[發明專利]一種基于二維半導體晶體的柵控PN結

有效

• 申請號: 201410265121.9
• 申請日: 2014-06-13
• 公開（公告）號: CN104078508B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 劉景全;郭杰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/423;H01L29/43
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及微電子與光電子領域，特別涉及一種基于二維半導體晶體的柵控PN結。

背景技術

單層MoS₂等二維層狀半導體晶體由于具有柔韌性好、透明度高、直接帶隙等優點，被認為是非常具有潛力的下一代光電材料。PN結是構成二極管、雙極型晶體管、光探測器件、發光二極管和太陽能電池等微電子、光電子器件的基本元件，因此在二維半導體晶體上形成PN結是構建復雜器件的第一步，與塊體材料相比，二維半導體晶體只有一個分子層厚，采用傳統的半導體摻雜辦法會使器件的性能退化。

基于二維半導體晶體的靜電摻雜理論，最近，BrittonW.H.Baugher等研究人員在題為Optoelectronic devices based on electrically tunable p–n diodes in a monolayer dichalcogenide(基于電場可調單層二硫化物PN結的光電子器件)(Nature nanotechnology9.4(2014):262-267)的文獻中提出了一種基于分離柵極的單層WSe₂PN結。該類器件中，單層WSe₂被放置在具有分離結構的柵電極的氧化層上。通過在分離的柵極上分別施加正負電壓，使得單層WSe₂中實現靜電摻雜，從而形成PN結。上述文獻中分別采用HfO₂作為柵介質層，器件的工作的電壓都非常高(大于10V)。

近來，一種以雙電層材料為柵介質的二維半導體晶體場效應晶體管引起了廣泛關注，這類器件的柵介質與溝道區的界面形成雙電層電容，該電容的厚度理論上僅為1nm，產生的電容比較大，通常比常規柵介質材料高出數倍甚至數十倍。由于其電容值很大，這類器件的工作電壓很低(1V-3V)。例如：Jo,Sanghyun等研究員在題為Mono-and Bi-layer WS₂Light-Emitting Transistors(Nano letters(2014))的文獻中提出了一種以離子液體為柵介質的單層和雙層WS2發光晶體管。當V_DS＜V_GS時，該器件等效于一個場效應晶體管，可以實現電子和空穴導電，其工作電壓小于3V；當V_DS＞V_GS時，溝道區會形成一個PN結。但是這類以離子液體或有機聚合物作為柵介質的器件存在以下缺點：(1)不能與傳統半導體工藝兼容，器件的穩定性差；(2)離子液或有機聚合物往往覆蓋在溝道區上方，因此不利于在光探測器、光電二極管等領域的應用；(3)器件形成的PN結不穩定，且PN結位置依賴于源漏電壓。

發明內容

針對現有技術存在的上述缺陷，本發明提供了一種與半導體工藝兼容的基于二維半導體晶體的柵控PN結。

本發明通過以下技術方案實現，本發明包括柵區、源區、漏區、溝道區和襯底，所述柵區位于所述溝道區的下方，所述柵區包括柵介質和柵電極，所述柵電極由兩個分離的第一柵電極和第二柵電極構成，所述源區和所述漏區位于所述溝道區的兩側，所述源區、所述漏區和所述柵區設置在所述襯底之上；所述柵介質為對電子絕緣、對離子導電的無機多孔材料，所述柵介質同時含有正、負兩種離子。

優選地，所述正離子為鋰離子、鈉離子、鎂離子、鉀離子、鈣離子中一種或多種。

優選地，所述負離子為氯離子、氫氧根離子中的一種或多種。

優選地，所述離子可以在電場作用下移動到柵介質與溝道區界面，形成雙電層電容，實現對溝道區的靜電摻雜。

優選地，所述無機多孔材料包括：SiO₂、Al₂O₃、WO₃、Ta₂O₅、HfO₂、ZnO₂、TiO₂。

優選地，所述的源區、漏區和所述柵電極材料為導體材料，包括Au、Pt、Ti、ITO。

優選地，所述襯底材料為絕緣材料，包括硅片、玻璃、石英、陶瓷、塑料、聚亞酰胺、聚對苯二甲酸乙二酯或特殊紙制材料。