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。
技术实现要素：
(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。
在本公开一些实施例中，所述的第一高电导二维薄层与第二电导率二维薄层材料为石墨烯。
根据本公开的另一个方面，提供了一种基于二维材料异质结的片上红外LED的制备方法，包括如下步骤：
在衬底上制备二维绝缘薄层；
高电导率二维薄层通过转移的方法转移到二维绝缘薄层上；
将N型二维薄层转移到高电导率二维薄层上；
将直接带隙二维薄层转移到N型二维薄层上；
将P型二维薄层转移到直接带隙二维薄层上；
将高电导率二维薄层转移到P型二维薄层上；
将二维绝缘薄层转移到高电导率二维薄层上。
在本公开一些实施例中，所述的转移方法为干法转移或利用PMMA进行的湿法转移。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于二维材料异质结的片上红外LED及制备方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)发光二极管都基于新型二维材料，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；
(2)利用禁带宽度比黑磷大的过渡金属硫族化合物薄层将黑磷夹在在中间，从而形成双异质结，增强对有源区载流子的限制，提高辐射效率；
(3)采用新型二维材料制备片上红外LED的方法，其工艺简单易操作，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。
附图说明
图1为本公开实施例基于新型二维材料的片上红外LED的结构示意图。
图2为本公开实施例基于新型二维材料的片上红外LED有源区三明治结构的异质结能带示意图。
图3为本公开实施例基于新型二维材料的片上红外LED的方法流程图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
11、衬底； 12、第一二维绝缘薄层
13、第一高电导率二维薄层； 14、N型二维薄层
15、直接带隙二维薄层； 16、P型二维薄层
17、第二高电导率二维薄层； 18、第二二维绝缘薄层
具体实施方式
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，通过形成双异质结，增强对有源区载流子的限制，提高辐射效率。并且制备方法具有工艺简单，无晶格失配问题，发光波长可利用黑磷厚度进行调整等优点，并有望与硅基光子芯片集成，从而提供片上光源，能够解决硅基片上光互连的光源问题。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于二维材料异质结的片上红外LED。图1为本公开第一实施例基于二维材料异质结的片上红外LED的结构示意图。如图1所示，本公开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11、第一二维绝缘薄层12、第一高电导率二维薄层13、N型二维薄层14、直接带隙二维薄层15、P型二维薄层16、第二高电导率二维薄层17、第二二维绝缘薄层18。
以下分别对本实施例基于二维材料异质结的片上红外LED的各个组成部分进行详细描述。
所述衬底11的材料为硅材料。硅衬底下可以是硅基的耦合光栅或是硅光波导，按设计者需要进行设计，并由硅光子加工标准工艺制成。
所述第一二维绝缘薄层12制备于衬底11上，本实施例中，所述第一二维绝缘薄层12为氮化硼(h-BN)。所述第一二维绝缘薄层12主要起绝缘作用，一方面防止发光二极管加电时对底部硅光器件的影响，另一方面是防止上方的二维材料中载流子对硅的影响。氮化硼可以是多层的，因为氮化硼的禁带宽度大，为5.9eV左右，对红外光几乎无吸收。
所述的第一高电导二维薄层13为石墨烯。所述第一高电导率二维薄层13通过转移的方法转移到第一二维绝缘薄层12上，所述的转移方法为干法转移或利用PMMA进行的湿法转移。利用石墨烯的高透光率与高电导率，将它作为LED透明的负极。石墨烯可以按需要做成图案，引到合适的位置再在石墨烯上做金属电极。
所述N型二维薄层14为硫化钨(WS2)。硫化钨主要起两个作用：一是向黑磷中注入电子，二是它的禁带宽度较大，大概为1.3eV，大于黑磷的禁带宽度，与黑磷接触形成异质结后，对黑磷中的非平衡载流子可以起到限制作用，如图2所示，从而增加发光效率。
所述的直接带隙二维薄层15为黑磷。黑磷薄层只能接触硫化钨薄层，而不能接触到石墨烯。黑磷薄层在红外LED中作为有源区，因为它是直接带隙半导体，利于发光，并且随着体材料(大概十层以上)减至单层，其禁带宽度可由0.3eV增至2eV，从而实现LED的波长可选择。片上光互连利用的光为波长1550nm左右的光，根据公式λ＝1.24/Eg(μm)，禁带宽度应为0.8eV，该值同时小于选用的N型二维薄层14材料与P型二维薄层16材料。
所述的P型二维薄层16为硒化钼(MoSe2)。P型的硒化钼(MoSe2)薄层转移至黑磷薄层上，从而形成硒化钼/黑磷范德华异质结。同样，硒化钼薄层只能与黑磷薄层接触，不能接触到黑磷薄层15下面的材料。硒化钼薄层一方面想黑磷薄层中注入空穴，另一方面它的禁带宽度较大，为1.4eV左右，也对黑磷薄层中的非平衡载流子起限制作用，以提高发光效率，如图2所示。
第二电导率二维薄层17转移到P型二维薄层16上，用于作为红外LED透明的正极。第二电导率二维薄层17采用石墨烯，可以经过图形化后引出，在石墨烯上做金属电极。同样要注意的是，石墨烯只与硒化钼薄层接触，而不能与硒化钼薄层以下的材料接触。
第二二维绝缘薄层18转移到第二高电导率二维薄层17上，覆盖住有源区，可以起到保护作用，因为二维材料比较容易受到空气的干扰，特别是黑磷比较容易在空气中氧化。另外，氮化硼薄层作为绝缘层，它的悬挂键与电荷陷阱少，从而减少对石墨烯中载流子的散射
图2是片上红外LED有源区的硫化钨/黑磷/硒化钼范德华双异质结加正向偏压的能带示意图。图中双异质结中被夹的二维材料为黑磷薄层，根据发光波长的需要可以调整其厚度，用于通信的光波长为1550nm，对应的禁带宽度为0.8eV，硫化钨与硒化钼的禁带宽度均大于该值，其中硫化钨的禁带宽度大概为1.3eV，硒化钼的禁带宽度大概为1.4eV。施加正向偏压时，硫化钨中的电子与硒化钼中的空穴分别注入到黑磷中，从而使得黑磷中的电子与空穴浓度急剧上升，黑磷为直接带隙半导体，容易发生直接复合。所以黑磷中大量的非平衡电子与空穴直接复合后，产生相应的电磁波，这就是该红外LED发光的基本原理。另外，所使用的材料都为二维材料，横向尺寸在几十微米左右，其堆垛不存在晶格失配的问题，而禁带宽度为0.8eV的黑磷层数很少，其厚度不会超过5nm，此时该双异质结为量子阱结构，这样发出来的光相干性更好，从而增加了通信的光学带宽。
本实施例基于二维材料异质结的片上红外LED，采用不同厚度的黑磷薄层作为有源区，可以选择不同的发光波长，再利用禁带宽度比黑磷大的过渡金属硫族化合物薄层将黑磷夹在在中间，从而形成双异质结，增强对有源区载流子的限制，提高辐射效率。该制备方法具有工艺简单，无晶格失配问题，发光波长可利用黑磷厚度进行调整等优点，并有望与硅基光子芯片集成，从而提供片上光源。
至此，本公开第一实施例基于二维材料异质结的片上红外LED介绍完毕。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于二维材料异质结的片上红外LED的制备方法，图3为本公开实施例基于新型二维材料的片上红外LED的方法流程图。如图3所示，本公开提供一种采用新型二维材料制备片上LED的方法，包括如下步骤：
步骤S1：在衬底11上制备二维绝缘薄层12；
步骤S2：高电导率二维薄层13通过转移的方法转移到二维绝缘薄层12上：
步骤S3：将N型二维薄层14转移到高电导率二维薄层13上；
步骤S4：将直接带隙二维薄层15转移到N型二维薄层14上；
步骤S5：将P型二维薄层16转移到直接带隙二维薄层15上；
步骤S6：将高电导率二维薄层14转移到P型二维薄层16上；
步骤S7：将二维绝缘薄层12转移到高电导率二维薄层13上。
所述的转移方法为干法转移或利用PMMA进行的湿法转移。
以下提供一种采用新型二维材料制备片上LED方法的具体实施例，包括：
步骤S0：提供硅衬底。
硅衬底下可以是硅基的耦合光栅或是硅光波导，按设计者需要进行设计，并由硅光子加工标准工艺制成。
步骤S1：在硅衬底上覆盖氮化硼(h-BN)薄层。
主要起绝缘作用，一方面防止发光二极管加电时对底部硅光器件的影响，另一方面是防止上方的二维材料中载流子对硅的影响。氮化硼可以是多层的，因为氮化硼的禁带宽度大，为5.9eV左右，对红外光几乎无吸收。
步骤S2：通过二维材料转移的方法将石墨烯转移到氮化硼薄层上。
所述转移的方法可以是干法转移或是借助PMMA的湿法转移。另外，也可以在氮化硼薄层上直接用CVD生长石墨烯。利用石墨烯的高透光率与高电导率，将它作为LED的透明的负极。石墨烯可以按需要做成图案，引到合适的位置再在石墨烯上做金属电极。
步骤S3：将N型的硫化钨(WS2)薄层通过二维材料转移的方法转移到石墨烯上。
硫化钨主要起两个作用：一是向黑磷中注入电子，二是它的禁带宽度较大，大概为1.3eV，大于黑磷的禁带宽度，与黑磷接触形成异质结后，对黑磷中的非平衡载流子可以起到限制作用，如图2所示，从而增加发光效率。
步骤S4：将黑磷薄层转移到硫化钨薄层上，从而形成黑磷/硫化钨范德华异质结。
黑磷薄层只能接触硫化钨薄层，而不能接触到石墨烯。黑磷薄层在红外LED中作为有源区，因为它是直接带隙半导体，利于发光，并且随着体材料(大概十层以上)减至单层，其禁带宽度可由0.3eV增至2eV，从而实现LED的波长可选择。片上光互连利用的光为波长1550nm左右的光，根据公式λ＝1.24/Eg(μm)，禁带宽度应为0.8eV，该值同时小于选用的N型二维材料与P型二维材料。
步骤S5：将P型的二维薄层转移至黑磷薄层上，从而形成硒化钼/黑磷范德华异质结。
所述将P型的二维薄层为硒化钼(MoSe2)薄层。同样，硒化钼薄层只能与黑磷薄层接触，不能接触到黑磷薄层下面的材料。硒化钼薄层一方面想黑磷薄层中注入空穴，另一方面它的禁带宽度较大，为1.4eV左右，也对黑磷薄层中的非平衡载流子起限制作用，以提高发光效率，如图2所示。
步骤S6：将石墨烯转移至硒化钼薄层上。
石墨烯作为红外LED的正极，可以经过图形化后引出，在石墨烯上做金属电极。同样要注意的是，石墨烯只与硒化钼薄层接触，而不能与硒化钼薄层以下的材料接触。
步骤S7：将氮化硼薄层转移至石墨烯上，覆盖住有源区。
氮化硼薄层可以起到保护作用，因为二维材料比较容易受到空气的干扰，特别是黑磷比较容易在空气中氧化。另外，氮化硼薄层作为绝缘层，它的悬挂键与电荷陷阱少，从而减少对石墨烯中载流子的散射。
本实施例利用二维材料进行片上LED的制备，工艺简单，易对准，并且可根据需要进行一定波长的选择，实现硅基片上光互连光源的集成。如果加入合适的高质量光学谐振腔，还有望制成片上二维材料激光器，进一步提升光学带宽。
本公开提出的新型二维材料制备片上红外LED的方法，该发光二极管都基于新型二维材料，不存在晶格失配问题，并且可通过改变有源区黑磷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，有望在硅基片上光互连网络中产生重要影响。
当然，根据实际需要，本公开的制备方法还包含其他的工艺和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
至此，本公开第二实施例基于二维材料异质结的片上红外LED的制备方法介绍完毕。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。