[发明专利]基于二维材料异质结的片上红外LED及制备方法

说明书

本公开提供了一种基于二维材料异质结的片上红外LED，自下而上依次包括：衬底、第一二维绝缘薄层、第一高电导率二维薄层、N型二维薄层、直接带隙二维薄层、P型二维薄层、第二高电导率二维薄层、第二二维绝缘薄层。本公开不存在晶格失配问题，并且可通过改变有源区薄层的厚度对发光波长进行一定调整，可与硅基光子器件集成；并能增强对有源区载流子的限制，提高辐射效率；同时能够解决硅基片上光互连的光源问题，从而进一步实现片上的光通信。

技术领域

本公开涉及光电领域发光二极管的制作领域，尤其涉及一种基于二维材料异质结的片上红外LED及制备方法。

背景技术

石墨烯的发现不仅仅是给理论物理学家带来了惊喜，更让人兴奋的是它在力学、电学、光学等各方面都有着独特而优异的物理性质。它是目前发现的最薄并且也是最硬的纳米材料，它的带隙为零，但对光的透射率超过97％，并且常温下它的电子迁移率超过15000cm²V^-1s^-1，使得石墨烯在高频电子器件与透明电极等领域有着巨大的应用前景。另一方面，石墨烯的零带隙也限制了它在电子、光电领域的应用，所以一大批类石墨烯的二维材料进入了研究者的视野，它们有着各自的优良性质，例如属于二维半导体的黑磷与过渡金属硫族化合物，属于二维绝缘体的氮化硼等。

所有的二维材料都有一个共同的特点，那就是它们都是范德华层状材料，也就是说，面内的原子是通过较强的化学键相互作用的，再通过比较弱的范德华力相互作用堆叠成体材料。结构决定性质，所以二维材料有着很多体材料不具备的优势，具体说来，首先，由于在一个维度上的量子限制效应，使得二维材料的电子结构会发生改变，从而可以根据需要进行调整；其次，二维材料的表面不存在悬挂键，可以通过范德瓦尔斯异质结将两种甚至多种材料的性质进行结合，并且不存在晶格失配问题；再次，它的体积与尺寸小，在智能穿戴、柔性衬底器件上有着不错的应用前景。在本公开中，都用到了二维材料这些优势。

另一方面，随着集成电路的发展，集成电路的集成度也一直按照摩尔定律飞速向前发展。然而，随着特征尺寸的不断缩小和集成度的不断增加，虽然单个晶体管的延时和功耗越来越小，但是互连线的延时和功耗却越来越大并逐渐占据主导。于是人们把目光投向了片上光互连。光互连能解决电互连固有的瓶颈，具有高带宽、抗干扰和低功耗等优点，可用于系统芯片中时钟信号传输，解决信号的相互干扰和时钟歪斜问题。然而，至今硅基光互连存在着一个非常严重的缺陷，那就是片上光源的问题，因为硅是间接禁带半导体，发光效率特别低，无法进行集成。所以往往需要利用光栅引入外部的光源，但这一方法必然增加了工艺的复杂度与封装的难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于二维材料异质结的片上红外LED及制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于二维材料异质结的片上红外LED，自下而上依次包括：衬底、第一二维绝缘薄层、第一高电导率二维薄层、N型二维薄层、直接带隙二维薄层、P型二维薄层、第二高电导率二维薄层、第二二维绝缘薄层。

在本公开一些实施例中，所述片上红外LED的发光波长通过改变直接带隙二维薄层的厚度调节。

在本公开一些实施例中，所述直接带隙二维薄层的禁带宽度同时小于所述N型二维材料与P型二维薄层材料的禁带宽度。

在本公开一些实施例中，所述直接带隙二维薄层材料为黑磷。

在本公开一些实施例中，所述N型二维薄层材料为硫化钨；所述P型二维薄层材料为硒化钼。

在本公开一些实施例中，所述衬底的材料为硅材料。

在本公开一些实施例中，所述第一二维绝缘薄层与第二二维绝缘薄层的材料为氮化硼。