[发明专利]二维黑磷PN结、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种二维黑磷PN结，其可以包括二维黑磷薄膜，至少所述黑磷薄膜表面的局部区域覆设有具有电荷转移特性的薄膜；并且至少在所述黑磷薄膜与具有电荷转移特性的薄膜的结合界面处，黑磷薄膜被所述具有电荷转移掺杂特性的薄膜的组成物质掺杂而形成n型半导体；同时所述黑磷薄膜还包含作为p型半导体的黑磷；所述n型半导体与p型半导体结合形成PN结。本发明还公开了所述二维黑磷PN结的制备方法。本发明提供的黑磷PN结具有单向导通性、光伏特效等性能，适应于制备整流二极管、开关二极管、光伏电池等微纳器件，同时其制备方法简单高效，可重复性好，与常规的半导体工艺兼容，对实现黑磷在多领域的广泛应用具有积极意义。

技术领域

本发明一种二维半导体PN结的制备方法，特别涉及一种二维黑磷PN结、其制备方法及应用，例如在整流二极管、开关二极管、光探测器、光伏电池中的应用。

背景技术

自2004年石墨烯首次被发现以来，二维材料因其独特的性能受到了广泛的研究热潮。石墨烯具有优异力学、电学、光学、热学等性能，在透明导电电极、超级电容器、柔性器件、电池等诸多领域有巨大的应用潜能。但是石墨烯的缺点是没有带隙，所以不能应用于逻辑电路。过渡金属硫族化合物(TMDs)如MoS₂、WS₂等二维材料具有带隙，但其带隙范围较窄(1.2～1.8eV),在光探测器的应用方面就受到了限制。此外，TMDs的载流子迁移率低于现有的硅材料和石墨烯，这也限制了其在集成电路方面的性能表现。

因此，开发一种能弥补石墨烯与TMDs之间的带隙空白，又具有优异载流子迁移率的新型二维半导体材料成为迫切需要。

黑磷是一种具有高载流子迁移率(～1000cm²/Vs)、开关比(10⁵)和直接带隙(0.3--1.5eV)等优异性能的二维半导体材料，在光电探测器，逻辑电路，电池等广泛领域有巨大的应用潜力。黑磷为双极性P型半导体材料，既有电子电流又有空穴电流，但是电子的载流子浓度和迁移率都远低于空穴，因此黑磷是一种非对称的双极性半导体材料，使得黑磷在某些领域的应用受到了限制，如互补型金属氧化物半导体逻辑电路(CMOS)等。

PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的半导体结构。根据PN结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能器件，如利用PN结单向导电性可以制作整流二极管、检波二极管和开关二极管、稳压二极管、雪崩二极管等。使半导体的光电效应与PN结相结合还可以制作多种光电器件，如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极管；利用光辐射对PN结反向电流的调制作用可以制成光电探测器；利用光生伏特效应可制成太阳电池。此外，利用两个PN结之间的相互作用可以产生放大，振荡等多种电子功能。因此PN结是构成双极型晶体管和场效应晶体管的核心，是现代电子技术的基础。如果能实现对黑磷的p型和n型进行有效调控，就能构建黑磷的PN结构，在此基础实现多种应用，如微纳器件，柔性器件等，将大大拓展黑磷的应用领域。

目前已有一些关于二维黑磷PN结制备工艺的报道。例如，有研究人员制备了黑磷-MoS₂异质结，该方法需要剥离转移MoS₂，还需要用到自对准技术，过程较复杂，而且成品率低。另有研究人员利用双背栅结构制备了黑磷PN结，但是该方法也需要用到自对准技术，所以效率较低。

因此发明一种结构简单，制备效率高，性能优异的二维黑磷PN结构具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种二维黑磷PN结、其制备方法及应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种二维黑磷PN结，其包括二维黑磷薄膜，所述黑磷薄膜的第一区域被n型掺杂而形成n型半导体，而所述黑磷薄膜的第二区域保持为p型半导体，所述第一区域与第二区域邻接，使所述n型半导体与p型半导体结合形成PN结。