一种基于低维半导体结构的倍频器及其制备方法与应用

本发明涉及低维材料，尤其涉及一种基于低维半导体结构的倍频器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、自基于单层石墨烯的场效应晶体管(field-effect transistor,fet)被成功制备以来，具有优异电学性能的二维层状材料逐渐进入了科研人员的视野。二维层状材料具有原子级薄层结构，每层仅有若干原子层厚度，外界电场等激励很容易改变层内的载流子输运情况，不仅在小尺寸晶体管制造中能获得比硅材料更好的沟道控制能力，还有潜力通过多场调制使单个器件实现多功能集成。且因为二维层状材料的原子级薄层间依靠较弱的范德华力相互结合，层间容易发生剥离，剥离时材料表面不会产生悬挂键，这一优点使得不同性质的二维层状材料可以任意堆叠形成无原子扩散的理想异质结，更易实现如反双极性fet类的特殊器件。反双极性，指场效应晶体管的转移特性曲线呈现倒“v”字形，同时具有正负跨导；单个反双极性fet有潜力实现传统设计中需要多个器件才能实现的复杂电路功能，如二进制频移键控(bfsk)电路、二进制相移键控(bpsk)电路及倍频器等，有望提升集成电路的功能密度，具备较高的研究价值。

2、其中倍频器是现代数字电路的基础元件之一，其输出信号的频率为输入信号的2倍或多倍，用于将晶振产生的频率提高到电路所需的时钟频率。现有的倍频器通常利用非线性元件产生高次谐波，再使用滤波器保留所需频率，从而实现倍频的功能。然而这类倍频器的设计复杂，需要使用大量器件产生高次谐波并滤波，工作频段也受限于滤波器。虽然经过精心设计的非线性器件能够部分简化倍频器的电路结构，但这类非线性器件的制造工艺一般较复杂。

3、因此，将同时具有正负跨导的反双极性场效应晶体管应用于倍频器中，使输入信号变化半个周期时就引起输出信号变化一个周期，有望克服传统倍频器的限制、大大简化倍频器的设计和制造，进一步提高电路集成度、降低功耗，具有较大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种基于低维半导体结构的倍频器及其制备方法与应用。本发明所提供的倍频器具有反双极性质，无需外加滤波电路即可实现对输入信号的二倍频输出，避免了由滤波电路导致的电路功耗过大问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种基于低维半导体结构的倍频器，其特征在于，包括依次连接的硅栅、介质层和晶体管；所述晶体管由mote2晶体管、反双极性晶体管和wse2晶体管依次串联而成；所述反双极性晶体管包括mote2层和wse2层，所述mote2层和/或所述wse2层的厚度为30-70nm。

4、本发明所提供的倍频器主要基于mote2和wse2层搭建构造的二维半导体结构反双极性晶体管实现，其转移特性曲线呈现倒v字形，同时具有正负跨导，从而能够通过在栅极输入一个指定频率的信号即可在漏极得到经倍频处理的输出信号。

5、mote2和wse2材料均为双极性材料，可通过厚度控制极性。选用这两种材料搭建得到反双极性的p-n异质结，并调控mote2和wse2层的厚度在上述范围内，可在较低的偏置电压下实现输入信号倍频输出的功能；若mote2/wse2层太厚，所形成异质结的反双极性的电中性点会出现在栅压超过-10v-10v的位置，不能满足示波器的测试范围、且不利于器件的低功耗要求；反之若mote2/wse2层太薄，反双极性消失，则无法实现倍频器功能。

6、本发明所提供的倍频器，能够利用栅极调控异质结沟道：通过栅极调控异质结沟道中电子和空穴的数目，使得这两者在栅极电压下达到反双极性，并且正栅压下空穴主导异质结导致器件电流很小、负栅压下电子主导异质结导致器件电流很小，因此只有在mote2和wse2晶体管都导通的情况下(vgs＝2-3v)异质结才会出现一个大的电流，即反双极性曲线中的电中性点处的电压；通过栅极输入信号，输入信号在电中性点附近振荡，输出倍频信号，从而利用二维半导体材料的反双极性实现二倍频功能，无需外加滤波电路、避免了由滤波电路导致的电路功耗过大问题。

7、优选地，所述介质层为二氧化硅介质层。

8、优选地，所述反双极性晶体管中，所述wse2层和所述mote2层交叠形成二维异质结沟道层。该二维异质结沟道层构成了一个反双极性晶体管。

9、优选地，所述wse2层和/或所述mote2层的厚度为60-70nm。

10、进一步优选地，所述wse2层的厚度为64nm，所述mote2层的厚度为66nm。

11、在该优选的厚度下，器件呈反双极性的电中性点能够被控制在2-3v的范围内，能很好地实现倍频功能、且低功耗。

12、第二方面，本发明提供了上述基于低维半导体结构的倍频器的制备方法，其包括以下步骤：

13、(1)构建衬底，所述衬底包括硅栅和介质层；

14、(2)在衬底上固定一wse2纳米片；

15、(3)利用pva薄膜将mote2纳米片转移至衬底上，使得所述mote2纳米片与所述wse2纳米片部分交叠形成异质结；

16、(4)去除pva薄膜，得到所述基于低维半导体结构的倍频器。

17、上述搭建异质结的方法为干法转移：利用pva薄膜和mote2纳米片与衬底材料与mote2纳米片之间结合力的不同，将mote2纳米片转移到有wse2的衬底上使其部分交叠，然后去除pva薄膜，完成mote2/wse2异质结的搭建，形成反双极性晶体管；同时未重叠的mote2纳米片部分构成mote2晶体管、未重叠的wse2纳米片部分构成wse2晶体管，三个晶体管串联，与衬底的硅栅与介质层共同组成基于低维半导体结构的倍频器。

18、优选地，所述pva薄膜的制备方法包括以下步骤：

19、(ⅰ)将聚乙烯醇加水混匀搅拌、静置，得到pva溶液；所述聚乙烯醇与水的质量比为(0.9-1.1)：3；

20、(ⅱ)将所述pva溶液滴到聚二甲基硅氧烷膜上、成膜，得到所述pva薄膜。

21、优选地，所述去除pva薄膜具体操作为：浸泡入60℃的去离子水中10min，去除pva薄膜。

22、优选地，所述mote2纳米片和所述wse2纳米片为分别为从mote2和wse2的单晶上利用单晶胶带机械剥离得到。利用蓝膜胶带机械剥离mote2和wse2纳米片，优选为表面整齐、周围残胶较少的纳米片。

23、优选地，在转移前对衬底进行清洗并利用氮气枪吹干，保证界面处没有杂质影响。

24、第三方面，本发明提供了上述基于低维半导体结构的倍频器在集成电路中的应用。

25、优选地，所述应用包括以下步骤：

26、s1.在所述基于低维半导体结构的倍频器上旋涂光刻胶、成膜，然后光刻出电极图案、显影，得到刻有电极图案的倍频器；

27、s2.在所述刻有电极图案的倍频器上热蒸镀形成电极，去掉非电极图案处的金属，得到连接电极的倍频器；

28、s3.将所述连接电极的倍频器接入集成电路中，实现所述基于低维半导体结构的倍频器在集成电路中的应用。

29、优选地，所述倍频器通过栅极输入信号，输入信号在电中性点振荡，输出倍频信号。

30、进一步优选地，所述栅极的电压在-10v-10v，所述电中性点在2-3v。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

32、本发明所提供的倍频器结构简单，制备工艺容易实现；无需额外添加滤波电路即可实现倍频功能；其能在常温下工作，且工作频率较宽，从几百到几千赫兹都可以实现倍频功能，在集成电路中有很高的应用价值。