[發明專利]單層氟化石墨烯的肖特基二極管及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110480133.3
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113192835B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 王海東;朱虹鑫;謝思齊;趙帥伊;周要洪
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L21/329
• 分類號: H01L21/329;H01L21/28;H01L21/04;H01L29/06;H01L29/16;H01L29/167;H01L29/47;H01L29/872
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 肖陽

本發明公開了單層氟化石墨烯的肖特基二極管及其制備方法和應用。該方法采用復合刻蝕工藝，在硅襯底上形成深溝槽，使整個單層石墨烯二極管器件懸浮在該溝槽之上，同時在其上制備金屬電極；并且，通過二氟化氙(XeF₂)氣體將石墨烯氟化并打開電子能帶帶隙，在懸空部分形成穩定的氟碳原子共價鍵，并在金屬電極和氟化石墨烯界面形成肖特基勢壘，引發二極管效應。采用該方法既能避免半導體襯底對肖特基二極管器件厚度的影響以及因半導體襯底的摻雜/雜質或缺陷對肖特基二極管器件性能產生的負面影響，又能使肖特基二極管具有響應頻率高、電子遷移速率高等優點，對微納尺度下集成電路的發展有重要意義。

技術領域

本發明屬于二維納米材料電子器件領域，具體而言，涉及單層氟化石墨烯的肖特基二極管及其制備方法和應用。

背景技術

肖特基二極管又稱肖特基勢壘二極管(SBD：Schottky Barrier Diode)，其原理為金屬和半導體接觸界面的兩邊自由電子濃度不等，使得電子擴散構成肖特基勢壘形成二極管整流效應。與經典的PN結二極管相比，SBD具有許多優點。首先由于肖特基勢壘高度一般低于PN結勢壘，肖特基二極管具有更低的正向導通電壓，約為150mV-450mV，與之對應PN結二極管約為600mV-700mV。肖特基二極管的低壓降特性常被作為低成本的光伏電池使用，能耗更小且效率更高；并且因其有更強的電流驅動能力(高電流密度)，被廣泛應用于功率整流器中。肖特基二極管的另一大優點是屬于多數載流子電子器件，其反向恢復時間僅受到結電容的限制。如以肖特基結為原理制成的小信號二極管(Small-signal Diode)的反向恢復時間可低達100ps左右，比PN結超快恢復二極管(UltraFast Diode)低兩個量級。因此其在數字邏輯電路、射頻電路、雷達系統、混頻器的高頻場合中被廣泛使用。

為追求更高性能的肖特基二極管，同時適應電子器件微型化以及電路集成化發展需求，納米尺度的高性能肖特基二極管研制顯得極為重要。在納米材料中，石墨烯具有單原子厚度、機械強度高、熱導率高等優點，憑借其高電子遷移率(200,000cm²/V·s)和大電流承載能力(＞10⁸A/cm²)被認為是新一代場效應晶體管的絕佳候選材料。石墨烯應用廣泛，現已經被制備成各種微/納米器件，如濾波器、諧振器、晶體管、散熱片、光電轉換器、單分子檢測器等。近年來，有文獻報道石墨烯的肖特基二極管器件，S.Tongay等人報道了石墨/半導體肖特基勢壘的形成，將機械剝離后的高定向熱解石墨(Highly Oriented PyrolyticGraphite)與半導體基底連接，觀察到其接觸界面在接近室溫條件下的電整流行為，并且正向偏置特性與熱電子發射理論吻合較好；此外，有實驗表明石墨烯可作為半金屬與半導體SiC之間形成肖特基勢壘；更多的研究也證明，此類石墨烯肖特基二極管可具有良好的光伏性質，用于制備低成本的太陽能電池以及光電探測器；另外，有報道證明，得益于石墨烯的優異電學性質，利用石墨烯形成的(rGO)-SnO₂肖特基二極管相比于傳統的SnO₂二極管具備更高的載流子遷移率、更低的導通電壓以及更高的光敏度。由此驗證了石墨烯有潛力制成優異性能的肖特基二極管，其單原子厚度的結構也十分利于減小器件尺寸，在集成電路領域有廣闊的應用前景。