CN112349795B - 一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构 - Google Patents
一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构，属于半导体技术领域，包括：源极：空穴注入的单层硼烯，漏极：电子注入的单层C4N4，光敏结构：包括本征单层硼烯与本征单层C4N4垂直堆叠形成的范德华异质结；以及分别与本征单层硼烯和C4N4连接的源漏极；其中硼烯和C4N4的能带结构呈现交错方式的能带重排。其中，在硼烯的上表面设置以HfO2为材质的介电层和上金属电极作为顶栅，在C4N4的下表面设置以BN为材质的介电层和下金属电极作为底栅，形成双栅极结构。分别在上下表面的栅极上设置门电压，通过双门压调控发光二极管电子传输的非对称性；本发明的结构能够解决现有技术中无法有效调控范德华异质结层间肖特基势垒的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种利用高肖特基势垒提高光吸收强度和光电流的范德华异质结的光电二极管器件结构。
背景技术
二维材料是一大类材料的统称，指的是在一个维度上材料尺寸减小到极限的原子层厚度，而在其他两个维度上材料尺寸相对较大，最典型也是最早实验证明的二维材料是石墨烯。除石墨烯之外，其他的二维材料还包括：单元素的硅烯、锗烯、锡烯、硼烯和黑磷等，过渡金属硫族化合物如MoS2、WSe2、ReS2、PtSe2、 NbSe2等，主族金属硫族化合物如GaS、InSe、SnS、SnS2等，以及其他二维材料如h-BN、CrI3、NiPS3、Bi2O2Se等。这些二维材料具有完全不同的能带结构以及电学性质，覆盖了从超导体、金属、半金属、半导体到绝缘体等材料类型。同时，它们也具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质。把不同的二维材料通过弱范德华作用力(存在于中性分子或原子之间的弱相互作用)堆叠在一起形成范德华异质结。与普通异质结相比，范德华异质结是利用多维度材料的范德华整合策略来摆脱异质结中不同材料间的晶格失配和加工工艺的限制等问题的影响。
这种新型的二维半导体范德华异质结在光电子器件领域得到广泛应用，诸如二极管、光电二极管、双极性晶体管以及太阳能电池等。例如，将p型黑磷与n 型PdSe2垂直堆叠构建范德华异质结发光二极管，对波长532nm的可见光响应达到9.6×105AW-1。但是上述二维半导体范德华异质结应用于光电二极管还存在以下问题：不同材料间的费米钉扎效应导致范德华异质结上存在的肖特基势垒难以调控。肖特基势垒的高度直接决定了范德华异质结上光电流和暗电流的差值。因此，高肖特基势垒可以促进提高光电二极管的光信号强度。然而与此同时，高肖特基势垒往往会降低电子在范德华异质结上的传输效率，降低光电二极管的光电流绝对值。
在不降低电子传输效率的前提下，提高范德华异质结的层间肖特基势垒是本领域技术人员期望克服的。
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电子传输效率和高肖特基势垒的范德华异质结光电二极管器件结构，解决现有技术中无法有效调控范德华异质结层间肖特基势垒的问题。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种具有高电子传输非对称性的范德华异质结光电二极管器件结构，包括：源极、漏极以及光敏结构。其中的源极为空穴注入的单层硼烯，空穴浓度为1.0×1018-5.0×1022e/cm3。漏极为电子注入的单层C4N4，电子浓度为 1.0×1018-5.0×1022e/cm3。光敏结构包括本征单层硼烯与本征单层C4N4垂直堆叠形成的范德华异质结；以及分别与本征单层硼烯和C4N4连接的源漏极；其中硼烯和C4N4的能带结构呈现交错方式的能带重排，光敏结构中，垂直堆叠形成的重叠区域的材质决定所述光电二极管吸收光的波长。
所述的单层硼烯与单层C4N4进行垂直堆叠形成范德华异质结，所述的单层硼烯和单层C4N4的能带结构呈现交错方式的能带重排；所述的单层硼烯的上表面设置顶介电层；顶介电层上表面设置上金属电极，顶介电层及其与之相接触的上金属电极共同组成顶栅电极；所述的单层C4N4的下表面设置底介电层；底介电层下表面设置下金属电极，底电极层及其与之相接触的下金属电极共同组成底栅电极；顶栅电极以及底栅电极形成双栅极结构，所述的顶栅电极以及底栅电极至上而下覆盖的区域形成光电二极管的通道区域。
进一步，所述的顶介电层的厚度为4-100nm，具体的，所述的顶介电层由介电常数为-30-50的HfO2构成，HfO2层的上表面设置厚度为4-100nm的上金属电极，HfO2层及其与之相接触的上金属电极共同组成顶栅电极。
进一步，所述的底介电层的厚度为4-100nm，具体的，所述的底介电层由介电常数为1-10的BN构成，在BN层的下表面设置厚度为4-100nm的下金属电极，BN层及其与之相连的下金属电极共同构成底栅电极。分别在上下表面的金属电极上，即在顶栅电极以及底栅电极设置门电压，通过双门压调控发光二极管电子传输的非对称性。
进一步，所述的单层硼烯的始端注入空穴作为光电二极管的源极，空穴掺杂浓度为1.0×1018-5.0×1022e/cm3；所述的单层C4N4的末端注入电子作为光电二极管的漏极，电子掺杂浓度为1.0×1018-5.0×1022e/cm3。
进一步，所述的光电二极管的通道区域的长度为3-20nm。
本发明公开了一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构，其特征在于，可以通过范德华异质结表面吸附锂离子，提高范德华异质结层间肖特基势垒和增强光电二极管吸收光强度，锂离子的吸附位置决定光电二极管的吸收光强度，具体的方法为：
步骤一、建立不同锂离子吸附位置的硼烯-C4N4范德华异质结晶胞模型：采用PBE-GGA泛函，利用广义梯度近似方法计算锂离子吸附的硼烯-C4N4范德华异质结晶胞中的B、C、N原子和Li离子的电子交换关联势，优化各吸附位置的晶胞结构至原子间力小于
晶格张力小于5.0×10-3GPa；
步骤二、将晶胞沿平面方向重复10-40次，始端的单层硼烯和末端的单层 C4N4作为源极和漏极构建光电二极管模型；采用PBE-GGA泛函，利用 NEGF-DFT方法，在光电二极管器件结构模型的源漏极两端施加-1.0V至1.0V 的偏压，进行电子输运计算得到电流-电压曲线；
步骤三、根据电流-电压曲线选择最佳的锂离子吸附位置。锂离子的吸附位置决定所述光电二极管的吸收光强度。锂离子与C4N4层间存在强烈的电荷转移，将大量电子注入C4N4层中，增强硼烯与C4N4间能带排布的交错程度。锂离子吸附在C4N4层下表面显著升高硼烯与C4N4层间的肖特基势垒，增强光电二极管的光响应强度。锂离子的高导电性提升电子在范德华异质结上的传输效率，增强光电二极管的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构的单层硼烯示意图；
图2为本发明一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构的单层C4N4示意图；
图3为本发明一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构中作为光敏结构的单层硼烯与单层C4N4垂直堆叠的重叠区域；
图4为本发明实施例一中提供的一种基于硼烯-C4N4范德华异质结的光电二极管的器件结构示意图；
图5为本发明实施例二中提供的一种表面吸附锂离子的硼烯-C4N4范德华异质结光电二极管的器件结构示意图；
图6为本发明实施例一中范德华异质结各层材料改变后能带结构的变化；
图7为本发明实施例二中对比改变锂离子吸附位置后范德华异质结能带结构的变化；
图8为本发明实施例一中单层材料和不同材料垂直堆叠构建范德华异质结光吸收谱的对比；
图9为本发明实施例二中不同锂离子吸附位置的范德华异质结光吸收谱的对比；
图10为不同材料堆叠的范德华异质结和不同锂离子吸附位置条件下的层间肖特基势垒对比；
图11为实施例二中锂离子吸附前后及位置不同条件下光电二极管在正反向偏压下的电流响应和整流比；
其中，1-源极，2-漏极，3-单层硼烯，4-单层C4N4，5-上金属电极，6-下金属电极，7-顶介电层，8-底介电层，9-通道区域，10-范德华异质结，11-锂离子吸附在硼烯-C4N4范德华异质结上表面，12-锂离子吸附在硼烯-C4N4范德华异质结夹层中，13-锂离子吸附在硼烯-C4N4范德华异质结下表面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为构成范德华异质结的一种层状材料，即单层硼烯，其结构属于α晶型。图2所示的为构成范德华异质结的另一种层状材料，即单层C4N4。图3为单层硼烯与单层C4N4垂直堆叠后，考虑最大程度的晶格匹配，得到的范德华异质结10。
如图6所示，改变范德华异质结各层材料由双层硼烯、双层C4N4到硼烯-C4N4。与零带隙的双层硼烯、带隙0.66eV的双层C4N4相比，硼烯-C4N4的能带结构呈现一种交错方式的II型能带排列，带隙为零。
如图8所示，单层硼烯与单层C4N4垂直堆叠可以使异质结中电子和空穴有效分离，从而在红外光激励的作用下，能有效的调动硼烯层产生光电流。范德华异质结结构由双层硼烯、双层C4N4改变至硼烯-C4N4，吸收光谱的波长逐渐红移，与此同时强度也显著增加。因此，可以通过改变范德华异质结各层材料来调控异质结吸收光的波长和吸光效率。
如图10所示，改变范德华异质结各层材料，与双层硼烯和双层C4N4这两种范德华同质结几乎为零的肖特基势垒相比，硼烯-C4N4范德华异质结的肖特基势垒显著提高到6.16eV。高的肖特基势垒有助于增大光电二极管暗电流与光电流间的反差，从而提升器件性能。
如图7所示，锂离子吸附在硼烯-C4N4范德华异质结的上表面11，即硼烯的上表面能在导带引入大量能级，为异质结提供大量电子；锂离子吸附在硼烯-C4N4范德华异质结的中间夹层12，即硼烯的下表面和C4N4的上表面，分别在导带和价带引入能级，因此分别在硼烯层注入电子，在C4N4层注入空穴；锂离子吸附在硼烯-C4N4范德华异质结的下表面13，即C4N4层的下表面能在价带引入大量能级，为范德华异质结提供大量空穴。无论是哪种吸附位置，锂离子的吸附都能增强硼烯与C4N4层间的电荷转移，因此都能增强范德华异质结能带结构中能带排列的交错程度，其中锂离子吸附在范德华异质结的下表面时，能带排列的交错程度最明显。
如图9所示，锂离子吸附位置逐渐由范德华异质结的上表面移动到下表面后，异质结在从近红外-中红外-远红外整个红外光区域呈现出越来越强的光吸收能力，将有助于提高光电二极管的光捕捉能力。
如图11所示，锂离子吸附前后，范德华异质结的硼烯层的Hartree电势始终高于C4N4层，从而在硼烯与C4N4层间产生肖特基势垒。锂离子吸附位置逐渐由范德华异质结的上表面移动到下表面后，层间肖特基势垒逐渐由5.00eV升高至 6.05eV。因此，利用锂离子吸附可以进一步调控硼烯-C4N4范德华异质结的肖特基势垒。
以下结合实施例一和实施例二对图4和图5所示结构进行详细介绍：
实施例一
图4为本发明实施例一中提供的一种基于硼烯-C4N4范德华异质结的光电二极管的结构示意图。该光电二极管包括：本征金属性的单层硼烯3、带隙为0.74 eV(图6)的n型导电的单层C4N44、单层硼烯3的始端注入浓度为 1.0×1018-5.0×1022e/cm3的空穴，作为光电二极管的源极1、单层C4N44的末端注入浓度为1.0×1018-5.0×1022e/cm3的电子，作为光电二极管的漏极2。单层硼烯3 与单层C4N44进行垂直堆叠形成范德华异质结10。这两种材料的能带关系呈现一种交错方式的II型能带排列，可以使异质结中的电子和空穴有效分离，能有效地调动硼烯对整个红外光区的光吸收产生电传感行为。光电二极管通道区域9 的长度为3-20nm，通道区域9内单层硼烯层3的上表面设置顶介电层7，由厚度为4-100nm、介电常数为30-50的HfO2构成，在HfO2层的上表面设置厚度为 4-100nm的上金属电极5，HfO2层及其与之相接触的金属电极共同组成顶栅电极。与之相对应的是在通道区域9内的C4N4层下表面设置底介电层8，由厚度为4-100nm、介电常数为1-10的BN构成，在BN层的下表面设置厚度为4-100 nm的下金属电极6，BN层及其与之相连的金属电极共同构成底栅电极。可以通过分别控制顶栅电极和底栅电极的门电压，进一步调控范德华异质结的层间肖特基，从而达到提升器件光探测能力的目的。
图5为本发明实施例二中提供的一种利用锂离子吸附进一步调控硼烯-C4N4范德华异质结吸收光的强度和层间肖特基势垒的光电二极管器件结构示意图。锂离子吸附位置从异质结的上表面11，即硼烯层的上表面逐渐下移到异质结的夹层，即硼烯层的下表面和C4N4层的上表面，锂离子吸附在硼烯-C4N4范德华异质结夹层中12，再下移至C4N4层的下表面13。
作为优选方案，最佳的锂离子吸附位置是通过理论计算方法确定。与传统的实验尝试方法相比，理论计算方法操作方便，省时省力，是本发明的优势。锂离子最佳吸附位置的具体确定步骤如下：
建立不同锂离子吸附位置的硼烯-C4N4范德华异质结晶胞模型。采用 PBE-GGA泛函，利用广义梯度近似方法计算锂离子吸附的硼烯-C4N4范德华异质结晶胞中的B、C、N原子和Li离子的电子交换关联势，优化各吸附位置的晶胞结构至原子间力小于
晶格张力小于5.0×10-3GPa。通过GGA计算电子交换关联势是为了能得到更稳定的晶胞结构，进而得到更真实的电子结构，为确定锂离子最佳吸附位置提供依据。一般来说，多粒子体系的电子密度分布并不均匀，所以以均匀电子气为模型的局域密度近似并不需适合所有模型，为了使交换关联泛函更接近实际情况，在局域密度近似的基础上加一项与密度有关的能量泛函，而广义梯度近似就将电子密度的不均匀性包含在了关联泛函中，使得计算结果更加精确。
然后将晶胞沿平面方向重复10-40次，始端的单层硼烯和末端的单层C4N4作为源极和漏极构建光电二极管模型。采用PBE-GGA泛函，利用NEGF-DFT 方法，在光电二极管器件结构模型的源漏极两端施加-1.0V至1.0V的偏压，进行电子输运计算得到电流-电压曲线。
根据电流-电压曲线选择最佳的锂离子吸附位置。
以上结构优化和电子输运计算都是采用QuantumATK程序包，晶胞结构优化的k点采用5×5×5，电子输运计算的k点采用5×5×150。所有的物理量都是k 点的函数，所以要想计算一个物理量，需要对k点求平均，原则上k点需要取无穷多个才能计算准确，但是，考虑到数值计算时间和精度的容忍度，本发明选择有限的k点来近似计算这些物理量。
如图11所示，当锂离子吸附在硼烯-C4N4范德华异质结的上表面和夹层中的时候，光电二极管在正负偏压下的电流均比吸附前有所衰减。器件的电流整流比 (R)：R＝I(+)/I(-)，其中I(+)和I(-)分别代表正向偏压和负向偏压下的电流值， R值越接近1代表器件的整流效应越弱，对应到光电二极管器件中代表光电流和暗电流之间无明显差别，因此光探测能力弱。经比较，上述三种器件结构下的整流比未发现明显提升。这是由于层间肖特基势垒降低不利于提升器件源漏极间电子输运的不对称性，因此低电流整流比将直接导致光电二极管的光探测能力较弱。与此形成鲜明对比的是，当锂离子吸附位置下移至硼烯-C4N4范德华异质结的下表面时，正向偏压电流得到显著提升，而负向偏压电流则比锂离子吸附前和其他吸附位置器件结构的更低，电流整流比远高于其他吸附位置的二极管器件。在偏压绝对值达到0.6V时，正向偏压下的电流几乎是负向偏压电流值的4倍，达到最高整流比，因此C4N4层的下表面是提升光电二极管器件性能的最佳锂离子吸附位置。通过对比器件结构和层间肖特基势垒变化可知，锂离子与C4N4层间的电荷转移可以促进电子在正向偏压下由C4N4层传输至硼烯层，而负向偏压下则阻碍了电子由硼烯层传输至C4N4层，造成器件源漏极间电子输运的不对称性提升。硼烯层与C4N4层间升高的肖特基势垒有助于形成光生电势，进而产生更多的载流子，减少载流子扩散时间以及在扩散中的复合损失。因此，当锂离子吸附在硼烯-C4N4范德华异质结的下表面能最大程度地提升光电二极管的器件性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构，其特征在于，所述的结构包括单层硼烯(3)，以及与单层硼烯(3)进行垂直堆叠的单层C4N4(4)，所述的单层硼烯(3)与单层C4N4(4)进行垂直堆叠形成范德华异质结(10)，所述的单层硼烯(3)和单层C4N4(4)的能带结构呈现交错方式的能带重排；
所述的单层硼烯(3)的上表面设置顶介电层(7)；顶介电层(7)上表面设置上金属电极(5)，顶介电层(7)及其与之相接触的上金属电极(5)共同组成顶栅电极；
所述的单层C4N4(4)的下表面设置底介电层(8)；底介电层(8)下表面设置下金属电极(6)，底介电层(8)及其与之相接触的下金属电极(6)共同组成底栅电极；
顶栅电极以及底栅电极形成双栅极结构，所述的顶栅电极以及底栅电极至上而下覆盖的区域形成光电二极管的通道区域(9)。
2.根据权利要求1所述的一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构，其特征在于，所述的顶介电层(7)的厚度为4-100nm，具体的，所述的顶介电层(7)由介电常数为30-50的HfO2构成，HfO2层的上表面设置厚度为4-100nm的上金属电极(5)，HfO2层及其与之相接触的金属电极共同组成顶栅电极。
3.根据权利要求1所述的一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构，其特征在于，所述的底介电层(8)的厚度为4-100nm，具体的，所述的底介电层(8)由介电常数为1-10的BN构成，在BN层的下表面设置厚度为4-100nm的下金属电极(6)，BN层及其与之相连的金属电极共同构成底栅电极。
4.根据权利要求1所述的一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构，其特征在于，所述的单层硼烯(3)的始端注入空穴作为光电二极管的源极(1)，空穴掺杂浓度为1.0×1018-5.0×1022e/cm3；所述的单层C4N4(4)的末端注入电子作为光电二极管的漏极(2)，电子掺杂浓度为1.0×1018-5.0×1022e/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构，其特征在于，所述的光电二极管的通道区域(9)的长度为3-20nm。
6.根据权利要求1～5任一所述的一种表面吸附锂离子的范德华异质结光电二极管器件结构，其特征在于，通过范德华异质结(10)表面吸附锂离子，降低范德华异质结层间肖特基势垒和增强光电二极管吸收光强度，锂离子的吸附位置决定光电二极管的吸收光强度，具体的方法为：
步骤一、建立不同锂离子吸附位置的硼烯-C4N4范德华异质结晶胞模型：采用PBE-GGA泛函，利用广义梯度近似方法计算锂离子吸附的硼烯-C4N4范德华异质结晶胞中的B、C、N原子和Li离子的电子交换关联势，优化各吸附位置的晶胞结构至原子间力小于
晶格张力小于5.0×10-3GPa；
步骤二、将晶胞沿平面方向重复10-40次，始端的单层硼烯和末端的单层C4N4作为源极和漏极构建光电二极管模型；采用PBE-GGA泛函，利用NEGF-DFT方法，在光电二极管器件结构模型的源漏极两端施加-1.0V至1.0V的偏压，进行电子输运计算得到电流-电压曲线；
步骤三、根据电流-电压曲线选择最佳的锂离子吸附位置。
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