双极性半导体光电子器件的逻辑应用方法与流程

本发明涉及利用半导体工艺制备具有逻辑光电子功能的器件结构。

背景技术：

传统的半导体材料，例如硅，它的载流子类型(p型或n型)主要通过元素掺杂实现，一旦形成掺杂，就无法动态的实现半导体材料在不同类型电荷掺杂之间的转换。对于一个硅的pn结，一旦形成之后，栅极电压只能在pn结的范围内对硅的载流子浓度进行调控，而不能把硅pn结调控成非pn结；对于一个n型硅，栅极电压只能实现电子浓度的调控，而不能把n型硅调控成p型硅或pn结，反之亦然。众所周知，pn结与单一的p型或n型半导体材料具有不同的光电子性能，其中pn结具有光伏性能，可以做发光二极管(LED)，而单一的p型材料或n型材料不具有光伏性能和发光二极管性能。由于在传统的半导体材料中，栅极电压无法实现半导体材料在p型和n型之间的动态调控，因而也无法实现栅极电压对半导体材料光电子(光伏或者LED)性能的逻辑调控。

一些纳米材料，如WSe₂二维晶体，黑磷二维晶体以及碳纳米管等，它们的载流子类型可以通过栅极电压调制，在p型和n型之间动态转变(以下简称这种材料为双极性半导体材料)。利用这种性质，人们可以通过制备不同的半栅极结构，制备其光伏器件或发光二极管(LED)器件。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有可以通过半栅极电压实现晶体管器件沟道层光电子性能的逻辑调控功能的器件及其应用，即栅极电压对器件在不同光电转换性能状态之间的逻辑调控功能及其应用。

本发明需要保护的技术方案为：

一种光电子器件的逻辑应用方法，其特征在于，设计的结构依次为，

包括源极；

包括漏极；

包括沟道层，为双极性半导体材料；

包括电介质层；

包括栅极，为半栅极结构，即栅极不覆盖整个沟道层，可以由一个半栅极(图1)或延伸为多个半栅极组成；

通过在所述半栅极输入不同的电压，获得所述沟道层在pn结与非pn结(例如：p⁺p结、n⁺n结等)两者之间的转变，使得所述沟道层在一种光电转换状态(定义为1)与另外一种光电转换状态(0态)之间跳变，从而实现栅极电压对沟道层的光电子性能逻辑调控。

所述沟道层为双极性半导体，即其载流子类型可以通过外加电场进行调制。

本发明创造性的首次提出逻辑光电子的功能概念，在该类器件中，输入信号为光信号(光信号辐照在沟道层上)，输出信号为电信号，或者反之。我们指出可以通过施加不同的半栅极电压，使器件在不同的光电转换性能状态之间转变。该类器件类似于逻辑电子器件。在逻辑电子器件里，栅极电压可以使沟道层导电状态在开启与夹断之间转变，其输入信号和输出信号都是电信号。在我们提出的逻辑光电子器件里，栅极电压可以使沟道层在具有光电转换性能和没有光电转换性能之间转变，从而形成光电转换的开启和夹断。

本发明方法作为一种新型的光电子器件单元，有望拓展光电子器件的应用领域。

附图说明

图1为本发明器件结构示意图。

图2为延伸的器件结构示意图。

图3为实施例的器件结构示意图。

图4为实施例的器件功能应用演示。

数字标记：

1源电极，2漏电极，3双极性半导体，4电介质层，5半栅电极。

具体实施方式

本发明器件的结构如图1、图2所示，

包括源极；

包括漏极；

包括沟道层，为双极性半导体材料；

包括电介质层；

包括栅极，为半栅极结构，即栅极不覆盖整个沟道层，可以由一个半栅极(图1)或延伸为多个半栅极(图2)组成。

通过在所述半栅极输入不同的电压，获得所述沟道层在pn结与非pn结两者之间的转变，使得所述沟道层在一种光电转换状态(定义为1)与另外一种光电转换状态(0态)之间跳变，从而实现栅极电压对沟道层的光电子性能逻辑调控。

对于该类器件，其沟道层可以通过半栅极电压调控在pn结与非pn结之间转变。由于pn结与非pn结具有不同的光电转换性能，从而可以通过半栅极电压实现沟道层在不同光电转换性能之间的转变，实现光电子的逻辑调控功能，即可以通过加一个半栅极电压使沟道层在一种光电转换状态(定义为1)，加另外一个半栅极电压使其处于另外一个光电转换状态(0态)，从而实现栅极电压对沟道层的光电子性能逻辑调控。

以下进一步通过实例对本发明做进一步介绍。

实施例

双极性半导体WSe₂逻辑光电子器件

该器件采用图1所示的器件结构，具体结构如图3所示，其中源电极与漏电极为金，沟道层为双极性半导体WSe₂二维晶体，电介质层为氮化硼，半栅电极为石墨烯，输入信号光照射在WSe₂沟道层上，输出电信号通过源电极、漏电极测量。

如图4所示，可以看出，当栅极电压V_G为0V的时候，产生的输出电信号光伏电压V_OC接近于0V，这时候该器件处于夹断(OFF)态；当栅极电压V_G为-10V的时候，产生的光伏电压V_OC大于0.6V，这时候器件处于开启(ON)态。