CN115863176A - 一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法 - Google Patents
一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115863176A CN115863176A CN202211668435.4A CN202211668435A CN115863176A CN 115863176 A CN115863176 A CN 115863176A CN 202211668435 A CN202211668435 A CN 202211668435A CN 115863176 A CN115863176 A CN 115863176A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ions
- dimensional material
- dimensional
- low
- energy ion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明属于纳米材料技术领域，公开了一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p‑n同质结的方法。机械剥离得到少层二维材料，旋涂PMMA覆盖材料作为掩模层。利用电子束曝光和显影，暴露二维材料的选定区域，未暴露区域仍由PMMA覆盖。使用低能离子注入技术将掺杂离子注入到暴露的二维材料中，丙酮处理后获得横向p‑n同质结。快速热退火处理以修复注入带来的晶格损伤并激活掺杂离子。本发明通过低能离子注入对少层二维材料进行空间选区掺杂，成功实现对二维材料导电类型的调控，使其导电类型反转，并以此构建了二维横向p‑n同质结，此方法掺杂浓度和深度可控、掺杂面积均匀、掺杂过程无污染、掺杂元素种类丰富，为二维半导体空间选区掺杂改性提供了一条有效途径。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，纳米科技领域被带到公众的视线中，纳米尺度的材料表现出许多优异的性能，在能源、传感器、催化、光电器件、生物领域得到了广泛的应用。自2004年石墨烯被发现以来，便掀起了研究二维材料的热潮。其中二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)因其宽的可调带隙、原子尖锐界面和强的光-物质相互作用等，在下一代高性能光电器件中表现出巨大的应用潜力。尽管如此，研究者们并不满足于单一材料的单一物理性质，他们致力于构建各种二维p-n结来设计更多的功能型器件。而横向p-n结由于其两种不同导电类型的材料是通过共价键无缝连接的，从而确保了干净的异质结界面。此外，横向p-n结可以实现大规模和大面积的生产，这是垂直p-n结所无法实现的，因此研究制备横向p-n结是十分重要的。化学气相沉积外延生长通常用来制备横向p-n异质结，由于异质结的晶格失配和不连续的能带排列，使得异质界面处存在大量的载流子散射和陷阱中心，而同质结无晶界且具有连续的能带排列，因而更有利于载流子在界面处的传输和分离。空间选区掺杂有望构建横向p-n同质结，比如化学溶剂掺杂，此方法工艺简单、操作方便，但是存在二次杂质污染和掺杂的不可控性；表面电荷转移，可以调控载流子的类型和浓度，但是掺杂效果不稳定；等离子体处理，尽管避免了杂质污染，但是掺杂元素通常限于气体，并且掺杂深度和浓度缺乏控制。这些方法都有其独特的优势，但也存在着一些不足的问题需要去解决。
发明内容
针对目前对二维材料的空间选区掺杂构建横向p-n同质结上存在的问题，本发明提出一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法，这种方法无需高温环境，且掺杂离子纯度高、掺杂元素丰富、掺杂面积均匀、掺杂浓度和掺杂深度精确可控。
本发明的思路是：通过机械剥离的方法剥离得到少层二维材料，旋涂PMMA覆盖材料作为掩模层。利用电子束曝光和显影过程，暴露少层二维材料的选定区域，未暴露区域仍由PMMA覆盖。使用低能离子注入技术将掺杂离子有效地注入到暴露的少层二维材料中。丙酮处理后，获得横向p-n同质结。最后，快速热退火处理以修复低能离子注入带来的晶格损伤并激活掺杂离子。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法，所包括的具体步骤如下：
(1)通过机械剥离的方法剥离得到少层二维材料；
(2)在少层二维材料表面旋涂掩模层；
(3)暴露少层二维材料的选定区域，未暴露区域仍由掩模层覆盖；
(4)使用低能离子注入技术将掺杂离子有效地注入到暴露的少层二维材料中；
(5)去除掩模层，获得了二维无缝横向p-n同质结；
(6)快速热退火处理以修复由低能离子注入带来的晶格损伤并激活掺杂离子。
上述方法中，离子注入能量较低，在该能量下，注入离子的最大投射范围小于少层二维材料的厚度，使得注入离子能够停留在二维材料中，达到掺杂的目的。
对于n型半导体材料来说，掺杂离子可以是与低能离子注入机适配的任何受主掺杂离子束；对于p型半导体材料来说，掺杂离子可以是与低能离子注入机适配的任何施主掺杂离子束。
优选的，步骤(4)使用低能离子注入技术将掺杂离子有效地注入并停留在暴露的少层二维材料中，以实现导电类型反型。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述少层二维材料为二维过渡金属硫族化合物，其化学式为MX2，其中M代表过渡金属元素，包含W、Mo、Sn等，X代表硫族原子，包含S、Se等。优选的，所述MX2为WS2、WSe2、SnS2或MoS2。
作为本发明优选的技术方案，当所述MX2为WS2、WSe2或SnS2时，步骤(4)利用低能离子束对少层二维材料进行掺杂，可以是氮离子束，其注入能量为300eV，注入剂量为x，1×1012ions/cm2≤x＜1×1015ions/cm2；优选的，1×1014ions/cm2≤x＜1×1015ions/cm2；更优选的，x＝1×1014ions/cm2。
作为本发明优选的技术方案，当所述MX2为MoS2，步骤(4)利用低能离子束对少层二维材料进行掺杂，可以是氮离子束，其注入能量为300eV，注入剂量为y，1×1012ions/cm2≤y＜1×1016ions/cm2；优选的，1×1015ions/cm2≤y＜1×1016ions/cm2；更优选的，y＝1×1015ions/cm2。
优选的，步骤(1)所述MX2位于300nm SiO2/Si基底上。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)中的掩模层的厚度需要大于注入离子的最大投射范围，可以由srim软件通过模拟注入能量与注入离子分布的关系来确定。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)中的掩模层为PMMA或光刻胶。
所述步骤(2)中掩模层为PMMA时，步骤(3)用于暴露少层二维材料选定区域的方法可以是利用电子束曝光(EBL)和显影过程，步骤(5)可以用丙酮去除掩模层；
所述步骤(2)中掩模层为光刻胶时，步骤(3)用于暴露二维材料选定区域的方法可以是紫外光刻和显影过程，步骤(5)可以用丙酮去除掩模层。
所述PMMA的旋涂参数为：600转/分钟，6秒；4000转/分钟，60秒；加热台用150℃加热5分钟使PMMA固化。
作为本发明优选的技术方案，步骤(6)所述的快速热退火处理，其退火温度为400℃，退火时间为10min，退火保护气为N2。退火温度过低或退火时间过短可能造成掺杂离子激活不足，退火温度过高或退火时间过长可能造成更多的缺陷，降低器件性能。
本发明利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法，具有以下优点，主要表现在：(1)低能离子注入是一种与工业集成电路相兼容的空间选区掺杂的方法；(2)低能离子注入可以实现精准的掺杂深度和掺杂浓度，实验可重复性高；(3)无需高温环境，且掺杂离子纯度高，掺杂元素丰富；(4)低能离子束能量更低，注入深度更浅，能够让注入离子停留在二维材料的晶格当中且不会造成高密度的缺陷；(5)利用低能离子束可以实现空间选区n型或p型掺杂。
附图说明
图1为本发明实施例1的流程图。
图2为srim软件模拟低能氮离子在WS2中的投射范围图像。在注入能量为300eV时，离子浓度峰值深度约为1.8nm。
图3为实施例1的横向WS2p-n同质结的光学显微镜图像。
图4为实施例1的横向WS2p-n同质结的原子力显微镜图像。其中WS2侧的厚度约为5nm，低能氮离子注入后得到N-WS2侧的厚度也约为5nm。
图5为实施例1、2、3的低能氮离子注入WS2、WSe2、SnS2前后的传输特性曲线(室温)。原始WS2、WSe2、SnS2均表现出n型导电。其中：图5(a)为实施例1的WS2样品；图5(b)为实施例2的WSe2样品；图5(c)为实施例3的SnS2样品。1×1014ions/cm2剂量注入后三者的导电类型均从n型转变为p型。
图6为实施例4的低能氮离子注入MoS2前后的传输特性曲线(室温)。原始MoS2表现出n型导电，1×1015ions/cm2剂量注入后其导电类型从n型转变为p型。
图7为实施例1的低能氮离子调整注入剂量分别为1×1012ions/cm2、1×1013ions/cm2、1×1015ions/cm2注入WS2前后的传输特性曲线(室温)。原始WS2均表现出n型导电。其中：图7(a)是剂量为1×1012ions/cm2的低能氮离子注入WS2前后的传输特性曲线，较低的注入剂量只能使器件的阈值电压右移，实现弱p型掺杂；图7(b)是剂量为1×1013ions/cm2的低能氮离子注入WS2前后的传输特性曲线，注入后，器件的导电类型从n型转变为双极型；图7(c)是剂量为1×1015ions/cm2的低能氮离子注入WS2前后的传输特性曲线，注入后，器件的导电类型从n型转变为p型，但此剂量下器件的关态特性不能很好地被栅极控制，器件失效。
具体实施方式
下面申请人结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法，其流程图如图1所示，具体步骤为：
准备好若干1cm×1cm的覆盖了300nmSiO2层的Si衬底(即300nm SiO2/Si衬底)，依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗10分钟，用氮气枪吹干作为备用衬底。利用机械剥离的方法将块体WS2剥离成少层WS2，并利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜将少层WS2转移到事先准备好的300nm SiO2/Si衬底上。在光学显微镜下找到均匀、面积较大的少层WS2薄膜，并拍照保存备用，同时在纸上标记所选材料的位置。标记完之后在带有WS2材料的SiO2/Si衬底上旋涂PMMA覆盖材料作为掩模层。需要说明的是，掩模层的厚度需要大于注入离子的最大投射范围，由srim软件通过模拟注入能量与注入离子分布的关系来确定，在本实施例中，氮离子的最大投射范围为5nm，因此掩模层的厚度需在5nm以上。PMMA的旋涂参数为：600转/分钟，6秒；4000转/分钟，60秒；加热台用150℃加热5分钟使PMMA固化。接下来利用DesignCAD画图软件把所选材料上需要曝光的区域画出来。将样品放入电子束曝光机中利用电子束曝光(EBL)把所选材料的目标区域进行曝光，在显影液显影之后，目标区域的材料便暴露出来了，而材料上未暴露的区域还被PMMA所覆盖。随后，把样品放入低能离子注入机中执行注入过程，注入的离子束为氮离子束，注入能量为300eV，注入剂量为1×1014ions/cm2。最终WS2样品的暴露区域因注入了氮离子而呈现出p型导电，而被掩模层覆盖的区域因未注入氮离子而依旧表现出n型导电。用丙酮将残留的PMMA除去之后，便得到了横向WS2 p-n同质结。最后，在管式退火炉中进行快速热退火处理，用以修复低能离子注入带来的晶格损伤并激活注入的掺杂离子，其退火保护气为N2，退火温度为400℃，退火时间为10min。
本实施例实现了通过低能离子注入对二维材料的空间选区掺杂，成功实现了低能氮离子对WS2导电类型的调控，使其导电类型从n型转变为p型导电，并以此构建了横向WS2p-n同质结。
实施例2：一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法，参照实施例1，区别在于，本实施例中，二维材料为机械剥离得到的少层WSe2。其他具体条件和参数与实施例1相同。
本实施例成功实现了低能氮离子对WSe2导电类型的调控，使其导电类型从n型转变为p型导电，并以此构建了横向WSe2 p-n同质结。
实施例3：一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法，参照实施例1，区别在于，本实施例中，二维材料为机械剥离得到的少层SnS2。其他具体条件和参数与实施例1相同。
本实施例成功实现了低能氮离子对SnS2导电类型的调控，使其导电类型从n型转变为p型导电，并以此构建了横向SnS2 p-n同质结。
实施例4：一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法，参照实施例1，区别在于，本实施例中，二维材料为机械剥离得到的少层MoS2，低能氮离子的注入剂量为1×1015ions/cm2。其他具体条件和参数与实施例1相同。
本实施例成功实现了低能氮离子对MoS2导电类型的调控，使其导电类型从n型转变为p型导电，并以此构建了横向MoS2 p-n同质结。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细。并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)通过机械剥离的方法剥离得到少层二维材料；
(2)在少层二维材料表面旋涂掩模层；
(3)暴露少层二维材料的选定区域，未暴露区域仍由掩模层覆盖；
(4)使用低能离子注入技术将掺杂离子有效地注入到暴露的少层二维材料中；
(5)去除掩模层，获得二维无缝横向p-n同质结；
(6)快速热退火处理以修复由低能离子注入带来的晶格损伤并激活掺杂离子。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于n型半导体材料来说，掺杂离子是与低能离子注入机适配的任何受主掺杂离子束；对于p型半导体材料来说，掺杂离子是与低能离子注入机适配的任何施主掺杂离子束。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(4)使用低能离子注入技术将掺杂离子有效地注入并停留在暴露的少层二维材料中，以实现导电类型反型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述少层二维材料为二维过渡金属硫族化合物，其化学式为MX2，其中M代表过渡金属元素，X代表硫族原子；优选的，所述MX2为WS2、WSe2、SnS2或MoS2。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述MX2为WS2、WSe2或SnS2，利用低能离子束对少层二维材料进行掺杂，其注入能量为300eV，注入剂量为x，1×1012ions/cm2≤x＜1×1015ions/cm2；优选的，1×1014ions/cm2≤x＜1×1015ions/cm2；更优选的，x＝1×1014ions/cm2；
当所述MX2为MoS2，利用低能离子束对少层二维材料进行掺杂，其注入能量为300eV，注入剂量为y，1×1012ions/cm2≤y＜1×1016ions/cm2；优选的，1×1015ions/cm2≤y＜1×1016ions/cm2；更优选的，y＝1×1015ions/cm2。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用低能离子束为氮离子束。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩模层选自PMMA或光刻胶；和/或；
用于暴露少层二维材料选定区域的方法为电子束曝光或紫外光刻。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述PMMA的旋涂参数为：600转/分钟，6秒；4000转/分钟，60秒；加热台用150℃加热5分钟使PMMA固化。
9.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述的快速热退火处理，其退火温度为400℃，退火时间为10min，退火保护气为N2。
10.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述少层二维材料位于300nm SiO2/Si基底上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211668435.4A CN115863176A (zh) | 2022-12-23 | 2022-12-23 | 一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211668435.4A CN115863176A (zh) | 2022-12-23 | 2022-12-23 | 一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115863176A true CN115863176A (zh) | 2023-03-28 |
Family
ID=85654487
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211668435.4A Pending CN115863176A (zh) | 2022-12-23 | 2022-12-23 | 一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115863176A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117116772A (zh) * | 2023-10-19 | 2023-11-24 | 江苏集创原子团簇科技研究院有限公司 | 一种基于团簇离子注入的二维材料掺杂方法 |
-
2022
- 2022-12-23 CN CN202211668435.4A patent/CN115863176A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117116772A (zh) * | 2023-10-19 | 2023-11-24 | 江苏集创原子团簇科技研究院有限公司 | 一种基于团簇离子注入的二维材料掺杂方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kammler et al. | Lateral control of self-assembled island nucleation by focused-ion-beam micropatterning | |
| CN103359722B (zh) | 石墨烯纳米窄带的制备方法 | |
| CN101911250A (zh) | 利用粒子束的薄膜材料处理方法 | |
| CN115863176A (zh) | 一种利用低能离子注入掺杂构建二维横向p-n同质结的方法 | |
| CN108091699B (zh) | 基于柔性衬底底栅结构的MoS2TFT器件及制备方法 | |
| CN106276873B (zh) | 一种制备锗基石墨烯纳米孔的方法 | |
| CN111463290B (zh) | 基于MoS2的同质结结型场效应管及其制备方法 | |
| CN108648992B (zh) | 一种氧化锌石墨烯场效应管的制备方法 | |
| CN110634958B (zh) | 一种不稳定的二维材料的半导体薄膜场效应管及其制备方法 | |
| CN108475014B (zh) | 感光性树脂组合物和半导体设备制造方法 | |
| CN112687737A (zh) | 一种水平同质结双极性晶体管及其制备方法 | |
| CN103839835A (zh) | 一种基于石墨烯场效应管的微区加热方法及结构 | |
| US20170309484A1 (en) | Carbon Vacancy Defect Reduction Method for SiC | |
| KR101411332B1 (ko) | 금속산화물나노선의 이온주입 성장방법 및 이를 이용한 금속산화물나노선 패턴 소자 | |
| CN104894639A (zh) | 一种基于石墨烯场效应管微区加热的原位生长材料的方法 | |
| KR20110042782A (ko) | 그래핀 제조방법 | |
| CN107359127B (zh) | 蓝宝石衬底的Fe掺杂自旋场效应晶体管及其制造方法 | |
| US11948983B2 (en) | Method for preparating SiC ohmic contact with low specific contact resistivity | |
| TW202226915A (zh) | 形成圖案化之材料層之方法 | |
| CN107128900A (zh) | 一种制备富勒烯/半导体异质结的方法 | |
| CN111333058A (zh) | 单层石墨烯的双面掺杂及多层石墨烯的双侧掺杂方法 | |
| JPH0319218A (ja) | Ｓｏｉ基板の作成方法及び作成装置 | |
| CN110620043B (zh) | 一种不稳定的二维材料的半导体薄膜场效应管的制备方法 | |
| CN108640091A (zh) | 一种化学气相沉积法制备二硒化钽纳米片的方法 | |
| CN112859514B (zh) | 一种图案化转移石墨炔薄膜的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |