[发明专利]单层氟化石墨烯的肖特基二极管及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了单层氟化石墨烯的肖特基二极管及其制备方法和应用。该方法采用复合刻蚀工艺，在硅衬底上形成深沟槽，使整个单层石墨烯二极管器件悬浮在该沟槽之上，同时在其上制备金属电极；并且，通过二氟化氙(XeF₂)气体将石墨烯氟化并打开电子能带带隙，在悬空部分形成稳定的氟碳原子共价键，并在金属电极和氟化石墨烯界面形成肖特基势垒，引发二极管效应。采用该方法既能避免半导体衬底对肖特基二极管器件厚度的影响以及因半导体衬底的掺杂/杂质或缺陷对肖特基二极管器件性能产生的负面影响，又能使肖特基二极管具有响应频率高、电子迁移速率高等优点，对微纳尺度下集成电路的发展有重要意义。

技术领域

本发明属于二维纳米材料电子器件领域，具体而言，涉及单层氟化石墨烯的肖特基二极管及其制备方法和应用。

背景技术

肖特基二极管又称肖特基势垒二极管(SBD：Schottky Barrier Diode)，其原理为金属和半导体接触界面的两边自由电子浓度不等，使得电子扩散构成肖特基势垒形成二极管整流效应。与经典的PN结二极管相比，SBD具有许多优点。首先由于肖特基势垒高度一般低于PN结势垒，肖特基二极管具有更低的正向导通电压，约为150mV-450mV，与之对应PN结二极管约为600mV-700mV。肖特基二极管的低压降特性常被作为低成本的光伏电池使用，能耗更小且效率更高；并且因其有更强的电流驱动能力(高电流密度)，被广泛应用于功率整流器中。肖特基二极管的另一大优点是属于多数载流子电子器件，其反向恢复时间仅受到结电容的限制。如以肖特基结为原理制成的小信号二极管(Small-signal Diode)的反向恢复时间可低达100ps左右，比PN结超快恢复二极管(UltraFast Diode)低两个量级。因此其在数字逻辑电路、射频电路、雷达系统、混频器的高频场合中被广泛使用。

为追求更高性能的肖特基二极管，同时适应电子器件微型化以及电路集成化发展需求，纳米尺度的高性能肖特基二极管研制显得极为重要。在纳米材料中，石墨烯具有单原子厚度、机械强度高、热导率高等优点，凭借其高电子迁移率(200,000cm²/V·s)和大电流承载能力(＞10⁸A/cm²)被认为是新一代场效应晶体管的绝佳候选材料。石墨烯应用广泛，现已经被制备成各种微/纳米器件，如滤波器、谐振器、晶体管、散热片、光电转换器、单分子检测器等。近年来，有文献报道石墨烯的肖特基二极管器件，S.Tongay等人报道了石墨/半导体肖特基势垒的形成，将机械剥离后的高定向热解石墨(Highly Oriented PyrolyticGraphite)与半导体基底连接，观察到其接触界面在接近室温条件下的电整流行为，并且正向偏置特性与热电子发射理论吻合较好；此外，有实验表明石墨烯可作为半金属与半导体SiC之间形成肖特基势垒；更多的研究也证明，此类石墨烯肖特基二极管可具有良好的光伏性质，用于制备低成本的太阳能电池以及光电探测器；另外，有报道证明，得益于石墨烯的优异电学性质，利用石墨烯形成的(rGO)-SnO₂肖特基二极管相比于传统的SnO₂二极管具备更高的载流子迁移率、更低的导通电压以及更高的光敏度。由此验证了石墨烯有潜力制成优异性能的肖特基二极管，其单原子厚度的结构也十分利于减小器件尺寸，在集成电路领域有广阔的应用前景。