[发明专利]一种基于水蒸气处理二硫化钨表面P型掺杂的光电晶体管及其制备方法

说明书

本发明属于半导体器件技术领域，公开了一种基于水蒸气处理二硫化钨表面P型掺杂的光电晶体管及其制备方法。该方法是将制得的PMMA/Au/WSsubgt;2/subgt;/SiOsubgt;2/subgt;/Si放入丙酮溶液浸泡去除PMMA薄膜，在Ar气体中150～300℃退火，在水蒸气环境中处理5～60min，得到Au/WSsubgt;2/subgt;/SiOsubgt;2/subgt;/Si，即为WSsubgt;2/subgt;表面P型掺杂的光电晶体管。本发明首次通过水蒸气处理实现了WSsubgt;2/subgt;表面P型掺杂，该方法掺杂方式简单，成本低廉，有利于商业化推广，使用WSsubgt;2/subgt;表面P型掺杂的光电晶体管。该光电晶体管具有快速光响应、高灵敏度以及高迁移率。为二维材料高性能光电器件供了可能的发展应用前景。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种基于水蒸气处理二硫化钨(WS₂)表面P型掺杂的光电晶体管及其制备方法。

背景技术

硫化钨(WS₂)是一种典型的n型二维过渡金属二卤化物(TMDCs)，由于其优异的光响应性能、高载流子移动率和高光致发光效率，已经引起了下一代纳米电子和光电子器件的广泛关注。传统上，通过热扩散和离子注入等替代掺杂的方法实现材料掺杂。然而该掺杂方法不适用于具有原子较薄特性的二维材料。因此迫切需要探索兼容的掺杂技术。目前有一些可以实现TMDCs材料的界面n或p掺杂的探索性工作，如等离子体处理和取代化学掺杂，但等离子体处理不可避免的表面损伤和快速蚀刻率阻碍了其在二维材料电子器件制造中的实际应用。同样，取代化学掺杂的问题是掺杂过程复杂。因此，开发一种高效、无损伤、空气稳定、可控的策略来实现功能掺杂是至关重要。

众所周知，界面电子转移掺杂工程通常利用分子物理吸附如O₂或水捕获载流子，在FET应用中导致源漏(S/D)电流的释放。此外，YangS等人选择紫外/臭氧处理来改善WSe₂的欧姆接触，并通过电子转移诱导邻近WSe₂中的空穴掺杂。ShenH等人，报道了通过界面工程实现多层二烯化钨(WSe₂)晶体管的多态数据存储，全面分析了在SiO₂基WSe₂界面上捕获的水和氧分子(H₂O/O₂)对转移曲线大滞后的影响。然而，该方法在实际应用较为复杂且不经济。另一方面，水和氧对WS₂表面的影响已经被理论分析。Zhou等人通过第一性原理计算研究了水分子与单层WS₂的相互作用，发现水分子在单层WS₂上物理排列。并进一步利用平面平均微分电荷密度来确定水作为电子受体，导致WS₂的p型掺杂。然而，实际应用中并没有通过物理吸附分子水掺杂制备p型WS₂-FET的案例。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种基于水蒸气处理二硫化钨(WS₂)表面P型掺杂的光电晶体管的制备方法，首次通过水蒸气处理WS₂实现了WS₂表面P型掺杂，该方法有效的实现了WS₂表面P型掺杂,同时掺杂方式简单，成本低廉，非常有利于商业化推广，使用P型掺杂的WS₂制备的光电晶体管为二维材料光电应用的发展铺平了道路。

本发明另一目的在于提供一种上述基于WS₂表面P型掺杂的二硫化钨光电晶体管。该器件由于WS₂表面水分子的正或负栅压偏置而引起的快速电荷转移，使得空穴迁移率高达60cm²/V·s，利用光致效应实现了10³A·W^-1的超高灵敏度，1.60×10¹²琼斯的比探测率。用于快速光响应和高灵敏度以及高迁移率的光电晶体管，推动商业化应用进程。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：