[发明专利]离子束直写二维半导体器件的方法

说明书

本发明公开了一种离子束直写二维半导体器件的方法，步骤一、将表面清洗后的硅片作为衬底；步骤二、在硅片表面制作一对相间隔的金电极；步骤三、在金电极上方设置一单层石墨烯，单层石墨烯覆盖整个硅片表面区域；步骤四、在单层石墨烯上方设置一单层过渡金属双卤代金属TMDCs；步骤五、通过低能量离子束对部分单层TMDCs表面进行轰击，使轰击区域的单层TMDCs表面产生缺陷，有缺陷的单层TMDCs对单层石墨烯进行空位掺杂，使得对应置处的单层石墨烯呈现P态，无缺陷的单层TMDCs对单层石墨烯进行电子掺杂，使得对应位置处的单层石墨烯呈现N态，最终形成PN结。提出了一种利用离子辐照技术直接在TMDCs/石墨烯异质结构上绘制任意二极管的方法。

技术领域

本发明涉及半导体器件制备的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于离子束辐照技术的二维半导体器件的制备方法。

背景技术

二极管是现代半导体电路的基本构件，广泛应用于光伏、逻辑和滤波等电路，是半导体电路的基础。二维(2D)材料，如石墨烯和过渡金属双卤代金属(TMDCs)，以其优异的电学性能，引起了人们的广泛关注，被认为是最有可能替代硅基材料的新一代半导体材料。为此，人们集中提出了许多制备二维二极管的方法，如静电掺杂和化学掺杂等。然而，这些方法需要繁琐复杂的制备过程，且其隧道隧穿性能受到实现陡度和低缺陷密度掺杂结的难度的限制，这些都影响了实际应用价值。例如，化学掺杂在纳米尺度上有一定的局限性；静电掺杂虽然是一种很有前途的改变电子或保持二维半导体器件密度的方法，但仍然存在一些限制，包括界面陷阱的存在和对多种金属的处理，这导致了其制备工艺复杂且成本高。因此，为了简化制备过程和实现2D材料的全部潜能，需要不断探索新的方法。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是，采用TMDCs/石墨烯异质结构作为衬底，提出了一种利用离子辐照技术直接在TMDCs/石墨烯异质结构上绘制任意二极管的方法。异质结构的TMDCs侧受到离子束的选择性辐照，原始和辐照后的TMDCs单层决定了石墨烯的n型和p型。利用TMDCs单分子层的去掺杂通过TMDCs/石墨烯异质结构的这一方法通过光电响应实验得到了证明。其中原始和辐照后的TMDCs/石墨烯异质结分别显示的负向和正向光响应。由于离子束技术的高度成熟和商业化，该方法提供了“打印”大规模二维集成电路的可能性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种离子束直写二维半导体器件的方法，包括:

步骤一、将表面清洗后的硅片作为衬底；

步骤二、在硅片表面制作一对相间隔的金电极；

步骤三、在金电极上方设置一单层石墨烯，单层石墨烯覆盖整个硅片表面区域；

步骤四、在单层石墨烯上方设置一单层TMDCs；

步骤五、通过低能量离子束对部分单层TMDCs表面进行轰击，使轰击区域的单层TMDCs表面产生缺陷，有缺陷的单层TMDCs对单层石墨烯进行空位掺杂，使得对应置处的单层石墨烯呈现P态，无缺陷的单层TMDCs对单层石墨烯进行电子掺杂，使得对应位置处的单层石墨烯呈现N态，最终形成PN结。

优选的，步骤二中，制作电极掩膜版，将掩膜版覆盖在所述硅片上，使用蒸金机蒸镀金电极，所述金电极的厚度低于100nm，一对所述金电极间距小于等于10μm。

优选的，步骤三中，使用气相沉积法生长单层石墨烯，使用湿法腐蚀法将所述单层石墨烯转移至所述金电极上方。

优选的，步骤四中，使用气相沉积法生长单层TMDCs，使用湿法腐蚀法将所述单层TMDCs转移至所述单层石墨烯上方。

优选的，步骤五中，利用离子束加速器发出低能量离子束，离子束流大小在90pA-100pA。