CN113871516A - 基于黑磷的发光器件、制备方法、发光组件及发光设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于黑磷的发光器件、制备方法、发光组件及发光设备，发光器件包括衬底，衬底为至少部分表面形成有二氧化硅薄层的硅基底；黑磷层，形成于二氧化硅薄层表面；电极，具有两个，两个电极设置于黑磷层表面；氮化硅层，择一地与两个电极中的一个连接，且氮化硅层至少覆盖于该电极的部分表面以及与该电极相邻的部分黑磷层的表面。本发明中采用在单一黑磷材料上部分蒸镀氮化硅来改变极性改进半导体的PN结结构，无需寻找合适能带结构及极性的材料匹配来进行搭筑，避免了试错和污染。

Description

基于黑磷的发光器件、制备方法、发光组件及发光设备

技术领域

本发明是关于半导体发光技术，特别是关于一种基于黑磷的发光器件、制备方法、发光组件及发光设备。

背景技术

随着微电子技术的快速发展，以硅为基础的半导体工艺面临越来越多的挑战，因此，探索制备新的材料和发现新的物理性能一直是凝聚态物理、材料科学、信息科学等多个学科研究的前沿领域。近年来，二维晶体及其新奇物理特性的不断发现为构建新型纳米结构、实现半导体器件的突破性进展提供了可能。这些新型纳米结构表现出优异的物理特性，有望用来发展高性能的电子与光电子器件，或者用以弥补传统硅基半导体器件的不足，拓展传统半导体器件的功能和应用领域。现有的PN结多以两种极性的样品堆叠或生长外延其他材料来构筑，在应用时需寻找合适能带结构及极性的材料匹配来进行搭筑，极易发生试错和污染。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于黑磷的发光器件、制备方法、发光组件及发光设备，通过采用在单一黑磷材料上部分蒸镀氮化硅来改变极性改进半导体的PN结结构，无需寻找合适能带结构及极性的材料匹配来进行搭筑，避免了试错和污染。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了基于黑磷的发光器件，包括衬底，衬底为至少部分表面形成有二氧化硅薄层的硅基底；黑磷层，形成于二氧化硅薄层表面；电极，具有两个，两个电极（两个电极间无直接连接关系）设置于黑磷层表面；氮化硅层，择一地与两个电极中的一个连接，且氮化硅层至少覆盖于该电极的部分表面以及与该电极相邻的部分黑磷层的表面。

在本发明的一个或多个实施方式中，黑磷层的厚度为10~20 nm。黑磷层太薄时，样品发光不在中红外；黑磷层太厚时，蒸镀的氮化硅起不到极性调控的作用。

在本发明的一个或多个实施方式中，硅基底为简并P型掺杂硅片或简并N型掺杂硅片。

在本发明的一个或多个实施方式中，硅基底上二氧化硅薄层厚度为100-300nm。对其尺寸特别是厚度的选择主要影响栅压的调控作用，二氧化硅较薄时栅压适当减小，二氧化硅较厚时栅压适当增加，本发明方案在更大范围内对产品的尺寸结构和性能进行调整。比如目前现有技术中应用较多的是285nm和300nm厚度的二氧化硅包覆层。

在本发明的一个或多个实施方式中，黑磷层具有对称结构，两个电极对称地设置在黑磷层表面两侧。

在本发明的一个或多个实施方式中，两个电极中的一个在黑磷层上的部分被氮化硅层完全地覆盖。

在本发明的一个或多个实施方式中，氮化硅层覆盖黑磷层的部分与黑磷层未被覆盖的部分，以两者的分界线为对称轴对称。

在本发明的一个或多个实施方式中，电极为Au/Cr电极。这里的电极可以具有多层单质材料形成的多层电极结构，如10nm的Cr层和70nm的Au层形成。这种多层结构可以通过金属单质原料蒸镀的形式实现。

在本发明的一个或多个实施方式中，基于黑磷的发光器件的制备方法，包括如下步骤：准备黑磷层和衬底，将黑磷层转移至衬底表面；在具有黑磷层的衬底表面，涂胶、光刻、曝光获得电极结构；形成金属层，去胶，形成电极；二次进行涂胶、光刻、曝光获得氮化硅层结构；沉积氮化硅层，去胶，形成氮化硅层。

在本发明的一个或多个实施方式中，发光组件，包括电源结构以及如前述的基于黑磷的发光器件，电源结构电连接到发光器件的电极以向PN结进行供电。

在本发明的一个或多个实施方式中，发光设备，包括如前述的基于黑磷的发光器件或如前述的发光组件。

与现有技术相比，根据本发明实施方式的基于黑磷的发光器件、制备方法、发光组件及发光设备，通过采用蒸镀氮化硅改变样品极性，同时还可以采用静电栅压调控来改变样品极性，在同一片黑磷样品上部分添加正栅压调控极性，可以实现同质PN结，进而可以探测PN结发光特性。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的发光器件的结构示意图；

图2是根据本发明一实施方式的发光器件的制备流程图；

图3是根据本发明一实施方式的发光器件的有无氮化硅的转移曲线（采用蒸镀获取氮化硅层）。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

作为最基本的半导体结构之一，P-N结是半导体器件物理的基础，被广泛用于二极管、晶体管、光电探测器、LED、光伏器件等。二维晶体范德瓦耳斯异质结的发展为构建新型二维P-N结提供了可能。通过耦合不同载流子类型的二维晶体，多种异质P-N结被制备出来。这些二维晶体在整流、光伏、LED、光电探测等方面表现出不错的性能。此外，通过栅电压的调控，可以很容易地实现对二维晶体P-N结性能的调控。这类研究有望拓展传统P-N结的功能和应用领域，正在受到研究人员的广泛关注，并有很多的相关报道。由于双极性二维晶体的载流子可以通过外部电场调制在P型与N型之间变化，因而可以通过结构设计，形成两个独立区域对二维晶体的调控，实现不同类型的载流子在同一二维晶体上的分布，从而形成P-N结。黑磷是一种新型的直接带隙二维材料，单层黑磷已被成功剥离出来。用二维黑磷制得的场效应晶体管其载流子迁移率可高达286cm²•V^－1•s^－1，通断比可高达10⁴。并且，其载流子迁移率与黑磷的厚度密切相关，在厚度为10nm的时候，载流子迁移率可高达1000cm²•V^－1•s^－1 (Nature Nanotech.2014,9,372)。因此，这种材料可克服石墨烯以及过渡族金属硫化物的不足，有望成为良好的二维半导体材料，并在未来的光电子领域中大显身手。本发明的提出可以为以后中红外发光器件奠定一定的基础。

如图1至图2所示，根据本发明优选实施方式的基于黑磷的发光器件，其功能结构主体具有多层结构，包括衬底1以及顺次地形成于衬底1上的黑磷层2和设置于黑磷层2以参与构建PN结的氮化硅层4。为了构建本申请独特的PN结结构，氮化硅层4形成于黑磷层2的部分区域，即形成了黑磷/氮化硅多层结构与黑磷层2单层结构共同形成的PN结结构。此时，用于供电的两个电极31、32分别与黑磷层2上被覆盖氮化硅层4的部分和未覆盖氮化硅层4的部分电连接，在两电极31、32之间构成了半导体器件载流子的流动路径。

在本发明的一个或多个实施方式中，为了满足PN结构建以及场效应，在实施过程中对黑磷层2尺寸结构，包括厚度等进行筛选，可以由机械剥离获得的黑磷薄片中选择特定厚度，如以10-20nm的部分来作为PN结中黑磷层2结构。

在本发明的一个或多个实施方式中，黑磷层2可以选择对称结构，可以为如图1中所展示的矩形。当然黑磷层2也可以其它的形状，如圆形等。此时两个电极31、32可以为以轴对称形式对称地设置到黑磷层2上，此时对称轴可以视作经过黑磷层2的几何中心。当然电极31、32在黑磷层2上的设置位置可以为邻近几何中心的近中心位置，也可以为远离几何中心的边沿位置。

在本发明的一个或多个实施方式中，为了制作场效应晶体管FET，首先可以使用胶带从大块黑磷晶体上机械剥离获得具有薄层结构的黑磷薄片，可以为单层的也可以为多层的黑磷层2，并将黑磷层2转移到包覆厚度285nm二氧化硅的简并P型掺杂硅片即衬底1上。然后在光学显微镜下利用光学对比度选择厚度为10~20nm的薄片样品，当然这一筛选过程也可以为在黑磷层2转移到衬底1上前完成。

在此基础上，采用涂胶、根据设计模型进行电子束光刻(EBL)曝光、电子束蒸发器和剥离等光刻和薄层制备相关工艺制备Au/Cr (金层70nm厚/铬层10nm厚，注意电极的厚度不可以太薄，否则易发生加电损毁。当然根据产品需要，还可以采用其它厚度的电极)电极31、32。为了避免氧气和水的降解等环境因素的影响，在制造过程中暴露在环境中的总时间领域被控制在1小时内。

随后二次进行涂胶、电子束光刻(EBL)、曝光、除胶等工艺，从而依据设计图案暴露一侧的黑磷和一个电极31，而后用Oxford Plasmalab系统-100电感耦合等离子体化学气相沉积(ICPCVD)系统进行氮化硅的沉积。工艺气体为硅烷(40sccm)和氮气(40sccm)，沉积时间为30s。沉积温度保持在70℃，来避免黑磷的损伤，最后在黑磷表面沉积约30nm的氮化硅。

注意的是，为了避免机械剥离引入杂质而影响到黑磷层2的效能，在器件制造之前，可以将黑磷薄片浸泡到丙酮中进行除胶，比如将带有黑磷薄片的基片浸泡在丙酮中几个小时以去除胶带残留物。工作中，当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

为探测到有效的中红电致发光信号，需要黑磷层样品尽量大，结区发光面积也会较大。这里对机械剥离大面积黑磷提出了较高要求。如PN结结区长度为20微米（即图1中区域2和区域4的交线），在PN结结区的3微米宽度范围内（以交线为中心的区域）会有电子空穴对的复合，在这里发光面积将为20微米×3微米。

如图3所示的，从氮化硅蒸镀前后器件的转移曲线看出，蒸镀前黑磷为P型，蒸镀后为N型，证明此种方法的确可以使黑磷极性改变，可以用这种方法构筑异质结。

向p-n结注入电子和空穴是实现电致发光的最简单方法，使用本发明的方法可以构筑同质PN结，在此基础上通过向P区注入空穴，向N区注入电子，在PN结结区附近将会存在电子-空穴对的复合，随着两端电压的不断增加，单位时间结区电子-空穴复合数量不断增加，发光效率逐渐提升，可以在红外信号收集系统中探测到发射的光子，由此实现基于黑磷的同质PN结的电致发光器件。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种基于黑磷的发光器件，其特征在于，包括

衬底，所述衬底为至少部分表面形成有二氧化硅薄层的硅基底；

黑磷层，形成于二氧化硅薄层表面；

电极，具有两个，两个所述电极设置于黑磷层表面；

氮化硅层，择一地与两个电极中的一个连接，且氮化硅层至少覆盖于该电极的部分表面以及与该电极相邻的部分黑磷层的表面。

2.如权利要求1所述的基于黑磷的发光器件，其特征在于，所述黑磷层的厚度为10~20nm。

3.如权利要求1所述的基于黑磷的发光器件，其特征在于，所述硅基底为简并P型掺杂硅片或简并N型掺杂硅片。

4.如权利要求1所述的基于黑磷的发光器件，其特征在于，所述黑磷层具有对称结构，两个所述电极对称地设置在黑磷层表面两侧。

5.如权利要求4所述的基于黑磷的发光器件，其特征在于，两个所述电极中的一个在黑磷层上的部分被所述氮化硅层完全地覆盖。

6.如权利要求5所述的基于黑磷的发光器件，其特征在于，所述氮化硅层覆盖黑磷层的部分与所述黑磷层未被覆盖的部分，以两者的分界线为对称轴对称。

7.如权利要求1所述的基于黑磷的发光器件，其特征在于，所述电极为Au/Cr电极。

8.如权利要求1-7任一所述的基于黑磷的发光器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

准备黑磷层和衬底，将黑磷层转移至衬底表面；

在具有黑磷层的衬底表面，涂胶、光刻、曝光获得电极结构；

形成金属层，去胶，形成电极；

二次进行涂胶、光刻、曝光获得氮化硅层结构；

沉积氮化硅层，去胶，形成氮化硅层。

9.发光组件，其特征在于，包括电源结构以及如权利要求1-7任一所述的基于黑磷的发光器件，所述电源结构电连接到所述发光器件的电极以向PN结进行供电。

10.发光设备，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的基于黑磷的发光器件或如权利要求9所述的发光组件。

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