本发明半导体器件，具体涉及一种氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件及制备方法。
背景技术：
1、目前，以金刚石为代表的宽禁带半导体材料具有高临界击穿电场，可以在相同击穿电压时实现更低的电容及导通电阻，是支撑电力电子、5g移动通信(5th generationmobile communication technology，第五代移动通信技术)、新能源汽车等产业创新发展和转型升级的核心材料。
2、金刚石的禁带宽度大至5.47ev，击穿场强高达10mv/cm，载流子迁移率高，电子4500cm2/v·s，空穴3800cm2/v·s，热导率高达22w/(cm·k)，baliga优值极高，比较适合制备超大功率、超高频率的电子器件，应用于较为严苛的环境之中。研究发现，将经过氢等离子体处理的氢终端金刚石暴露在空气中一段时间，其表面会形成一层二维空穴气2dhg，表现为p型电导，空穴浓度一般在1012cm-2～1014cm-2，表面空穴迁移率在20cm2·v-1·s-1～680cm2·v-1·s-1范围内，因此可用于制备高性能p型场效应晶体管。作为逻辑电路应用中的重要组成部分，cmos反相器(complementary metal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物半导体反相器)的设计一直都是一个研究热点。在应用中，cmos反相器具有静态功耗小、输出摆幅大和抗干扰能力强等优点。然而，目前由于技术限制，金刚石材料n型掺杂尚未达到电子器件使用要求，因此无法实现全金刚石材料的cmos器件。
技术实现思路
1、本发明的目的在于，提供一种氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件及制备方法，解决现有金刚石难以实现n型mos器件的问题，利用氢终端表面的二维空穴气沟道和二维半导体材料分别实现p型导电沟道和n型导电沟道增强型晶体管，从而实现在金刚石上的单片集成的互补器件。
2、为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
3、本发明的目的之一是提供一种氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，包括：
4、金刚石衬底，其上表面设有金刚石外延薄膜层，所述金刚石外延薄膜层的上表面设有氢终端二维空穴气层，位于所述氢终端二维空穴气层外侧的所述金刚石外延薄膜层的上表面还设有台面隔离区；所述氢终端二维空穴气层的上表面两端分别设有第二源电极和第二漏电极，所述氢终端二维空穴气层上设有第二栅电极，第二栅电极位于所述第二源电极和第二漏电极之间。
5、二维半导体层，其设置在所述台面隔离区的上表面，且位于所述氢终端二维空穴气层的一侧，所述二维半导体层的上表面两端分别设有第一源电极和第一漏电极，位于所述第一源电极和所述第一漏电极之间的所述二维半导体层的上表面设有第一栅电极；
6、所述第一漏电极和第二漏电极金属互连，所述第一栅电极和第二栅电极金属互连，形成互补器件。
7、需要说明的是，所述第二源电极和所述第二漏电极的一部分位于氢终端二维空穴气层上表面，用于形成欧姆接触，另一部分位于台面隔离区上。
8、进一步的，所述第二栅极介质层与所述第二源电极和第二漏电极均接触，所述第二栅电极位于所述第二源电极和第二漏电极之间，且与所述第二源电极和第二漏电极均不接触。
9、进一步的，所述第一栅极介质层与所述第一源电极和第一漏电极均接触，所述第一栅电极与所述第一源电极和第一漏电极均不接触。
10、进一步的，上述氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，所述金刚石外延薄膜层的厚度为1nm～100μm，电阻率大于等于100mω·cm，均方根表面粗糙度小于等于0.5nm，拉曼曲线半峰宽小于等于2cm-1，xrd(x-ray diffraction，x射线衍射)摇摆曲线半峰宽小于等于30arcsec。
11、进一步的，上述氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，所述氢终端二维空穴气层的p型导电沟道内面载流子浓度为1×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为20cm2/v·s～2500cm2/v·s，氢终端二维空穴气层的厚度为1nm～20nm。
12、进一步的，上述氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，所述二维半导体层的n型导电沟道长度为5nm～100μm，厚度为1～8nm，其中，第一源电极和第一漏电极之间的距离为n型导电沟道长度；n型导电沟道内面载流子浓度为1×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为1cm2/v·s～20000cm2/v·s。
13、进一步的，上述氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，所述二维半导体层为石墨烯、mos2、res2、ws2或wse2。
14、进一步的，上述氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，所述第一栅极介质层和第二栅极介质层的厚度均为0nm～500nm，所述第一栅极介质层和第二栅极介质层的材料为sio2、sinx、hfo2、al2o3或zro2，也可以没有第一栅极介质层和第二栅极介质层。
15、当存在第一栅极介质层和第二栅极介质层时，所述氢终端二维空穴气层上设有所述第二栅极介质层，所述第二栅极介质层位于所述第二源电极和所述第二漏电极之间，所述第二栅极介质层上设有所述第二栅电极；
16、位于所述第一源电极和所述第一漏电极之间的所述二维半导体层的上表面设有所述第一栅极介质层，所述第一栅极介质层上设有所述第一栅电极。
17、进一步的，上述氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，所述第一源电极、第一漏电极、第二源电极、第二漏电极、第一栅电极和第二栅电极的厚度均为10nm～500nm。
18、本发明的目的之二是提供上述氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件的制备方法，包括以下步骤：
19、提供一金刚石衬底为基底；
20、在金刚石衬底表面沉积金刚石外延薄膜层；
21、对金刚石外延薄膜层的表面进行氢化处理，得到二维空穴气层；
22、利用光刻技术将掩膜覆盖部分二维空穴气层，对其余部分二维空穴气层进行刻蚀，被掩膜覆盖区域形成氢终端二维空穴气层，作为p型导电沟道区域，刻蚀后的区域形成台面隔离区；
23、对氢终端二维空穴气层表面进行沉积保护层；
24、将二维半导体材料转移至台面隔离区和保护层的表面；
25、利用光刻技术将掩膜覆盖部分二维半导体材料，部分二维半导体材料作为n型导电沟道区域，刻蚀去除非n型导电沟道区域的二维半导体材料，形成二维半导体层；
26、在二维半导体层的两端分别形成第一源电极和第一漏电极欧姆接触，在氢终端二维空穴气层的两端分别形成第二源电极和第二漏电极欧姆接触；
27、在二维半导体层的上表面形成第一栅极介质层，在终端二维空穴气层的上表面形成第二栅极介质层；
28、在第一栅极介质层的上表面形成第一栅电极，在第二栅极介质层的上表面形成第二栅电极；
29、将第一漏电极和第二漏电极金属互连，将所述第一栅电极和第二栅电极金属互连，形成互补器件，互补器件中氢终端二维空穴气层作为p型导电沟道，二维半导体层作为n型导电沟道，载流子在p型导电沟道与n型导电沟道内迁移。
30、进一步的，氢化处理是将样品置于氢等离子体或者氢气气氛中，于500℃～900℃氢化处理10s～2h，氢等离子体或氢气气氛中的氢气流量为50～1000sccm，氢化处理后二维空穴气层的载流子浓度为1×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为20cm2/v·s～2500cm2/v·s。
31、进一步的，所述氧等离子体刻蚀过程中，功率为30w～300w，速率为1nm/min～1000nm/min；所述保护层为金属或介质材料层。
32、进一步的，掩膜覆盖过程中，掩膜材料为光刻胶、金属或介质材料。
33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
34、本发明提供的互补器件，氢终端二维空穴气作为p型导电沟道，二维半导体作为n型导电沟道，载流子在两个沟道内迁移；通过将p型氢终端金刚石和n型二维半导体结合在一起制备金刚石基半导体互补器件，有效规避了目前金刚石难以实现n型mos器件(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的技术难题，充分发挥了金刚石与二维材料各自的优势，实现了高性能金刚石基单片集成cmos器件；金刚石与二维半导体载流子迁移率高，单片集成减小器件间距，确保cmos器件拥有高的开关速度和低损耗；金刚石热导率高、抗辐照强，降低器件结温，确保cmos器件能够应用于高温、强辐照环境应用的高性能超宽禁带半导体互补器件，证实了金刚石在集成电路的应用方面具有巨大的潜力。
1.一种氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，其特征在于，所述金刚石外延薄膜层(2)的厚度为1nm～100μm，电阻率大于等于100mω·cm，均方根表面粗糙度小于等于0.5nm，拉曼曲线半峰宽小于等于2cm-1，xrd摇摆曲线半峰宽小于等于30arcsec。
3.根据权利要求1所述的氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，其特征在于，所述氢终端二维空穴气层(3)的p型导电沟道内面载流子浓度为1×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为20cm2/v·s～2500cm2/v·s，氢终端二维空穴气层(3)的厚度为1nm～20nm。
4.根据权利要求1所述的氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，其特征在于，所述二维半导体层(5)的n型导电沟道长度为5nm～100μm，厚度为1nm～8nm，n型导电沟道内面载流子浓度为1×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为1cm2/v·s～20000cm2/v·s。
5.根据权利要求1所述的氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，其特征在于，所述二维半导体层(5)的材料为石墨烯、mos2、res2、ws2或wse2。
6.根据权利要求1所述的氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，其特征在于，所述第一源电极(6)、所述第一漏电极(7)、所述第二源电极(8)、所述第二漏电极(9)、所述第一栅电极(12)和所述第二栅电极(13)的厚度均为10nm～500nm。
7.根据权利要求1所述的氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件，其特征在于，还包括第一栅极介质层(10)和第二栅极介质层(11)，所述第一栅极介质层(10)和第二栅极介质层(11)的厚度均小于等于500nm；
8.一种利用权利要求7所述的氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件的制备方法，其特征在于，氢化处理是将样品置于氢等离子体或者氢气气氛中，于500℃～900℃氢化处理10s～2h，氢等离子体或氢气气氛中的氢气流量为50～1000sccm，氢化处理后二维空穴气层的载流子浓度为1×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为20cm2/v·s～2500cm2/v·s。
10.根据权利要求8所述的氢终端金刚石/二维半导体单片集成的互补器件的制备方法，其特征在于，所述刻蚀采用氧等离子体刻蚀，功率为30w～300w，速率为1nm/min～1000nm/min。
