[发明专利]一种基于二维半导体晶体的栅控PN结

说明书

技术领域

本发明涉及微电子与光电子领域，特别涉及一种基于二维半导体晶体的栅控PN结。

背景技术

单层MoS₂等二维层状半导体晶体由于具有柔韧性好、透明度高、直接带隙等优点，被认为是非常具有潜力的下一代光电材料。PN结是构成二极管、双极型晶体管、光探测器件、发光二极管和太阳能电池等微电子、光电子器件的基本元件，因此在二维半导体晶体上形成PN结是构建复杂器件的第一步，与块体材料相比，二维半导体晶体只有一个分子层厚，采用传统的半导体掺杂办法会使器件的性能退化。

基于二维半导体晶体的静电掺杂理论，最近，BrittonW.H.Baugher等研究人员在题为Optoelectronic devices based on electrically tunable p–n diodes in a monolayer dichalcogenide(基于电场可调单层二硫化物PN结的光电子器件)(Nature nanotechnology9.4(2014):262-267)的文献中提出了一种基于分离栅极的单层WSe₂PN结。该类器件中，单层WSe₂被放置在具有分离结构的栅电极的氧化层上。通过在分离的栅极上分别施加正负电压，使得单层WSe₂中实现静电掺杂，从而形成PN结。上述文献中分别采用HfO₂作为栅介质层，器件的工作的电压都非常高(大于10V)。

近来，一种以双电层材料为栅介质的二维半导体晶体场效应晶体管引起了广泛关注，这类器件的栅介质与沟道区的界面形成双电层电容，该电容的厚度理论上仅为1nm，产生的电容比较大，通常比常规栅介质材料高出数倍甚至数十倍。由于其电容值很大，这类器件的工作电压很低(1V-3V)。例如：Jo,Sanghyun等研究员在题为Mono-and Bi-layer WS₂Light-Emitting Transistors(Nano letters(2014))的文献中提出了一种以离子液体为栅介质的单层和双层WS2发光晶体管。当V_DS＜V_GS时，该器件等效于一个场效应晶体管，可以实现电子和空穴导电，其工作电压小于3V；当V_DS＞V_GS时，沟道区会形成一个PN结。但是这类以离子液体或有机聚合物作为栅介质的器件存在以下缺点：(1)不能与传统半导体工艺兼容，器件的稳定性差；(2)离子液或有机聚合物往往覆盖在沟道区上方，因此不利于在光探测器、光电二极管等领域的应用；(3)器件形成的PN结不稳定，且PN结位置依赖于源漏电压。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种与半导体工艺兼容的基于二维半导体晶体的栅控PN结。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括栅区、源区、漏区、沟道区和衬底，所述栅区位于所述沟道区的下方，所述栅区包括栅介质和栅电极，所述栅电极由两个分离的第一栅电极和第二栅电极构成，所述源区和所述漏区位于所述沟道区的两侧，所述源区、所述漏区和所述栅区设置在所述衬底之上；所述栅介质为对电子绝缘、对离子导电的无机多孔材料，所述栅介质同时含有正、负两种离子。

优选地，所述正离子为锂离子、钠离子、镁离子、钾离子、钙离子中一种或多种。

优选地，所述负离子为氯离子、氢氧根离子中的一种或多种。

优选地，所述离子可以在电场作用下移动到栅介质与沟道区界面，形成双电层电容，实现对沟道区的静电掺杂。

优选地，所述无机多孔材料包括：SiO₂、Al₂O₃、WO₃、Ta₂O₅、HfO₂、ZnO₂、TiO₂。

优选地，所述的源区、漏区和所述栅电极材料为导体材料，包括Au、Pt、Ti、ITO。

优选地，所述衬底材料为绝缘材料，包括硅片、玻璃、石英、陶瓷、塑料、聚亚酰胺、聚对苯二甲酸乙二酯或特殊纸制材料。