极用作所述逻辑晶体管的栅极，所述二维二硫化钼用作所述逻辑晶体管的沟道，所述第六电极和第七电极分别用作所述逻辑晶体管的源极和漏极；
所述第七电极和第八电极分别用作所述逻辑电阻的两个电极；所述逻辑电阻由二维氮化硼制成；
当所述二维二碲化钼在光照下时，通过所述光电晶体管的源极和漏极输出电流信号；所述放大电阻用于将所述光电晶体管产生的电流信号转换为电压信号，并起到信号放大的作用，所述逻辑晶体管的栅极通过所述放大电阻接收所述光电晶体管产生的电信号，最终在所述逻辑晶体管的漏极输出相应的逻辑电信号。
2.如权利要求1所述的光信号驱动的二维逻辑开关，其特征在于，所述衬底为硅/二氧化硅绝缘衬底。
3.如权利要求1所述的光信号驱动的二维逻辑开关，其特征在于，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、第七电极以及第八电极均为金金属电极。
4.如权利要求1所述的光信号驱动的二维逻辑开关，其特征在于，所述二维氮化硼的厚度为10nm~100nm，长度为10nm~20nm。
5.如权利要求1所述的光信号驱动的二维逻辑开关，其特征在于，所述二维二碲化钼的厚度为3nm~30nm，长度为10nm~20nm。
6.如权利要求1所述的光信号驱动的二维逻辑开关，其特征在于，所述二维二硫化钼的厚度为4nm～20nm，长度为10nm~20nm。
7.一种如权利要求1~6任一项所述的光信号驱动的二维逻辑开关的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1：将衬底依次放入丙酮、乙醇、去离子水三种溶液中分别超声清洗15分钟，将清洗后的衬底取出，吹干，得到处理后的衬底；
步骤2：将二维二碲化钼转移到处理后的衬底上；
步骤3：在二维二碲化钼附近5~7微米处，转移二维氮化硼，制备放大电阻；
步骤4：在放大电阻附近5~7微米处，制备第五电极；
步骤5：将二维二硫化钼转移到第五电极上方；
步骤6：在二维二硫化钼左侧附近5~7微米处，转移二维氮化硼，制备逻辑电阻；
步骤7：在衬底上蒸镀第一电极、第二电极，第三电极、第四电极，第六电极、第七电极以及第八电极，并蒸镀连接导线，得到所述光信号驱动的二维逻辑开关。
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