本发明专利技术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；本发明专利技术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。基势垒的问题。基势垒的问题。
【技术实现步骤摘要】
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
[0001]本专利技术涉及半导体
，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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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
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。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。
[0004]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。
技术实现思路
[0005]为了解决现有技术的上述问题，本专利技术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。
[0006]本专利技术是这样实现的：
[0007]本专利技术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
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e/cm3。漏极为电子注入的单层C4N4，电子浓度为1.0
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e/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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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
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e/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
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e/cm3。
[0012]进一步，所述的光电二极管的通道区域的长度为3-20nm。
[0013]本专利技术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：
[0014]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
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GPa；
[0015]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；
[0016]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
[0017]图1为本专利技术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；
[0018]图2为本专利技术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；
[0019]图3为本专利技术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；
[0020]图4为本专利技术实施例一中提供的一种基于硼烯-C4N本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺园园，程娜，赵健伟，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：
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