[发明专利]石墨烯/双层碲烯/硼烯范德华异质结光电二极管器件

说明书

本发明涉及一种石墨烯/双层碲烯/硼烯范德华异质结光电二极管器件，由单层石墨烯、双层碲烯和单层硼烯构成；沿水平方向D，双层碲烯自左至右由m1段、m2段和m3段组成，单层硼烯自左至右由n1段、n2段和n3段组成；单层石墨烯和m1段构成左电极区，m2段、m3段、n1段和n2段构成中心散射区，n3段构成右电极区；单层石墨烯沿水平方向D垂直堆叠在m1段上形成石墨烯/双层碲烯范德华异质结；m3段沿水平方向D垂直堆叠在n1段上形成双层碲烯/硼烯范德华异质结。本发明利用双层碲烯的晶格取向和水平施加电场的方向调控左电极与中心散射区间的横向肖特基势垒，增强光电二极管的整流效应，得到简易、高效的兼具高光探测率和高光响应度的异质结光电二极管。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种利用结构各向异性提高兼具高光探测率和高光响应度的双层碲烯/硼烯范德华异质结的光电二极管器件结构。

背景技术

下一代电子光电器件的日益小型化伴随着克服短沟道效应的要求，使人们必须探索新型的器件结构。以二维范德华异质结为例，范德华整合即是将合成好的结构单元通过范德华相互作用物理组装在一起，为人们提供了一种低能耗的整合方法，该方法不受晶格和制程的限制。二维材料的光电性质可以通过范德华整合得到调控，使范德华异质结有望应用于光电器件，诸如光电二极管、激光器、光伏电池或者光探测器等。例如，通过将MoS₂和Ti₃C₂T_x垂直堆叠，构成范德华异质结的光探测器对750nm波长光照的负响应度高达1.9A/W，探测率达到2.1×10¹⁰Jones(相当于cm·Hz^1/2·W^-1)。尽管已发现的二维半导体具有优异的器件性能，但严苛的制备条件、大尺寸单层的制备难度和低环境稳定性都成为二维范德华异质结应用于光电器件的障碍。因此，人们有必要继续探索新型的既具有更高稳定性又制备成本低廉的二维材料。

2017年，人们使用分子束外延法，以高取向度的热解石墨作为基底，成功地制备出大尺寸的新型VIA族二维原子晶体碲烯，这种材料在常温下的空气中能稳定存在2个月以上。与传统的二维层状材料不同，双层碲烯以α晶型稳定存在，在一个方向上呈非层状结构，因此赋予其独特的性质，例如载流子迁移率可从几百增至上千cm² V^-1s^-1，远高于MoS₂。此外，由于其近乎直接的带隙，碲烯的光吸收特性也十分优越。实验制得的碲烯场效应晶体管的开关比高达到106，载流子迁移率达到700cm²V^-1s^-1，远高于基于MoS₂和MoSe₂的场效应晶体管。迄今为止，尽管人们已经预测双层碲烯光探测器具有超强的各向异性的光响应度和超高的消光比，但尚未有人将双层碲烯实际应用于光电子器件。其中，很大的原因在于人们尚不清楚如何调控基于双层碲烯的范德华异质结的层间势垒，因为范德华异质结是光电子器件，尤其是光电二极管的核心部件。过去的研究通常使用调节层间距离、插入其他二维材料单层、施加垂直于异质结的外加压力或外加电场等方法实现范德华异质结的层间肖特基接触由p型转变为n型。

然而，由于在肖特基光电二极管中存在光栅压效应，电子或者空穴陷入局域电子态中，光生载流子的瞬态时间延长，导致在得到高光响应度的同时往往伴随着低光探测率。与此同时，由于存在光伏效应，较高的肖特基势垒往往会造成在负偏压下出现超低的暗电流，尽管这可以提高器件的光探测率，但也会造成低光响应度。因此，肖特基光电二极管经常遇到在光探测率和光响应度之间不得不妥协只取其一的问题。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种兼具高光探测率和高光响应度的双层碲烯/硼烯范德华异质结光电二极管器件结构，解决现有技术中光电二极管器件无法兼具高光探测率和高光响应度的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：