CN117832259A - 基于p型二维材料和异质n型金刚石的pn结及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结及其制备方法，首先准备异质衬底；然后采用MPCVD工艺，在异质衬底上外延多晶纳米金刚石，得到异质外延的N型纳米金刚石层；之后在N型纳米金刚石层上制备P型二维材料层，得到P型二维材料和N型金刚石复合的PN结。所述N型纳米金刚石层包括异质衬底和制备于异质衬底上的纳米金刚石，所述纳米金刚石包括多晶金刚石和分散多晶金刚石之间间隙处的碳材料，多晶金刚石的晶粒尺寸为纳米级，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异不超过25％。本发明相比现有材料制成的PN结能够承受更大的电压、产生更小的漏电流，形成更好的导通与截止性质。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，具体涉及一种基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结及其制备方法。
背景技术
PN结是各种半导体器件的基础，如整流二极管、稳压二极管、发光二极管、结型场效应管和绝缘栅场效应管等，其广泛应用了PN结的单向导通性能、击穿特性和光电效应等。在硅基半导体中，PN结受到禁带宽度等材料性质，在高速、高功率器件中已经不能满足性能需求。
金刚石是一种具有宽禁带(～5.5eV)、高热导率(20W/cm·K)、高击穿场强、高化学稳定性的半导体材料。其电子迁移率约是Si的电子迁移率3倍，空穴迁移率则是Si空穴迁移率的4倍。由于其优异的性能，甚至可以应用于高温、辐射等极端环境。在电子器件领域，金刚石将拥有广阔的应用前景。虽然P型金刚石半导体已经较为成熟，但是N型掺杂的缺失使得金刚石PN结迟迟不能实现，作为“终极半导体”的金刚石的优异性质迟迟不能在器件中得到应用。二维材料具有低维材料独有的新奇性质，其电子的量子行为与块状材料截然不同，如超高的载流子迁移率、载流子表现出独特的狄拉克费米子行为、反常量子霍尔效应、Klein隧穿效应等众多特异的物理性质，使用同质或异质二维材料形成PN结可以显著提高各种光电器件的性能，如应用于太阳能电池、发光二极管和光电探测器等。
发明内容
针对以上问题，本发明的提出了一种基于异质结构N型纳米金刚石的金刚石基PN结及其制备方法，具体的说是通过构建异质结构的纳米金刚石形成N型导电，再通过外延P型二维材料，最终形成金刚石基PN结。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结，包括堆叠设置的N型纳米金刚石层和P型二维材料层，所述N型纳米金刚石层包括异质衬底和制备于异质衬底上的纳米金刚石，所述纳米金刚石包括多晶金刚石和分散多晶金刚石之间间隙处的碳材料，多晶金刚石的晶粒尺寸为纳米级，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异不超过25％。
本发明原理如下：
本发明利用异质衬底对纳米金刚石产生极化作用和界面应变使得界面处的多晶金刚石产生N型导电性质，提供了较高的电子浓度和一定的电子迁移率。而存在于纳米金刚石间的非晶碳、石墨烯、石墨相等碳材料则促进了结构的电子迁移率，使得本发明同时兼具高电子浓度和高电子迁移率；配合P型二维材料的本身特性-高载流子迁移率，能进一步弥补N型金刚石电子迁移率相对不高的问题，使得本发明制备的PN具有优异的性能，能够充分发挥金刚石和P型二维材料层各自的特性。能够承受更大的电压、产生更小的漏电流，形成更好的导通与截止性质。
优选地，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异为5-25％。
优选地，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异为5-10％。
优选地，所述碳材料包括非晶碳、石墨烯、石墨相中的任意一种或几种组合。
优选地，所述P型二维材料层的基体材料为MoS2、VS2、CoS2、TiS2、WS2中的任意一种。
另一方面，本发明提供一种权利要求所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结的制备方法，包括以下步骤：
准备异质衬底；
采用MPCVD工艺，在异质衬底上外延多晶纳米金刚石，得到异质外延的N型纳米金刚石层；
在N型纳米金刚石层上制备P型二维材料层，得到P型二维材料和N型金刚石复合的PN结。
优选地，所述异质衬底包括AlN、Ga2O3、GaN中的任意一种。
优选地，外延多晶纳米金刚石时，外延参数如下：
温度为750～900℃，微波功率为3.7～6.0kW，压强为160～210mbar，刻蚀气体流量为200～550sccm，碳源气体浓度为4％～8％。
优选地，所述N型纳米金刚石层厚度为5nm～500nm。
优选地，采用CVD工艺外延制备钨元素掺杂MoS2形成的P型二维材料层。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明构建了金刚石和二维材料复合的PN结。由于金刚石的超宽禁带、高击穿场强等性质，二维材料具有低维材料独有的性质，使得由N型金刚石与P型二维材料构成的PN结，能够发挥各自材料的最大优势，规避各自缺陷，相比现有材料制成的PN结能够承受更大的电压、产生更小的漏电流，形成更好的导通与截止性质。
附图说明
图1为本发明基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结示意图。
图2为本发明实施例中纳米金刚石的结构示意图。
图3为本发明实施例中基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结制备流程图。
图4为本发明实施例中基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结制备过程图。
100-N型纳米金刚石层，110-异质衬底，120-纳米金刚石，121-多晶金刚石，122-碳材料，200-P型二维材料层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结，包括堆叠设置的N型纳米金刚石层100和P型二维材料层200，所述N型纳米金刚石层100包括异质衬底110和制备于异质衬底110上的纳米金刚石120，所述纳米金刚石120包括多晶金刚石121和分散多晶金刚石121之间间隙处的碳材料122，多晶金刚石121的晶粒尺寸为纳米级，所述异质衬底110的晶格常数与多晶金刚石121的晶格常数差异不超过25％。
本发明利用异质衬底110对纳米金刚石120产生极化作用和界面应变作用使得界面处的多晶金刚石121产生N型导电性质，提供了较高的电子浓度和一定的电子迁移率。而存在于纳米金刚石120间的非晶碳、石墨烯、石墨相等碳材料122则促进了结构的电子迁移率，使得本发明同时兼具高电子浓度和高电子迁移率；配合P型二维材料的本身特性-高载流子迁移率，能进一步弥补N型金刚石电子迁移率相对不高的问题，使得本发明制备的PN具有优异的性能，能够充分发挥金刚石和P型二维材料层200各自的特性。能够承受更大的电压、产生更小的漏电流，形成更好的导通与截止性质。
在一些实施例中，所述异质衬底110的晶格常数与多晶金刚石121的晶格常数差异为5-25％。本发明利用异质衬底110对表面纳米金刚石120的应变作用使得纳米金刚石120产生了N型导电，所以选择衬底晶格常数差异在5-25％之间。超过25％外延的多晶金刚石121质量较差，不利于N型导电，小于5％，产生的界面应变太小，对导电性改变不大。选择合适晶格常数差异，使得容易在异质衬底110上生长出多晶金刚石121，能同时兼具较好导电性和高质量金刚石。
在一些实施例中，所述异质衬底110的晶格常数与多晶金刚石121的晶格常数差异可以进一步优选为5-10％，以提供更好电性能的PN结。
在一些实施例中，所述碳材料122包括非晶碳、石墨烯、石墨相中的任意一种或几种组合，实际上具体类型不限，能够提供良好的电子供体即可。
在一些实施例中，所述多晶金刚石121的晶畴尺度为5nm～100nm，也就是多晶金刚石121的颗粒尺度为5nm～100nm，具体实际应用中可以用等效直径，长度等表征手段表达。
所述P型二维材料层200的材料类型不限，基体材料为MoS2、VS2、CoS2、TiS2、WS2中的任意一种，比如MoS2基体材料通过掺杂钨元素形成P型二维材料层200。
本发明还提供一种基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结的制备方法，包括以下步骤：
S100、准备异质衬底110；
S200、采用MPCVD工艺，在异质衬底110上外延多晶纳米金刚石120，得到异质外延的N型纳米金刚石层100；
S300、在N型纳米金刚石层100上制备P型二维材料层200，得到P型二维材料和N型金刚石复合的PN结。
步骤S100中，异质衬底110厚度根据需要进行选择，一般常用器件，可以选择10nm-1mm。异质衬底110的尺寸根据需要选择，比如进行实验性质的PN结制备，可以选择尺寸为7mm×7mm×0.25mm的异质衬底110。
在一些实施例中，所述异质衬底110包括AlN、Ga2O3、GaN中的任意一种。这些异质衬底110满足上述晶格常数差异要求，也能生长良好性能的多晶金刚石121。
步骤S200中，在异质衬底110上外延N型纳米金刚石120的具体步骤如下：
S210、对异质衬底110进行表面清洁处理；
S220、在异质衬底110上制备金刚石籽晶；
S230、将异质衬底110置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体和碳源气体，调整外延参数生长多晶金刚石121，在生长多晶金刚石121的同时伴随碳材料122生成，形成多晶金刚石121和碳材料122交替分布的N型纳米金刚石120，如图所示，N型纳米金刚石120在异质衬底110的界面作用下形成N型纳米金刚石层100。
在步骤S210中，对异质衬底110进行表面清洁处理包括酸处理、有机溶剂清洗、去离子水清洗和干燥。所述酸处理包括硫酸加热处理、盐酸加热处理，等强酸腐蚀处理。所述有机溶剂清洗包括丙酮、无水乙醇等清洗，所述干燥包括用氮气吹干等常温快速干燥。
上述清洗处理酸处理是必须以外，其他根据清洁程度选择，当清洁程度满足要求时无需进行，如果不满足要求，可以增加清洗次数或者更好清洗液。
本发明提供一种可操作性的示例性说明如下：
将异质衬底110放入浓硫酸溶液煮30分钟；再依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水，各超声15分钟，最后用氮气吹干。
在步骤S220中，所述金刚石籽晶通过超声波技术打入异质衬底110表面内。所述金刚石籽晶的颗粒尺寸级别为微米或者纳米级，具体操作方式是将金刚石籽晶置于异质衬底110表面，以空气或者液体作为介质，采用超声波正对异质衬底110产生高频振动，使产生朝向金刚石的力，使得金刚石籽晶嵌入异质衬底110表面内。
在步骤S230中，制备的N型纳米金刚石层100的厚度根据器件类型进行选择，一般可以选择5～500nm。
外延纳米金刚石120时，所述刻蚀气体包括氢气、氩气、氧气及其混合气体。
所述碳源气体包括甲烷、乙醇蒸汽、丙酮蒸汽和二氧化碳中的任意一种。
以氢气作为刻蚀气体，以甲烷作为碳源气体，本发明提供一种可操作性的外延参数如下：
MPCVD工艺在温度为750～900℃，微波功率为3.7～6.0kW，压强为160～210mbar，氢气流量为200～550sccm，甲烷浓度为4％～8％。
S300、在N型纳米金刚石层100上制备P型二维材料层200，P型二维材料层200的基体材料为MoS2、VS2、CoS2、TiS2、WS2中的任意一种，掺杂元素采用钨元素，制备厚度一般为5nm～200nm。
P型二维材料层200一般采用CVD工艺制备，以CVD工艺外延掺杂钨元素的二硫化钼作为P型二维材料层200为例，本案提供一种示例性的操作方法如下：
将多孔MoO3和硫磺粉分别加热至850～950℃和180～240℃，反应腔室气压为760～830mbar，载气为氩气，沉积厚度为5nm～200nm。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结，其特在于，包括堆叠设置的N型纳米金刚石层和P型二维材料层，所述N型纳米金刚石层包括异质衬底和制备于异质衬底上的纳米金刚石，所述纳米金刚石包括多晶金刚石和分散多晶金刚石之间间隙处的碳材料，多晶金刚石的晶粒尺寸为纳米级，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异不超过25％。
2.根据权利要求1所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结，其特在于：所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异为5-25％。
3.根据权利要求2所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结，其特在于：所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异为5-10％。
4.根据权利要求1所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结，其特在于：所述碳材料包括非晶碳、石墨烯、石墨相中的任意一种或几种组合。
5.根据权利要求1所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结，其特在于：所述P型二维材料层的基体材料为MoS2、VS2、CoS2、TiS2、WS2中的任意一种。
6.一种权利要求1-5任意一项所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结的制备方法，其特在于，包括以下步骤：
准备异质衬底；
采用MPCVD工艺，在异质衬底上外延多晶纳米金刚石，得到异质外延的N型纳米金刚石层；
在N型纳米金刚石层上制备P型二维材料层，得到P型二维材料和N型金刚石复合的PN结。
7.一种权利要求6所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结的制备方法，其特在于，所述异质衬底包括AlN、Ga2O3、GaN中的任意一种。
8.一种权利要求6所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结的制备方法，其特在于，外延多晶纳米金刚石时，外延参数如下：
温度为750～900℃，微波功率为3.7～6.0kW，压强为160～210mbar，刻蚀气体流量为200～550sccm，碳源气体浓度为4％～8％。
9.一种权利要求6所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结的制备方法，其特在于，所述N型纳米金刚石层厚度为5～500nm。
10.一种权利要求6所述基于P型二维材料和异质N型金刚石的PN结的制备方法，其特在于，采用CVD工艺外延制备的P型二维材料层。
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| CN202311854735.6A CN117832259A (zh) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | 基于p型二维材料和异质n型金刚石的pn结及其制备方法 |
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2023
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