本發(fā)明涉及一種負(fù)微分電阻及制備方法，尤其涉及一種基于黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)的負(fù)微分電阻及制備方法。

背景技術(shù)：

負(fù)微分電阻(ndr)由于具備折疊的電流-電壓特性而廣受人們的關(guān)注，也正因?yàn)檫@種顯著的特性，負(fù)微分電阻器件在實(shí)現(xiàn)多值邏輯(mvl)的應(yīng)用方面有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的二元邏輯電路相比，mvl系統(tǒng)通過(guò)傳輸多值信號(hào)使得其能夠在使用更少的互連線情況下傳輸更多的信息，從而減少現(xiàn)代邏輯電路的復(fù)雜性。

目前，ndr器件已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了mvl系統(tǒng)，如隧道二極管、共振隧道二極管、耿氏二極管、單電子晶體管和分子器件等。從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，大多數(shù)的隧道二極管都是由si-ge和iii-v半導(dǎo)體制備出來(lái)的，而不同類型的異質(zhì)結(jié)(i、ii和iii型)的形成通常會(huì)受到位錯(cuò)的限制，這樣的位錯(cuò)通常會(huì)在薄膜生長(zhǎng)的時(shí)候發(fā)生在結(jié)界面處。盡管這種位錯(cuò)會(huì)增加ndr器件的谷電流，并且該電流會(huì)在應(yīng)用超晶格和納米線結(jié)構(gòu)的時(shí)候減少，但是在制備過(guò)程中想要避免這一位錯(cuò)還是相當(dāng)有難度的。鑒于這樣的目標(biāo)，具有原子層厚度的2d材料由于其不同于體材料的優(yōu)越性質(zhì)而受到人們的廣泛研究，如石墨烯，mos2等等。由于在這些二維材料表面不存在懸掛鍵，是制備ndr器件的極佳材料。

一般來(lái)說(shuō)，二維半導(dǎo)體層是通過(guò)范德瓦爾茲力的相互作用疊放在一起的，因此基于二維材料的異質(zhì)結(jié)是不會(huì)產(chǎn)生晶格失配，從而產(chǎn)生高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)表面。根據(jù)堆疊材料帶隙和電子親和力的不同，異質(zhì)結(jié)分為三種類型：i型(跨騎型)、ii型(交錯(cuò)型)和iii(錯(cuò)開型)型。傳統(tǒng)基于mos2/wse2異質(zhì)結(jié)(ii型)的ndr器件需要通過(guò)相當(dāng)復(fù)雜的制備過(guò)程才能得到高度摻雜的n+/p+異質(zhì)結(jié)，并且其只能工作在175k溫度之下?；趍os2/wse2和bp/snse2異質(zhì)結(jié)的ndr器件都需要使用特定厚度的二維材料以保證帶間隧穿的載流子，并且這類ndr器件在室溫下的谷峰電流比低于2。

ndr器件在實(shí)現(xiàn)mvl電路時(shí)可以避免更多的互連線電容而降低電路的功率，因此在未來(lái)的多值邏輯器件的應(yīng)用上有很大的前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)的負(fù)微分電阻及制備方法。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)的負(fù)微分電阻，包括硅襯底、第一二氧化硅保護(hù)層、黑磷薄層和二硫化錸薄層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)、第二二氧化硅保護(hù)層、漏極和源極；硅襯底為柵極；硅襯底上生長(zhǎng)第一二氧化硅保護(hù)層；在第一二氧化硅保護(hù)層上沉積得到黑磷薄層和二硫化錸薄層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)；在異質(zhì)結(jié)上沉積第二二氧化硅保護(hù)層；在第二二氧化硅保護(hù)層表面蒸鍍一層金屬層，刻蝕出漏極和源極。

一種基于黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)的負(fù)微分電阻的制備方法，具體包括以下步驟：

(1)制備硅襯底；

清洗硅襯底，去除硅片上的有機(jī)物，用氮?dú)獯蹈?，放入石英管中進(jìn)行沉積處理，以去除硅片表面的水汽。

(2)制備第一二氧化硅保護(hù)層；

硅襯底清洗完畢后，在其表面生長(zhǎng)得到二氧化硅保護(hù)層。

(3)制備黑磷薄層；

(3.1)將白磷在1000-1200pa大氣壓下加熱到200-250℃，得到片狀黑磷；通過(guò)機(jī)械剝離從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯；再通過(guò)ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷烯；利用得到層狀的黑磷烯獲取黑磷塊體，將黑磷塊體浸入過(guò)氧化氫異丙苯溶劑中，加超聲波10-15分鐘，最后使用離心機(jī)分離得到層狀物；

(3.2)用表面生長(zhǎng)了二氧化硅保護(hù)層的硅襯底從溶液中撈出黑磷烯薄膜，放在50-60℃的加熱臺(tái)上烘干；

(3.3)步驟3.2中得到的少層黑磷烯為多層黑磷，通過(guò)探針剝離的方法剝離掉多余的黑磷，得到厚度約為40nm的黑磷薄層。

(4)制備二硫化錸薄層；

由錸與硫在850～1000℃下直接作用制得二硫化錸，并通過(guò)化學(xué)氣相沉積在黑磷薄層上沉積二硫化錸薄層，兩種材料相結(jié)合形成黑磷和二硫化錸異質(zhì)結(jié)。

(5)制備第二二氧化硅保護(hù)層：

通過(guò)化學(xué)氣相沉積在黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)表面沉積一層二氧化硅保護(hù)層。

(6)制備源、漏電極：

在二氧化硅保護(hù)層表面蒸鍍一層薄金屬層，通過(guò)等離子刻蝕方法刻蝕出源、漏電極。

有益效果：本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的負(fù)微分電阻無(wú)需額外摻雜，制備工藝更簡(jiǎn)單，僅僅通過(guò)范德瓦耳斯力就能將兩種不同材料的半導(dǎo)體連接形成異質(zhì)結(jié)；同時(shí)該負(fù)微分電阻表現(xiàn)出很高的峰谷電流比。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述的基于黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)的負(fù)微分電阻；

圖2是黑磷與二硫化錸組成的異質(zhì)結(jié)；

圖3(a)是黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)接觸前的能帶排列；圖3(b)是黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)接觸后的能帶排列。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示是本發(fā)明所述的基于黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)的負(fù)微分電阻，為二維異質(zhì)結(jié)負(fù)微分電阻，主要包括如下幾個(gè)部分：硅襯底1，第一二氧化硅保護(hù)層2，黑磷薄層3和二硫化錸薄層4構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，第二二氧化硅保護(hù)層5，最上面從左至右分別是漏極vd和源極vs的金屬接觸，可選用金屬ti。硅襯底1為柵極vg。

硅襯底1上生長(zhǎng)一層第一二氧化硅保護(hù)層2，在二氧化硅保護(hù)層上得到黑磷和二硫化錸異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)4，通過(guò)化學(xué)氣相沉積在黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)表面沉積一層第二二氧化硅保護(hù)層5，二氧化硅保護(hù)層表面蒸鍍一層薄的鈦層，通過(guò)等離子刻蝕方法將鈦薄膜刻蝕出源、漏電極。

如圖2所示是黑磷與二硫化錸組成的異質(zhì)結(jié)，是負(fù)微分電阻的核心部分。

異質(zhì)結(jié)負(fù)微分電阻中p型黑磷bp和n型二硫化錸res2都是納米級(jí)材料，因此需要通過(guò)機(jī)械剝離技術(shù)將黑磷剝離到約為40nm厚度，而二硫化錸薄層通過(guò)機(jī)械傳輸過(guò)程傳送到黑磷薄層的表面，其厚度為50nm。前者作為受體部分，后者作為給體部分。

異質(zhì)結(jié)為兩種不同導(dǎo)電性半導(dǎo)體材料相互接觸，從而得到iii型異質(zhì)結(jié)，而該異質(zhì)結(jié)無(wú)需額外單獨(dú)摻雜的過(guò)程，就能得到高濃度的n+/p+異質(zhì)結(jié)。該異質(zhì)結(jié)的n型和p型材料都是納米級(jí)材料，因此具有良好導(dǎo)電性和機(jī)械特性。

如圖3(a)所示是黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)接觸前的能帶排列；如圖3(b)所示是黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)接觸后的能帶排列。

負(fù)微分電阻器件的功能是基于n型和p型半導(dǎo)體間的電子轉(zhuǎn)移。在熱平衡狀態(tài)下，黑磷的價(jià)帶頂高于二硫化錸的導(dǎo)帶底，從而在接觸之后會(huì)形成iii型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。由于黑磷和二硫化錸之間較大的功函數(shù)(0.6ev)，電子和空穴會(huì)分別在黑磷和二硫化錸異質(zhì)結(jié)的界面處積累，從而在不需要外界摻雜的條件下依然能形成高度摻雜的n+/p+iii型異質(zhì)結(jié)。

本發(fā)明的的負(fù)微分電阻的制備方法具體包括以下步驟：

(1)制備硅襯底1；

以n型硅片為襯底，用烯酸(hf)浸泡去除si表面的二氧化硅；再依次用丙醇、乙醇、去離子水超聲波清洗，去除硅片上的有機(jī)物，用氮?dú)獯蹈?，放入石英管中進(jìn)行沉積處理。石英管的真空度為1000-1200pa，加熱到300℃維持10分鐘，以去除硅片表面的水汽。

(2)制備第一二氧化硅保護(hù)層2；

在si襯底清洗完畢后，在其表面通過(guò)熱氧化過(guò)程生長(zhǎng)得到sio2保護(hù)層。

(3)制備黑磷薄層3；

a、將白磷在1000-1200pa大氣壓下加熱到200-250℃，得到片狀黑磷；通過(guò)機(jī)械剝離從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯；然后再通過(guò)ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷烯。

得到層狀的黑磷烯首先獲取黑磷塊體，然后將黑磷塊體浸入過(guò)氧化氫異丙苯(chp)的溶劑中，再加超聲波超聲10-15分鐘；最后使用離心機(jī)使其分離得到層狀物。

b、用表面生長(zhǎng)了sio2的si基板從溶液中撈出黑磷烯薄膜，放在50-60℃的加熱臺(tái)上烘干，去除黑磷烯薄膜與si基板之間的水分，同時(shí)將少層黑磷烯更牢固的與si基板結(jié)合。

c、步驟b中得到的少層黑磷烯結(jié)構(gòu)通常為多層黑磷，在電子顯微鏡下，通過(guò)探針剝離的方法，剝離掉多余的黑磷得到厚度約為40nm黑磷薄層。

(4)制備二硫化錸薄層4；

可由錸與硫在850～1000℃下直接作用而制得，并且通過(guò)化學(xué)氣相沉積在黑磷薄層上沉積厚度約為50nm的二硫化錸薄層。兩種材料可以通過(guò)相互之間的范德瓦耳斯力相結(jié)合形成iii異質(zhì)結(jié)，即在包含二氧化硅的硅襯底上得到黑磷和二硫化錸異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

(5)制備第二二氧化硅保護(hù)層5；

通過(guò)化學(xué)氣相沉積在黑磷/二硫化錸異質(zhì)結(jié)表面沉積一層二氧化硅保護(hù)層。

(6)制備源、漏電極；

用氫氟酸刻蝕出源極和漏極的接觸孔，隨后通過(guò)表面蒸鍍金屬的方法，在二氧化硅保護(hù)層表面蒸鍍一層薄的鈦層，通過(guò)等離子刻蝕方法將鈦薄膜刻蝕出源、漏電極。

基于bp/res2異質(zhì)結(jié)制備的ndr新型器件表現(xiàn)出很高的谷峰電流比，同時(shí)bp/res2形成iii型錯(cuò)開的能帶邊緣結(jié)構(gòu)。與普通的負(fù)微分電阻相比，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的負(fù)微分電阻無(wú)需額外摻雜，制備工藝更簡(jiǎn)單，僅僅通過(guò)范德瓦耳斯力就能將兩種不同材料的半導(dǎo)體連接形成異質(zhì)結(jié)；同時(shí)該負(fù)微分電阻表現(xiàn)出很高的峰谷電流比(pvcr)，即在室溫和180k下達(dá)到4.2和6.9。