一种基于Bi2O2Se的台阶状垂直方向器件及其制备方法和应用与流程

一种基于bi2o2se的台阶状垂直方向器件及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及一种bi2o2se垂直方向上台阶状两端器件及其制备方法，以及基于该两端器件研究bi2o2se层间输运特性(step-like vertical device based on bi2o2se for interlayer transport characteristics)的方法，属于新材料新器件领域。


背景技术：

2.随着摩尔定律的不断发展，si基器件在进一步的微型化方面面临巨大挑战，例如短沟道效应，随着尺寸进一步缩小，对工艺技术要求不端增加，各种寄生效应也日益突出。人们开始寻求下一代电子材料，例如ge基材料、iii-v族半导体以及二维材料等，其中，二维材料及其异质结的发展迅速，众多二维材料被广泛研究，例如石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等，但是石墨烯几乎没有禁带，很难应用到逻辑器件中，过渡金属硫化物具有合适的带隙宽度但是迁移率较低，也不适合于高性能电子器件应用，黑磷具有合适带隙，且电子和空穴迁移率较高，但是其稳定性差，需要进行器件钝化和封装。最近，一种新型层状二维材料bi2o2se由于其超高的电子迁移率、稳定适中的带隙宽度和优良的环境稳定性受到广泛关注，但是基于bi2o2se的器件都是基于面内输运特性，由于材料尺寸只有微米量级，所以很难制备垂直器件研究层间输运特性。


技术实现要素：

3.为了研究新型材料bi2o2se的层间输运特性，本发明首先提出一种台阶状的垂直方向两端器件及其制备方法。
4.本发明提出的bi2o2se台阶状垂直方向两端器件通过选择性腐蚀制备，并且成功测试了垂直方向上的电流输运特性，并做变温测试和模型拟合，得到垂直方向上se空位的移动以及poole-frenkel发射电流机制。
5.具体的，本发明提供的bi2o2se台阶状垂直方向两端器件包括衬底和位于衬底上的bi2o2se层状二维材料，所述衬底为硅/高k(si/high-k)衬底，所述bi2o2se层状二维材料具有台阶状的表面，在台阶上的表面设有顶电极，而台阶下的表面设有底电极，形成垂直方向上的两端器件。
6.上述bi2o2se台阶状垂直方向两端器件中，所述硅/高k衬底是硅衬底及其上的高k介质层组成的复合衬底，通常通过在硅衬底上通过原子层沉积技术生长上具有高k值的介质层获得，例如硅/氧化铝复合衬底或者硅/氧化铪复合衬底，所述高k介质是具有高介电常数的绝缘层，相比于传统的氧化硅介质材料来说具有更小的等效栅氧化层厚度。
7.上述bi2o2se台阶状垂直方向两端器件中，台阶的高度优选为10纳米-30纳米。
8.上述bi2o2se台阶状垂直方向两端器件中，优选的，所述顶电极和底电极为与bi2o2se功函数相匹配的金属电极，例如ti/pd/au电极(ti起粘附作用)、pd/au电极或者au电极等。
9.本发明还提供了上述bi2o2se台阶状垂直方向两端器件的制备方法，包括以下步
骤：
10.1)将bi2o2se层状二维材料从其生长衬底转移到si/high-k衬底上；
11.2)电子束曝光(ebl)定义顶电极区域；
12.3)在顶电极区域淀积金属并剥离形成顶电极；
13.4)以顶电极为硬掩膜，使用氧化性质子酸溶液选择性腐蚀bi2o2se层状二维材料形成台阶；
14.5)电子束曝光(ebl)定义底电极区域；
15.6)在底电极区域淀积金属并剥离形成底电极。
16.上述步骤1)中，所述bi2o2se层状二维材料通常生长在云母衬底上，优选采用pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)或pdms(聚二甲基硅氧烷)辅助转移的方法将bi2o2se层状二维材料从云母衬底转移到硅/高k衬底上。
17.上述步骤2)和5)中，优选的电子束光刻胶为pmma(a4 950k)，所述电子束曝光的过程是旋涂pmma到材料上，转速为4000r/min，然后170℃条件下烘干，曝光之后，进行显影定影操作。
18.上述步骤3和6)中，优选采用电子束蒸发的方式淀积金属，形成ti/pd/au(0.5nm/10nm/50nm)复合金属电极，如上所述也可以是pd/au(10nm/50nm)或者au(50nm)电极。
19.上述步骤4)中，所述氧化性质子酸溶液优选为h2so4:h2o2:h2o按一定体积比配制的溶液，其中h2so4的体积百分含量为6％～12％，h2o2的体积百分含量为25％～27％。控制腐蚀时间在10-20s，形成台阶。
20.利用本发明提供的bi2o2se台阶状垂直方向两端器件，可以实现bi2o2se的层间输运特性研究。
21.本发明优点如下：
22.1)在微米级尺寸的bi2o2se材料上制备了台阶状垂直方向上的两端器件。
23.2)首次研究了bi2o2se的层间输运特性。
24.3)与cmos工艺相兼容，简单可重复。
附图说明
25.图1为本发明所使用新型层状材料bi2o2se的三维立体晶格结构示意图。
26.图2～图5为制备bi2o2se台阶状垂直方向两端器件的关键工艺步骤示意图，其中：
27.图2为将bi2o2se材料转移到si/high-k衬底上的步骤；
28.图3为在bi2o2se材料上制备顶电极的步骤；
29.图4为通过氧化性质子酸选择性腐蚀bi2o2se材料形成台阶的步骤；
30.图5在bi2o2se材料上制备底电极的步骤。
31.图6为本发明实施例制备完成的bi2o2se台阶状垂直方向两端器件的afm照片。
32.图7为图6所示的bi2o2se台阶状垂直方向两端器件a-a’处的台阶高度表征。
33.图8-图13为本发明实施例测得的bi2o2se层间输运特性的表征，其中：
34.图8为图6所示bi2o2se器件在垂直方向上的两端的i-v测试曲线；
35.图9为图6所示bi2o2se器件在同一水平平面内的两个电极之间的i-v曲线；
36.图10为对图6所示bi2o2se器件在垂直方向上的两端进行正反扫测试的i-v曲线；
37.图11为对图6所示bi2o2se器件垂直方向上的整流特性进行了变温i-v测试的结果；
38.图12为使用poole-frenkel发射电流模型图11高场下的测试数据先对电压进行拟合(a)，后对温度进行拟合(b)的结果；
39.图13为使用poole-frenkel发射电流模型图11高场下的测试数据先对温度进行拟合(a)，后对电压进行拟合(b)的结果。
具体实施方式
40.下面结合附图，通过实施例来详细说明本发明提出的基于新型层状半导体材料bi2o2se台阶状垂直方向上的两端器件及其制备方法，并利用该两端器件来表征bi2o2se垂直方向上的输运机制。。
41.bi2o2se属于四方晶系，由bi、o、se三种元素构成，由bio层和se层交替排列构成，如图1所示。其中bio层的bi、o原子之间是通过强的共价键连接，se层se原子之间是由弱的相互作用连接的，由于化合价的原因，bio层带正电，se层带负电，bio层与se层之间通过弱的静电相互作用结合。
42.本实施例使用pmma辅助转移的方法，结合hf刻蚀，将bi2o2se(厚度范围为40-80nm)从云母衬底转移到si/high-k衬底上，如图2所示，该转移操作便于后续复杂器件制备以及与cmos工艺相兼容。
43.采用pmma作为电子束光刻胶，170℃条件下前烘三分钟，旋涂pmma，转速为4000r/min，然后170℃下后烘3min，通过电子束曝光(ebl)定义顶电极区域，通过电子束蒸发金属ti/pd/au(0.5nm/10nm/50nm)并剥离形成顶电极，如图3所示。
44.以顶电极作为硬掩膜，使用氧化性质子酸溶液(体积比h2so4:h2o2:h2o＝1:4:10)对bi2o2se进行选择性腐蚀，形成台阶，如图4所示。
45.通过电子束曝光定义台阶处的底电极区域，通过电子束蒸发金属ti/pd/au(0.5nm/10nm/50nm)并剥离形成底电极，如图5所示，从而获得bi2o2se台阶状垂直方向上的两端器件。
46.使用afm(原子力显微镜)表征bi2o2se台阶状垂直方向上的两端器件，如图6所示，并且计算了两侧台阶高度即选择性腐蚀深度为21nm左右，两侧高度基本一致，如图7所示。
47.进一步对bi2o2se台阶状垂直方向上的两端器件进行两端i-v测试，器件呈现出明显的整流特性，如图8所示，其中右侧为线性坐标，左侧为对数坐标。
48.同时，我们测试了图6中在同一平面内的两个电极之间的i-v曲线，呈现出电阻很低的欧姆特性，如图9所示，由此可见，金属-bi2o2se之间是好的欧姆接触，整流特性来源于bi2o2se的层间特性。
49.在正反扫的过程中，垂直方向上的两端i-v测试曲线呈现出不对称的回滞现象，如图10所示，不对称是由于整流特性导致的，回滞产生的原因是在垂直方向上se空位在高场下的迁移导致的，因为se原子之间是通过弱的相互作用相结合的。
50.我们针对垂直方向上的整流特性进行了变温i-v测试，在低场下，电流与温度呈现正相关，在高场下，电流与温度呈现负相关，如图11所示。
51.在低电场下，电子浓度在bio层和se层的不均匀分布会产生浓度梯度，在电场下扩散电流占主导，呈现出电流与温度正相关。我们使用poole-frenkel发射电流模型对高场下
的测试数据进行拟合，同时对温度t和电压v进行二次拟合，先对v进行拟合，如图12中(a)所示，后对t进行拟合，如图12中(b)所示；以及先对t进行拟合，如图13中(a)所示，后对v进行拟合，如图13中(b)所示。从图12和图13可以看出，我们通过不同方法提取的势垒高度一致，证明了poole-frekenl发射电流机制的准确性。