一種二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的制作方法
【專利摘要】一種二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件，包括襯底、二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜、左電極和右電極并形成疊層結(jié)構(gòu)，關(guān)器件的橫向溝道的長度為10nm?2μm、寬度為10nm?5μm。本發(fā)明的優(yōu)點是：該開關(guān)器件為雙向開關(guān)器件，與電阻式隨機存儲器相連形成1S1R結(jié)構(gòu)以解決阻變存儲器中的串擾現(xiàn)象；該開關(guān)器件為單純的橫向結(jié)構(gòu)，制作簡單、成本低廉且易于集成；該開關(guān)器件的性能可以通過控制溝道長度與寬度來實現(xiàn)調(diào)制；該開關(guān)器件具有自限流性質(zhì)，限流大小至百納安量級，這對于低功耗開關(guān)的研究具有重要意義。
【專利說明】
一種二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及無機先進納米薄膜材料及微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件。
技術(shù)背景
[0002]開關(guān)器件是半導(dǎo)體工業(yè)中必不可少的元件之一，其通常會與一些半導(dǎo)體元件相連共同使用，控制著器件的開關(guān)狀態(tài)。如傳統(tǒng)的半導(dǎo)體集成電路中都存在著串擾的問題，此時可以通過串聯(lián)一個開關(guān)器件解決這種問題。
[0003]常見的開關(guān)多為縱向器件，如氧化釩、氧化鎳及As-Te-Ge-S1-N材料都具有開關(guān)特性。然而，縱向結(jié)構(gòu)開關(guān)所占用的空間較大，工藝更復(fù)雜。相比之下，橫向結(jié)構(gòu)的開關(guān)制備工藝簡單，成本更低，更易于集成，這對于微電子集成工藝器件尺寸的不斷縮小具有重要的意義。
[0004]石墨烯的發(fā)現(xiàn)帶領(lǐng)我們進入了二維材料時代，近年來關(guān)于二維材料的研究越來越多。其中二維納米片層過渡金屬硫化物由于其獨特的光學(xué)和電學(xué)特性而得到廣泛的研究，適中大小的禁帶以及單層材料中的直接帶隙使得其在場效應(yīng)晶體管、傳感器、pn結(jié)以及光電傳感器等器件中都能得到廣泛應(yīng)用。
[0005]然而至今為止，仍然沒有關(guān)于二維納米片層材料橫向雙向開關(guān)的相關(guān)報道。因此我們以二維納米片層過渡金屬硫化物作為溝道，形成橫向結(jié)構(gòu)的雙向開關(guān)器件。橫向結(jié)構(gòu)以及二維納米片層硫化物材料的超薄特性，使得此器件的占用空間以及集成度特性都十分優(yōu)異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種二維納米片層過渡金屬硫化物的雙向開關(guān)器件，該開關(guān)具有自限流效應(yīng)，其電流可限制在百納安量級;而且開關(guān)器件的制備工藝極其簡單，制造成本低且易于集成。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0008]—種二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件，包括襯底、二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜、左電極和右電極并形成疊層結(jié)構(gòu)，所述襯底為5;102、3;[、5;[(:、63八8、Si3N4或藍寶石，或為二維寬禁帶半導(dǎo)體及二維絕緣體或為通過連接插塞與左右電極相連的CMOS電路;所述的功能薄膜為二維納米片層過渡金屬硫化物MoS2、MoSe2、WS2、WSe2，或它們的疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)MoS2_MoSe2異質(zhì)結(jié)、M0S2-WS2異質(zhì)結(jié);功能薄膜的厚度為0.68-30nm;所述左電極和右電極的材料為?1六8^11^1、01、附、3(3、1^、了&11?11、11'0和11中的一種或兩種以上任意比例的混合物，厚度為30-100nm，或其左右電極為一維導(dǎo)電材料碳納米管或二維導(dǎo)電材料石墨稀，厚度為0.2-50nm;開關(guān)器件的橫向溝道的長度為10nm-2ym、寬度為10nm-5ymo
[0009]—種所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的制備方法，步驟如下:
[0010]I)采用機械剝離、化學(xué)氣相沉積、液相剝離、高溫硫化法、水熱法或原子層沉積法在襯底上制備二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜，采用CVD法、ALD法原位生長或通過上述二維納米片層過渡金屬硫化物轉(zhuǎn)移疊加制備MoS2-MoSe2、MoS2-WS2、WS2-WSe2及MoS2-WS2疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)功能薄膜；
[0011]2)采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射、離子束濺射或化學(xué)氣相沉積法在二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜上制備左電極和右電極，其中電子束蒸發(fā)的生長金屬的速率為0.3-1nm每秒，磁控濺射中采用射頻電源或者直流電源生長，當采用射頻電源生長Cu電極時，功率為80W、壓強為0.5pa、靶基距離為65mm、氬氣流量30-35sccm、生長時間為2-5min。
[0012]所述二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜進行退火，退火工藝溫度為50-300°C，在氬氣和氫氣混合氣體中退火，其中氬氣流量為l-1000sccn、氫氣流量為l_500sccm。
[0013]所述左電極和右電極制備時，在左、右電極與二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜之間先淀積一層0.5-5nm氧化層薄膜作為降低接觸金屬與功能層之間的隧道結(jié)，以用于降低器件中電極與二維納米片層過渡金屬硫化物的接觸電阻并提高器件性能，其中氧化層為氧化鈦、氧化銀或氧化鋁，厚度為0.5nm-5nm0
[0014]所制備的二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件通過改變開關(guān)器件的溝道長度及寬度調(diào)制開關(guān)器件的性能，其中溝道長度范圍為10nm-2ym、溝道寬度為10nm-5ym;當降低溝道的長度和寬度時，通過施加更小的外加偏壓使得器件達到開關(guān)效果從而更加地降低了功耗，但溝道長度及溝道寬度太小將會導(dǎo)致極大的漏電流，甚至會擊穿器件，因此合理地設(shè)定開關(guān)器件尺寸是十分重要的。
[0015]所制備的二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件通過摻雜來調(diào)制開關(guān)的性能，摻雜方法包括電荷轉(zhuǎn)移摻雜和間隙原子替位式摻雜，電荷轉(zhuǎn)移摻雜與原子替位式摻雜都是采用摻雜溶液浸泡10-48h，然后再在200°C-300°C下真空退火2-5h達到摻雜效果，其中電荷轉(zhuǎn)移摻雜所用溶液有聚乙烯亞胺或芐基紫精，原子替位摻雜采用I，2二氯乙烷溶液。
[0016]—種所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的應(yīng)用，該開關(guān)器件與電阻式隨機存儲器相連形成ISlR結(jié)構(gòu)以解決阻變存儲器中的串擾現(xiàn)象。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0018]I)該器件為雙向開關(guān)器件，其正、負方向上均可以實現(xiàn)器件的開關(guān)狀態(tài)，可應(yīng)用于雙極性阻變器件，如氧化鉭。作為一個開關(guān)，形成ISlR結(jié)構(gòu)；
[0019]2)該器件為單純的橫向結(jié)構(gòu)，制作簡單，成本低廉且易于集成；
[0020]3)該開關(guān)的功能薄膜為二維納米片層過渡金屬硫化物，其單層厚度只有不到lnm，即使是多層樣品，一般也不會超過20nm，而且器件橫向溝道的溝道長度和寬度都是較小，其完全適合現(xiàn)今的集成電路尺寸不斷縮小的趨勢；
[0021 ] 4)該器件的性能可以通過控制溝道長度與寬度來實現(xiàn)調(diào)制；
[0022]5)該器件具有自限流性質(zhì)，限流大小至百納安量級，這對于低功耗開關(guān)的研究具有重要意義。
【附圖說明】
[0023]圖1為此二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中:1.襯底2.二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜3.左電極4.右電極。
[0025]圖2為實施例中化學(xué)氣相沉積樣品的1-V曲線
[0026]圖3為實施例中機械剝離樣品的1-V曲線
【具體實施方式】
[0027]現(xiàn)將通過以下實施例進一步闡述本發(fā)明的實質(zhì)性特點，所舉實例只是用于解釋本發(fā)明，而并非限定本發(fā)明的范圍。并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0028]實施例1:
[0029]—種二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件，如圖1所示，包括襯底1、二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜2、左電極3和4右電極，所述襯底為Si02;所述功能薄膜為化學(xué)氣象沉積制備的二維納米片層M0S2，功能薄膜的厚度為0.68nm;所述左電極和右電極的材料為Cu，厚度為80nm，開關(guān)器件的橫向溝道的長度為200nm、寬度為Iym0
[0030]—種所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的制備方法，步驟如下:
[0031 ] I)采用化學(xué)氣相沉積法在S12襯底上制備二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜制備MoS2薄膜；
[0032]2)采用磁控濺射在二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜上制備左電極和右電極，磁控濺射中采用射頻電源或者直流電源生長，當采用射頻電源生長Cu電極時，功率為80W、壓強為0.5pa、革E基距離為65mm、氬氣流量30_35sccm、生長時間為4min，得到80nm厚的Cu左電極和右電極；
[0033]3)通過電子束曝光技術(shù)來調(diào)制器件溝道的尺寸。
[0034]圖2所示為實施例中I化學(xué)氣相沉積MoS2樣品制備的雙向開關(guān)器件的1-V曲線。當對器件施加OV-4.5V的正偏壓時，電流在2.2V時突然增加，此時的電壓為閾值電壓Vth，因為功能薄膜的性質(zhì)由高阻絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杞饘賾B(tài)；而當外加偏壓從4.5V下降到OV的過程中，電流在電壓約為0.8V時，電流急劇下降，此時的電壓成為保持電壓Vhcild,因為功能薄膜的性質(zhì)又回到了高阻絕緣態(tài)。同理，當施加由-4.5V-0V的反向偏壓時，電流在電壓為-4V時，電流急劇增加，此時的電壓即為閾值電壓-Vth，此時的功能薄膜的性質(zhì)由高阻絕緣態(tài)向低阻金屬態(tài)轉(zhuǎn)變，而當外加偏壓有-4.5V向OV變化時，在-0.5V時，電流突然降低，此時的電壓為保持電壓-Vhclld，因為此時功能薄膜的性質(zhì)由低阻金屬態(tài)回到了高阻絕緣態(tài)。
[0035]實施例2:
[0036]—種二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件，如圖1所示，包括襯底1、二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜2、左電極3和4右電極并形成疊層結(jié)構(gòu)，所述襯底為S12;所述功能薄膜為機械剝離制備的二維納米片層M0S2;功能薄膜的厚度為20nm;所述左電極和右電極的材料為Cu，厚度為80nm;開關(guān)器件的橫向溝道的長度為200nm、寬度為Iym0
[0037]—種所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的制備方法，步驟如下:
[0038]I)采用機械剝離法在Si02襯底上制備二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜制備MoS2薄膜，通過膠帶剝離直接粘附在S12襯底上即可，厚度為20nm;
[0039]2)采用電子束蒸發(fā)在二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜上制備左電極和右電極，采用電子束蒸發(fā)生長是的金屬Cu，淀積速率約為0.6nm/s，預(yù)融3min后生長2min-3min，得到的Cu的厚度約為80nm;
[0040]3)通過電子束曝光技術(shù)來調(diào)制器件溝道的尺寸。
[0041]在上述雙向開關(guān)制備方法中，左電極3采用的材料包括金屬材料、二維導(dǎo)電材料和一位導(dǎo)電材料。其中二維導(dǎo)電材料為石墨烯，一維導(dǎo)電材料為碳納米管。本實施例優(yōu)選Cu，其厚度可以為30nm-100nm，在其他實施例中，所述做左電極還可以包括其他合適的金屬材料、二維導(dǎo)電材料和一維導(dǎo)電材料。其中二維導(dǎo)電材料可以為石墨烯，一維導(dǎo)電材料可以為碳納米管，其厚度可以為0.3nm-20nm。而右電極4也是在這些金屬中任意選擇，且在一個器件中，左右電極的選擇可以相同也可以不同。
[0042]圖3為實施例2中機械剝離MoS2樣品制備的雙向開關(guān)器件的I_V曲線。當對器件施加OV-4.5V的正偏壓時，電流在電壓約1.8V時突然增加，此時的電壓為閾值電壓Vth，因為功能薄膜的性質(zhì)由高阻絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杞饘賾B(tài);而當外加偏壓從4.5V下降到OV的過程中，電流在電壓約為IV時，電流急劇下降，此時的電壓成為保持電壓Vhcild,因為功能薄膜的性質(zhì)又回到了高阻絕緣態(tài)。同理，當施加由-4.5V-0V的反向偏壓時，電流在電壓為-1.7V時，電流急劇增加，此時的電壓即為閾值電壓-Vth，此時的功能薄膜的性質(zhì)由高阻絕緣態(tài)向低阻金屬態(tài)轉(zhuǎn)變，而當外加偏壓有-4.5V向OV變化時，在-0.2V時，電流突然降低，此時的電壓為保持電壓-Vhcild，因為此時功能薄膜的性質(zhì)由低阻金屬態(tài)回到了高阻絕緣態(tài)。
[0043]由于兩個實施例中采用的樣品的制備方法以及厚度的差異，因此器件性能也存在著明顯的差異。
[0044]在上述實施例1，2中，器件的制作中包括對器件的退火工藝，其不僅可以降低電極與功能薄膜的接觸電阻，而且退火也可以改變二維納米片層過渡金屬硫化物的接觸電阻。退火溫度可以為50°C_300°C，其中氬氣流量可以為1-1OOOsccm，氫氣流量可以為l-500sccm(所用管式爐的爐管口徑為60mm，長度為1200mm)。上述實施例1，2中優(yōu)選200°C退火，氫氣流量優(yōu)選20sccm，氬氣流量優(yōu)選200sccmo
[0045]在上述雙向開關(guān)制備方法中，所述的功能薄膜為二維納米片層過渡金屬硫化物及其疊層異質(zhì)結(jié)的獲得方法可以是機械剝離、化學(xué)氣相沉積、液相剝離、高溫硫化法、水熱法和原子層沉積中任意的一種，本實施例優(yōu)選化學(xué)氣相沉積和機械剝離兩種樣品。所述功能薄膜包括所有二維納米片層過渡金屬硫化物，例如MoS2，所述MoS2材料的厚度可以為0.68nm-30nm，在其他實施例中，所述功能薄膜還可以是其他二維納米片層過渡金屬硫化物，或者是二維納米片層的疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如MoS2-MoSe2、MoS2-WS2及WSe2-MoS2等，其中疊層的二維納米片層過渡金屬硫化物可能使得異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使得器件的性能也會得到相應(yīng)變化，從而可以實現(xiàn)器件性能的調(diào)制。本實施例中，溝道功能層優(yōu)選機械剝離和化學(xué)氣相沉積法制備的MoS2樣品，其中化學(xué)氣相沉積樣品的厚度為0.68nm，即為單層；機械剝離樣品的厚度約為20nm ο
[0046]在上述雙向開關(guān)制備方法中，左電極3采用的材料包括金屬材料、二維導(dǎo)電材料和一位導(dǎo)電材料。其中二維導(dǎo)電材料為石墨烯，一維導(dǎo)電材料為碳納米管。本實施例優(yōu)選Cu，其厚度可以為30nm-100nm，在其他實施例中，所述做左電極還可以包括其他合適的金屬材料、二維導(dǎo)電材料和一維導(dǎo)電材料。其中二維導(dǎo)電材料可以為石墨烯，一維導(dǎo)電材料可以為碳納米管，其厚度可以為0.3nm-20nm。而右電極4也是在這些金屬中任意選擇，且在一個器件中，左右電極的選擇可以相同也可以不同。
[0047]在上述發(fā)明實施例1，2中，可以將此雙向開關(guān)器件與一個雙極性阻變存儲器相連，這樣可以形成ISlR結(jié)構(gòu)(即選擇器件加阻變存儲器)，從而解決了阻變存儲器中的串擾現(xiàn)象。對于一個二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)與阻變存儲器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，當施加一個高于閾值電壓Vth的電壓，則此開關(guān)器件獲得開啟狀態(tài)，從而使得與其串聯(lián)的阻變單元獲得最大電壓，此時阻變單元則實現(xiàn)了高阻向低阻的轉(zhuǎn)換，而且電壓改變后，其仍然保持在低阻態(tài)。然而，當電流流過阻變器件時，其將會被開關(guān)器件所阻止，因為此時的開關(guān)器件中的功能層屬于高阻絕緣態(tài)。而在反向掃描過程中，在電壓降低至-Vth之前，通過阻變器件的電流都會收到阻止，因為此時的開關(guān)器件處于高阻狀態(tài)，這樣使得開關(guān)器件在關(guān)閉態(tài)(0<v<Vth)時的漏電流大大降低同時還可以解決器件中的串擾現(xiàn)象。
【主權(quán)項】
1.一種二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件，其特征在于:包括襯底、二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜、左電極和右電極并形成疊層結(jié)構(gòu)，所述襯底為Si02、S1、SiC、GaAs、Si3N4或藍寶石，或為二維寬禁帶半導(dǎo)體及二維絕緣體或為通過連接插塞與左右電極相連的CMOS電路;所述的功能薄膜為二維納米片層過渡金屬硫化物MoS2、MoSe2、WS2、WSe2，或它們的疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)MoS2_MoSe2異質(zhì)結(jié)、MoS2_WS2異質(zhì)結(jié);功能薄膜的厚度為0.68-30nm;所述左電極和右電極的材料為Pt、Ag、Au、Al、Cu、N1、Sc、TiN、TaN、Ru、ITO和Ti中的一種或兩種以上任意比例的混合物，厚度為30-100nm，或其左右電極為一維導(dǎo)電材料碳納米管或二維導(dǎo)電材料石墨稀，厚度為0.2-50nm;開關(guān)器件的橫向溝道的長度為10nm-2ym、寬度為10nm_5ym。2.—種如權(quán)利要求1所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的制備方法，其特征在于步驟如下: 1)采用機械剝離、化學(xué)氣相沉積、液相剝離、高溫硫化法、水熱法或原子層沉積法在襯底上制備二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜，采用CVD法、ALD法原位生長或通過上述二維納米片層過渡金屬硫化物轉(zhuǎn)移疊加制備MoS2-MoSe2、MoS2-WS2、WS2-WSe2及MoS2-WS2疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)功能薄膜； 2)采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射、離子束濺射或化學(xué)氣相沉積法在二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜上制備左電極和右電極，其中電子束蒸發(fā)的生長金屬的速率為0.3-lnm每秒，磁控濺射中采用射頻電源或者直流電源生長，當采用射頻電源生長Cu電極時，功率為80W、壓強為0.5pa、革E基距離為65mm、氬氣流量30_35sccm、生長時間為2_5min。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的制備方法，其特征在于:所述二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜進行退火，退火工藝溫度為50-300Γ，在氬氣和氫氣混合氣體中退火，其中氬氣流量為l-1000sccn、氫氣流量為l_500sccm。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的制備方法，其特征在于:所述左電極和右電極制備時，在左、右電極與二維納米片層過渡金屬硫化物功能薄膜之間先淀積一層0.5-5nm氧化層薄膜作為降低接觸金屬與功能層之間的隧道結(jié)，以用于降低器件中電極與二維納米片層過渡金屬硫化物的接觸電阻并提高器件性能，其中氧化層為氧化鈦、氧化銀或氧化鋁，厚度為0.5nm-5nm。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的制備方法，其特征在于:所制備的二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件通過改變開關(guān)器件的溝道長度及寬度調(diào)制開關(guān)器件的性能，其中溝道長度范圍為10nm-2ym、溝道寬度為10nm-5ym;當降低溝道的長度和寬度時，通過施加更小的外加偏壓使得器件達到開關(guān)效果從而更加地降低了功耗，但溝道長度及溝道寬度太小將會導(dǎo)致極大的漏電流，甚至會擊穿器件，因此合理地設(shè)定開關(guān)器件尺寸是十分重要的。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的制備方法，其特征在于:所制備的二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件通過摻雜來調(diào)制開關(guān)的性能，摻雜方法包括電荷轉(zhuǎn)移摻雜和間隙原子替位式摻雜，電荷轉(zhuǎn)移摻雜與原子替位式摻雜都是采用摻雜溶液浸泡10-48h，然后再在200°C-300°C下真空退火2-5h達到摻雜效果，其中電荷轉(zhuǎn)移摻雜所用溶液有聚乙烯亞胺或芐基紫精，原子替位摻雜采用I，2二氯乙烷溶液。7.—種如權(quán)利要求1所述二維納米片層過渡金屬硫化物雙向開關(guān)器件的應(yīng)用，其特征在于:該開關(guān)器件與電阻式隨機存儲器相連形成ISlR結(jié)構(gòu)以解決阻變存儲器中的串擾現(xiàn)象。
【文檔編號】H01L21/34GK105845739SQ201610325077
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】張楷亮, 方明旭, 王芳, 馮玉林, 唐登軒, 李悅
【申請人】天津理工大學(xué)