[發(fā)明專利]一種基于空間對(duì)稱性破缺二維材料能谷極化電流的調(diào)制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210197027.9
• 申請(qǐng)日: 2022-03-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114582727A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉富才;尹輝東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué);電子科技大學(xué)長(zhǎng)三角研究院（湖州）
• 主分類號(hào): H01L21/428
• 分類號(hào): H01L21/428;H01L21/34;H01L29/10;H01L29/24;H01L29/78;C30B25/02;C30B29/46;C30B29/64
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 葉盛

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于空間對(duì)稱性破缺二維材料能谷極化電流的調(diào)制方法，首先用空間對(duì)稱性破缺二維材料構(gòu)筑器件，包括兩種類型：一種是從下至上分別為SiO₂襯底、二維材料、源極電極和漏極電極；另一種是從下至少分別為SiO₂襯底、底柵電極、底柵介電層、二維材料、源極電極和漏極電極、頂柵介電層、頂柵電極。本發(fā)明通過(guò)對(duì)二維材料層數(shù)的選擇控制能谷極化電流極化大小，可以為能谷電子學(xué)的器件制備提供更易實(shí)現(xiàn)的方法，優(yōu)于目前只能通過(guò)單層二維材料及其異質(zhì)結(jié)的方式達(dá)到調(diào)控能谷極化的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及二維半導(dǎo)體和光電流調(diào)控領(lǐng)域，具體涉及一種基于空間對(duì)稱性破缺二維材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管的能谷極化電流調(diào)制方法。

背景技術(shù)

目前常規(guī)半導(dǎo)體技術(shù)是基于對(duì)電子電荷的操縱，實(shí)現(xiàn)信息的處理和存儲(chǔ)。而電子還存在其他可用于編碼和信息處理的自由度，如自旋和能谷。過(guò)去幾十年里，關(guān)于自旋電子邏輯器件研制和半導(dǎo)體基的自旋電子學(xué)設(shè)備的研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步和生產(chǎn)驗(yàn)證。類似于自旋的作用，半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中還存在能谷，于局部的價(jià)帶最大值和導(dǎo)帶最小值間，能谷自由度也可用于存儲(chǔ)和處理信息。另外，二維材料在光電子學(xué)上具有獨(dú)特性質(zhì)，且能集成于硅基結(jié)構(gòu)中構(gòu)筑場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究各種半導(dǎo)體性質(zhì)，二維材料與能谷的結(jié)合進(jìn)一步使得能谷電子學(xué)的研究更為充分。特別是隨著具有六方形晶胞結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬硫族化合物的出現(xiàn)，其電學(xué)性質(zhì)受布里淵區(qū)中+K和-K的不同谷所掌控，使得過(guò)去由于能級(jí)簡(jiǎn)并被限制的谷自由度研究得以進(jìn)一步發(fā)展。

在二維材料體系中，通過(guò)圓偏振光電流來(lái)獲取基于自旋-能谷自由度的信號(hào)只能存在空間對(duì)稱性破缺的結(jié)構(gòu)中，在自旋-軌道的相互作用下，產(chǎn)生塊狀晶體和低維凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)中自旋帶的動(dòng)量依賴性分裂。這種結(jié)構(gòu)包含兩種類型：一種是材料晶體本身缺乏反演對(duì)稱中心，是材料的內(nèi)稟屬性，如手性晶體碲單質(zhì)、拓?fù)浣^緣體和單層二維過(guò)渡金屬硫族化合物材料；另一種是由器件中材料間接觸或外加電場(chǎng)引發(fā)的空間反演對(duì)稱性破缺，廣泛存在于量子阱系統(tǒng)、二維電子氣和離子液覆蓋系統(tǒng)中。在量子阱結(jié)構(gòu)中，人們觀測(cè)到的圓偏振光電流僅來(lái)自于材料結(jié)構(gòu)的空間對(duì)稱性破缺導(dǎo)致的能級(jí)劈裂，沒(méi)有涉及對(duì)能谷自由度的利用，僅是一種對(duì)自旋與電荷的轉(zhuǎn)換。而后，人們發(fā)現(xiàn)，單層二維過(guò)渡金屬硫族化合物中材料的空間對(duì)稱性天然破缺，而且?guī)稄拈g接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋叮沟闷渚哂懈鼜?qiáng)的躍遷概率。但是，單層材料的厚度小于1納米，通過(guò)化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長(zhǎng)難以形成均勻連續(xù)高質(zhì)量的薄膜。因此，非單層薄層二維材料結(jié)構(gòu)更符合對(duì)高質(zhì)量連續(xù)大面積生長(zhǎng)的需求。目前已有使用離子液技術(shù)促使多層材料表面出現(xiàn)反演對(duì)稱性破卻的結(jié)構(gòu)，但是仍然是單層結(jié)構(gòu)的拓展，其得到的圓偏振光電流是來(lái)自于受離子液調(diào)控表層材料出現(xiàn)了對(duì)稱性的變化，這種方法的弊端在于離子液分布具體情況未知，沒(méi)有定量的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容

為了能夠更好地調(diào)控穩(wěn)定可靠的圓偏振光電流，提出了使用空間反演對(duì)稱性破缺的薄層二維材料作為自旋-能谷電子器件的溝道材料。采用化學(xué)氣相輸運(yùn)法生長(zhǎng)空間反演對(duì)稱性破缺結(jié)構(gòu)的二維材料單晶，通過(guò)機(jī)械剝離法獲得任意層數(shù)的薄層材料，使用微納加工技術(shù)構(gòu)筑場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在圓偏振光調(diào)制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)能谷極化的調(diào)控，從而得到具有谷值信息的圓偏振光電流。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案詳述如下：

一種基于空間對(duì)稱性破缺二維材料能谷極化電流的調(diào)制方法，包括如下流程：

晶體生長(zhǎng)和表征方法：

1.使用化學(xué)氣相輸運(yùn)法生長(zhǎng)空間對(duì)稱性破卻的二維材料單晶；

2.通過(guò)光學(xué)顯微鏡和倍頻拉曼光譜表征單晶的結(jié)構(gòu)相為生長(zhǎng)空間對(duì)稱性破缺相。

優(yōu)選地，所述的空間對(duì)稱性破缺二維材料的通式為MX2，其中M是過(guò)渡金屬元素鉬、鎢(Mo、W)等，X是硫族元素硫、硒、碲(S、Se、Te)。這些材料形成X-M-X形式的層狀結(jié)構(gòu)，即空間中一層M原子夾在兩層X(jué)原子間。