CN106169511A - 包括二维材料的半导体器件以及制造该半导体器件的方法 - Google Patents

包括二维材料的半导体器件以及制造该半导体器件的方法 Download PDF

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Abstract

示例实施方式涉及包括二维(2D)材料的半导体器件以及制造该半导体器件的方法。一种半导体器件可以是包括至少一种掺杂的2D材料的光电器件。光电器件可以包括：第一电极；第二电极；以及在第一电极和第二电极之间的半导体层。第一电极和第二电极中的至少一个可以包括掺杂的石墨烯。半导体层可以具有大于或等于大约0.1eV的内建电势，或者大于或等于大约0.3eV的内建电势。第一电极和第二电极中的其中之一可以包括p掺杂的石墨烯，另一个可以包括n掺杂的石墨烯。备选地，第一电极和第二电极中的其中之一可以包括p掺杂或n掺杂的石墨烯，另一个可以包括金属性材料。

Description

包括二维材料的半导体器件以及制造该半导体器件的方法
技术领域
示例实施方式涉及半导体器件和/或制造该半导体器件的方法，更具体而言，涉及包括二维(2D)材料的半导体器件和/或制造该半导体器件的方法。
背景技术
二维(2D)材料是其中原子形成晶体结构的单层或半层固体材料。2D材料的最众所周知的示例是石墨烯。石墨烯是其中碳原子形成六方结构的单层(例如，单原子层)结构。石墨烯可具有绕狄拉克点对称的能带结构，在狄拉克点的电荷的有效质量相当小。因此，石墨烯可具有是硅(Si)的电荷迁移率的至少10倍或更高(可以甚至是1000倍或更高)的电荷迁移率。此外，石墨烯可具有高费米速度(VF)。因此，包括石墨烯的2D材料作为可以克服现有技术中的材料的限制的下一代材料已经引起注意。
已经试图将2D材料应用于各种半导体器件。然而，在应用2D材料到半导体器件时，可能产生各种技术问题，并且可能难以确保优良的性质/性能。
发明内容
示例实施方式涉及包括二维(2D)材料的高性能半导体器件(例如，光电器件或晶体管)。
示例实施方式涉及具有受控的能带结构的半导体器件。
示例实施方式涉及配置为即使在没有施加外电压时也表现出良好的光电转换性能的光电器件。
示例实施方式涉及可以用低功率操作并且具有优良的操作特性的晶体管。
示例实施方式涉及制造半导体器件(例如，光电器件或晶体管)的方法。
另外的示例实施方式将在以下的描述中部分地阐述，且部分地将自该描述明显或者可以从示例实施方式的实践而习知。
根据各种示例实施方式，一种光电器件包括：第一电极；与第一电极间隔开的第二电极；以及在第一电极和第二电极之间的半导体有源层，其中第一电极和第二电极中的至少一个包括掺杂的石墨烯，以及其中半导体有源层具有基本上0.1eV或更大的内建电势。在一个示例实施方式中，具有基本上0.1eV或更大的内建电势的半导体有源层是改进的半导体有源层。
第一电极和第二电极中的其中之一可以包括用p型掺杂剂掺杂的石墨烯，第一电极和第二电极中的另一个可以包括用n型掺杂剂掺杂的石墨烯。
第一电极和第二电极中的其中之一可以包括用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂的石墨烯，第一电极和第二电极中的另一个可以包括金属性材料。
掺杂的石墨烯和金属性材料的功函数之差可以是大约0.1eV至5eV。
半导体有源层的内建电场可以是大约0.3至100MV/cm。
半导体有源层可以包括邻近第一电极的第一区域和邻近第二电极的第二区域，第一区域和第二区域中的至少一个可以是掺杂区域。
当第一电极用第一类型的掺杂剂掺杂时，半导体有源层的第一区域可以用与第一类型相同的类型的掺杂剂掺杂。
当第二电极用第二类型的掺杂剂掺杂时，半导体有源层的第二区域可以用与第二类型相同的类型的掺杂剂掺杂。
半导体有源层的第一区域和第二区域可以彼此彼此间隔开或可以彼此接触。
半导体有源层可以包括具有二维(2D)晶体结构的2D半导体。
2D半导体可以包括金属硫属化物基材料。
金属硫属化物基材料可以包括包含Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的金属元素以及包含S、Se和Te的硫属元素。
半导体有源层可以包括量子点。
第一电极、第二电极和半导体有源层中的大部分或全部可以包括2D材料。
半导体有源层的内建电势可以小于或等于大约5eV。
光电器件可以是光电探测器或光伏器件。
光电探测器可以是自供电的光电探测器。
光电器件还可以包括接触第一电极的第一接触电极以及接触第二电极的第二接触电极。
第一接触电极和第二接触电极可以在水平方向上彼此间隔开。
第一接触电极和第二接触电极可以在竖直方向上彼此间隔开。
第一电极可以在第一方向上从半导体有源层延伸，第二电极可以在与第一方向相反的第二方向上从半导体有源层延伸。
第一电极可以在第一方向上从半导体有源层延伸，第二电极可以在与第一方向垂直的第二方向上从半导体有源层延伸。
第一电极、第二电极和半导体有源层可以组成单位单元，并且光电器件可以包括多个单位单元。
光电器件可以还包括分别连接到所述多个单位单元的第一端的多个第一接触电极以及共同地连接到所述多个单位单元的第二端的第二接触电极。
根据至少一个示例实施方式，一种光电器件包括：第一电极；与第一电极间隔开的第二电极；以及半导体有源层，插置在第一电极和第二电极之间并且包括2D半导体和量子点中的至少一个，其中半导体有源层在第一电极和第二电极之间具有基本上0.1eV或更大的内建电势。
第一电极和第二电极中的至少一个可以包括掺杂的石墨烯。
第一电极和第二电极中的其中之一可以包括用p型掺杂剂掺杂的石墨烯，第一电极和所述第二电极中的另一个可以包括用n型掺杂剂掺杂的石墨烯。
第一电极和第二电极中的其中之一可以包括用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂的石墨烯，第一电极和第二电极中的另一个可以包括金属性材料。
半导体有源层可以包括邻近第一电极的第一区域以及邻近第二电极的第二区域，并且第一区域和第二区域中的至少一个可以是掺杂区域。
当第一电极用第一类型的掺杂剂掺杂时，半导体有源层的第一区域可以是用与第一类型相同的类型的掺杂剂掺杂的区域。
当第二电极用第二类型的掺杂剂掺杂时，半导体有源层的第二区域可以是用与第二类型相同的类型的掺杂剂掺杂的区域。
2D半导体可以包括金属硫属化物基材料。
金属硫属化物基材料可以包括包含Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的金属元素以及包含S、Se和Te的硫属元素。
根据至少一个示例实施方式，一种晶体管包括：源电极；与源电极间隔开的漏电极；在源电极和漏电极之间的半导体层；以及栅电极，用于施加电场到半导体层，其中源电极和漏电极中的至少一个包括掺杂的石墨烯，并且半导体层具有基本上0.1eV或更大的内建电势。
源电极和漏电极中的其中之一可以包括用p型掺杂剂掺杂的石墨烯，源电极和漏电极中的另一个可以包括用n型掺杂剂掺杂的石墨烯。
源电极和漏电极中的其中之一可以包括掺杂的石墨烯，源电极和漏电极中的另一个可以包括金属性材料。
掺杂的石墨烯与金属性材料的功函数之差可以是大约0.1eV至大约5eV。
半导体层的内建电场可以是大约0.3MV/cm至100MV/cm。
半导体层可以包括邻近源电极的第一区域以及邻近漏电极的第二区域，第一区域和第二区域中的至少一个可以是掺杂区域。
当源电极用第一类型的掺杂剂掺杂时，半导体层的第一区域可以是用与第一类型相同的类型的掺杂剂掺杂的区域。
当漏电极用第二类型的掺杂剂掺杂时，半导体层的第二区域可以是用与第二类型相同的类型的掺杂剂掺杂的区域。
半导体层可以包括2D半导体和量子点中的至少之一。
2D半导体可以包括金属硫属化物基材料。
半导体有源层的内建电势可以小于或等于大约5eV。
半导体层可以是隧穿层。
晶体管可以是隧穿晶体管。
附图说明
从结合附图的以下描述，这些和/或其它示例实施方式将变得明显且更易于理解，在图中：
图1是根据至少一个示例实施方式的光电子器件的平面图；
图2是沿图1中的线A-A'截取的截面图；
图3是沿图1中的线B-B'截取的截面图；
图4是当光电子器件处于平衡状态时图1-3的光电子器件的能带图；
图5当光电子器件处于平衡状态时根据比较示例的光电子器件的能带图；
图6是当外电压被施加到根据图5的比较示例的光电子器件时从图5改变的能带图；
图7当光电子器件处于平衡状态时根据另一示例实施方式的光电子器件的能带图；
图8当光电子器件处于平衡状态时根据另一示例实施方式的光电子器件的能带图；
图9是根据另一示例实施方式的可应用到光电子器件的半导体有源层的截面图；
图10是根据另一示例实施方式的可应用到光电子器件的半导体有源层的截面图；
图11是根据另一示例实施方式的可应用到光电子器件的半导体有源层的截面图；
图12是根据另一示例实施方式的可应用到光电子器件的半导体有源层的截面图；
图13是根据另一示例实施方式的可应用到光电子器件的半导体有源层的量子点(QD)层的截面图；
图14是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图；
图15是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图；
图16是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图；
图17是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图；
图18是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图；
图19是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图；
图20是根据另一示例实施方式的光电子器件的平面图；
图21是根据另一示例实施方式的光电子器件的平面图；
图22是根据另一示例实施方式的光电子器件的平面图；
图23是根据示例实施方式的光电子器件的光学显微镜图像；
图24是曲线图，显示了评估图23的光电子器件的栅极电压-漏极电流(Vg-Id)特性的结果；
图25是曲线图，显示了评估图23的光电子器件的漏极电压-漏极电流(Vd-Id)特性的结果；
图26显示了评估根据示例实施方式的光电子器件的光导性质的结果；
图27是根据示例实施方式的晶体管的截面图；
图28是当晶体管处于平衡状态时图27的晶体管的能带图；
图29A至29F是用于说明根据示例实施方式的制造半导体器件的方法的截面图；
图30A至30E是截面图，用于说明根据示例实施方式的掺杂可应用到半导体器件的半导体层的至少一部分的方法；
图31A至31D是截面图，用于说明根据另一示例实施方式的掺杂可应用到半导体器件的半导体层的至少一部分的方法；以及
图32A至32G是截面图，用于说明根据另一示例实施方式的制造半导体器件的方法。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述各个示例实施方式，在附图中显示出所述示例实施方式。
将理解，当元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，它可以直接连接或联接到所述另一元件或者可以存在居间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，没有局间元件存在。在此使用时，术语“和/或”包括一个或多个相关列举项目的任意和所有组合。此外，将理解，当一层被称为“在”另一层“下面”时，它可以直接在所述另一层下面，或者也可以存在一个或多个居间层。此外，还将理解，当一层被称为“在”两个层“之间”时，它可以是在这两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个居间层。
将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以用于此来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分。因而，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分，而不脱离示例实施方式的教导。
在图中，为了图示清晰，可以夸大层和区域的尺寸。相同的附图标记始终指代相同的元件。相同的附图标记在整个说明书中表示相同的组件。
为了便于描述，可以在此使用空间关系术语，诸如“在……下面”、“以下”、“下”、“在……上”、“上”等来描述一个元件或特征与其它元件或特征如图中所示的关系。将理解，除了图中所描绘的取向之外，空间关系术语旨在包含装置在使用或操作中的其它不同取向。例如，如果在图中的装置被翻转，则被描述为“在”其它元件或特征“下”或“下面”的元件可以取向为在所述其它元件或特征“上"。因而，示例术语“在……下”可以包含上和下两种取向。装置可以被另外地取向(旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间关系描述语可以被相应地解释。
在此使用的术语仅用于描述特定实施方式，而不意欲限制示例实施方式。在此使用时，单数形式“一”、“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清晰地另外表示。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。
在此参考截面图描述了示例实施方式，其中截面图是示例实施方式的理想化实施方式(和中间结构)的示意性图示。因此，由于例如制造技术和/或公差引起的图示形状的偏离是可以预期的。因而，示例实施方式不应被理解为限于在此示出的区域的具体形状，而是将包括例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区在其边缘典型地将具有圆化或弯曲的特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元变化。同样地，通过注入形成的埋入区可导致在埋入层与通过其发生注入的表面之间的区域中的一些注入。因而，在图中示出的区域本质上是示意性的，它们的形状不旨在示出装置的区域的实际形状，并且不旨在限制示例实施方式的范围。
除非另外地定义，在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施方式所属领域中的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解，术语，诸如在通常使用的字典中所定义的那些，应被理解为具有与在相关领域的背景中的含义一致的含义，而不应理解为理想化或过度形式化的意义，除非在此清楚地如此定义。在此使用时，当诸如“……的至少之一”表述放在一列元件之后时，修饰整列元件而不修饰该列中的个别元件。
当结合数值在本说明书中使用术语“大约”或“大致”时，相关的数值旨在包括所述数值周围±10％的公差。此外，当参考本说明书中的百分数时，那些百分数旨在基于重量，即，重量百分数。表述“直到”包括零至表述的上限以及在其间的所有值的全部。当说明范围时，该范围包括在其间的所有值诸如0.1％的增量。此外，当结合几何形状使用词语“通常”和“大致”时，意指不要求几何形状的精确性，而是该形状的自由范围(latitude)在本公开的范围内。虽然示例实施方式的管状元件可以是圆筒形的，但是其它管状截面形式是被考虑的，诸如正方形、矩形、椭圆形、三角形等。
在下文中，将参考附图更全面地描述根据示例实施方式的包括二维(2D)材料的半导体器件以及制造该半导体器件的方法。在图中，为了清晰，夸大了层和区域的宽度和厚度。图中相同的附图标记表示相同的元件。
图1是根据示例实施方式的光电子器件的平面图。图2是沿图1中的线A-A'截取的截面图。图3是沿图1中的线B-B'截取的截面图。
参考图1-3，光电子器件可以包括彼此分开的第一电极E10和第二电极E20以及设置在其间的半导体有源层S10。第一电极E10可以形成在基板SUB10上，半导体有源层S10可以形成在第一电极E10的至少一部分上，第二电极E20可以形成为覆盖基板SUB10上的半导体有源层S10的至少一部分。因而，第一电极E10、半导体有源层S10和第二电极E20可以在竖直方向(即，Z轴方向)上至少部分地彼此交叠。在这方面，光电子器件可以被认为包括竖直层叠结构。基板SUB10可以是例如半导体基板，诸如硅基板。在该情形下，基板SUB10可以包括形成在基板SUB10的表面(即，上表面)上的绝缘层(未示出)，诸如硅氧化物层。第一电极E10、半导体有源层S10和第二电极E20可以形成在绝缘层上。然而，基板SUB10的材料可以变化。此外，在使用绝缘层时，绝缘层的材料可以变化。基板SUB10可以是柔性基板或刚性基板，并且可以是透明的、不透明的或半透明的基板。
第一电极E10和第二电极E20中的至少一个可以包括掺杂的石墨烯层。例如，第一和第二电极E10和E20中的其中之一可以包括用p型掺杂剂掺杂的石墨烯层(即，p-掺杂的石墨烯层；p-G)，第一和第二电极E10和E20中的另一个可以包括用n型掺杂剂掺杂的石墨烯层(即，n-掺杂的石墨烯层；n-G)。在图1-3中，第一电极E10是p-掺杂的石墨烯层p-G，第二电极E20是n-掺杂的石墨烯层n-G。然而，第一电极E10可以是n-掺杂的石墨烯层n-G，第二电极E20可以是p-掺杂的石墨烯层p-G。p-掺杂的石墨烯层p-G的功函数可以大于约4.5eV并且小于或等于约5.5eV。例如，p-掺杂的石墨烯层p-G的功函数可以是大约4.9eV至大约5.5eV。n-掺杂的石墨烯层n-G的功函数可以等于或大于约3.5eV并且小于约4.5eV。例如，n-掺杂的石墨烯层n-G的功函数可以是大约3.5eV至大约4.3eV。p-掺杂的石墨烯层p-G和n-掺杂的石墨烯层n-G的功函数之差可以是大约0.1eV至大约5eV，例如，大约0.3eV至大约3eV。掺杂的石墨烯层可以包括大约1层至大约10层(或从大约1层至大约100层)的石墨烯。换言之，掺杂的石墨烯层可以由单一的石墨烯层形成或包括单一的石墨烯层，或由大约10层或更少的石墨烯层(或大约100或更少的石墨烯层)的叠层形成或者包括该叠层。单石墨烯层可具有大约100Ω/sq的低的薄层电阻以及大约2.3％的低光吸收率。因而，石墨烯可以被用作具有低电阻的透明电极。
根据另一示例实施方式，第一电极E10或第二电极E20可以是由除掺杂的石墨烯以外的金属性材料例如金属、合金或导电氧化物形成的层，或者包括除掺杂的石墨烯以外的金属性材料例如金属、合金或导电氧化物。换言之，第一电极E10和第二电极E20的其中之一可以是用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂的石墨烯层，第一电极E10和第二电极E20中的另一个可以是由金属性材料形成的层或者包括金属性材料。在该情形下，金属性材料的功函数可以是例如大约3.5eV至大约6eV。掺杂的石墨烯层和金属性材料层的功函数之差可以是大约0.1eV至大约5eV，例如，大约0.3eV至大约3eV。金属性材料层和半导体有源层S10之间的能量势垒可以是大约1.5eV或更小，也就是，大约0eV至大约1.5eV。
半导体有源层S10可以包括具有2D晶体结构的2D半导体。2D半导体可以是金属硫属化物基材料。金属硫属化物基材料可以包括来自Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc和Re的过渡金属以及来自S、Se和Te的硫属元素。在该情形下，金属硫属化物基材料可以是过渡金属二硫化物(TMDC)材料。TMDC材料可以表示为例如MX2，其中M表示过渡金属，而X表示硫属元素。M可以是例如Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc或Re，而X可以是S、Se或Te。TMDC材料可以是例如MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、WTe2、ZrS2、ZrSe2、HfS2、HfSe2、NbSe2或ReSe2。金属硫属化物基材料也可以不被表示为MX2。例如，Cu(过渡金属)和S(硫属元素)的化合物可以表示为CuS，其是过渡金属硫属化物材料。因为CuS可以是2D材料，所以CuS可以被用作金属硫属化物基材料。金属硫属化物基材料可以是包括非过渡金属的硫属化物基材料。非过渡金属可以是例如Ga、In、Sn、Ge或Pb。换言之，非过渡金属诸如Ga、In、Sn、Ge或Pb的非过渡金属和诸如S、Se或Te的硫属元素的化合物可以用作金属硫属化物基材料。例如，包括非过渡金属的硫属化物基材料可以是SnSe2、GaS、GaSe、GaTe、GeSe、In2Se3或InSnS2。因此，金属硫属化物基材料可以包括来自Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的金属元素以及来自S、Se和Te的硫属元素。然而，上述材料(元素)仅是示例，可以应用各种其它材料(元素)中的任一种。包括TMDC材料的金属硫属化物基材料可具有是Si的光吸收率的大约100倍的光吸收率。因而，通过使用金属硫属化物基材料，可以获得薄且高效的光电子器件。当半导体有源层S10包括2D半导体时，半导体有源层S10可以由单个2D半导体层形成或包括单个2D半导体层，或由每个均具有2D平面结构的单层的叠层形成或包括该叠层。即使单层被重复地层叠，也可以保持2D材料的性能。在电结构方面，2D材料可以被定义为其态密度(DOS)取决于量子阱行为的材料。而且在具有其中层叠多个2D单元材料层(大约100或更少层)的结构的材料中，DOS可以取决于量子阱行为。因而，具有其中单层被重复地层叠的结构的材料也可以被称为“2D材料(2D半导体)”。
用于形成半导体有源层S10的材料不限于2D材料(2D半导体)，并且可以是任何其它半导体材料。例如，半导体有源层S10可以包括具有半导体特性的量子点(QD)。换言之，半导体有源层S10可以是包含QD的层或QD层。QD可具有高量子产率(quantum yield)和高稳定性，其特性可以通过调整点尺寸而被容易地控制，并且溶液工艺对于形成QD是可能的。半导体有源层S10可以包括2D材料(2D半导体)和QD二者。根据另一示例实施方式，半导体有源层S10可以包括各种半导体材料诸如IV族基半导体诸如Si、Ge或SiGe，Ⅲ-Ⅴ族半导体，氧化物半导体，氮化物半导体和氮氧化物半导体中的至少一种。
半导体层S10可具有大约0.7nm至几μm的厚度。当半导体有源层S10由2D材料的单层形成或包括2D材料的单层时，半导体有源层S10的厚度可以是大约0.7nm，这是相对薄的。如果半导体有源层S10由多个2D材料层形成或包括多个2D材料层，则半导体有源层S10的厚度可以是几纳米至几十nm，或几纳米至几百nm。当半导体有源层S10由普通的半导体材料而不是2D材料形成或包括普通的半导体材料而不是2D材料时，半导体有源层S10的厚度可以是纳米级或微米级。在该情形下，半导体有源层S10的厚度可以增加到1μm或更大。在一些情形下，半导体有源层S10可具有几十μm或几百μm的厚度。半导体有源层S10的能带隙可以是大约0.3eV至大约3eV。然而，在一些情形下，半导体有源层S10的能带隙可以是大约3eV或更大。
半导体有源层S10可以在第一和第二电极E10和E20之间具有期望的(或替代地，预定的)内建电势。例如，半导体有源层S10可具有大约0.1eV或更大的内建电势。在一个示例实施方式中，具有大致0.1eV或更大的内建电势的半导体有源层S10是增强的半导体有源层S10。内建电势可以是大约0.1eV至大约5eV，例如，大约0.3eV至大约3eV。半导体有源层S10的内建电势可以由于分别接触半导体有源层S10的两端的第一电极E10和第二电极E20之间的电不对称性引起。例如，半导体有源层S10的接触第一电极E10的一端的导带能级和价带能级可以通过第一电极E10而增加，并且半导体有源层S10的接触第二电极E20的另一端的导带能级和价带能级可以通过第二电极E20而降低。因此，在半导体有源层S10的能带结构正在变化的同时，可以在半导体有源层S10的两端之间产生大约0.1eV或更大或者大约0.3eV或更大的内建电势。此时，与半导体有源层S10的导带相比较，第一电极E10的费米能级可以更靠近(更邻近)半导体有源层S10的价带，并且与半导体有源层S10的价带相比，第二电极E20的费米能级可以更靠近(更邻近)半导体有源层S10的导带。随后将参考图4更详细地描述半导体有源层S10的能带结构。
半导体有源层S10可以在第一和第二电极E10和E20之间具有期望的(或替代地，预定)内建电场。例如，半导体有源层S10可具有大约0.3MV/cm或更大的内建电场。内建电场可以是大约0.3MV/cm至大约100MV/cm，例如，大约1MV/cm至大约70MV/cm。
由于具有上述内建电势和/或内建电场的半导体有源层S10，根据至少一个示例实施方式的光电子器件可以表现出优良的光导性质而不用施加外电压。换言之，通过光在半导体有源层S10中产生的电子和空穴可以通过内建电势/内建电场容易地移动到第一和第二电极E10和E20。当没有内建电势/内建电场时，需要施加外电压以移动电子和空穴。在该情形下，功耗增加，并且因此，器件/***的结构是复杂的。然而，根据示例实施方式，因为可以在没有施加外电压的情况下确保优良的光导性质，所以可以实现消耗低功率且具有优良的光电转换效率的光电子器件。具体地，具有高性能的光电子器件可以通过使用2D导体诸如掺杂的石墨烯和/或2D半导体(或QD)诸如金属硫属化物容易地实现。
此外，如图1和3所示，第一电极E10可以在第一方向(例如，负Y轴方向)从半导体有源层S10延伸，第二电极E20可以在与第一方向相反的第二方向(例如，Y轴方向)上从半导体有源层S10延伸。因而，当从顶部观看时(见图1)，根据至少一个示例实施方式的光电子器件可具有直线结构或与其类似或相同的结构。根据至少一个示例实施方式的光电子器件还可以包括接触(或电连接到)第一电极E10的第一接触电极CE10以及接触(或电连接到)第二电极E20的第二接触电极CE20。第一接触电极CE10和第二接触电极CE20可以在水平方向例如Y轴方向上彼此间隔开。第一接触电极CE10和第二接触电极CE20可以位于相同的水平(高度)上或在几乎相同的水平(高度)上。半导体有源层S10可以位于第一接触电极CE10和第二接触电极CE20之间。第一电极E10可以被认为是将第一接触电极CE10电连接至半导体有源层S10的第一区域(例如下表面)，第二电极E20可以被认为是将第二接触电极CE20电连接至半导体有源层S10的第二区域(例如上表面)。在图2中包括第一电极E10、半导体有源层S10和第二电极E20的层叠结构在X轴方向上的宽度或在图3中半导体有源层S10在Y轴方向上的宽度可以是例如几nm至几百μm。
可应用到第一电极E10或第二电极E20的p掺杂的石墨烯层或n掺杂的石墨烯层可以是经由等离子体掺杂而掺杂的层或经由化学掺杂而掺杂的层。石墨烯层可以经由等离子体处理被p掺杂或n掺杂，或者通过用包括掺杂剂的溶液处理而被p掺杂或n掺杂。在使用等离子体处理的情形下，n掺杂的石墨烯可以通过利用例如N等离子体而用氮(N)代替石墨烯中的一些碳(C)而获得。在使用化学掺杂时，可以使用例如AuCl3、FeCl3、9,10-二溴并三苯(An-Br)、或1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐(TPA)作为p型掺杂剂的源以实现p掺杂。此外，可以使用重氮盐作为p型掺杂剂的源，并且重氮盐可以包括例如4-溴硼酸重氮苯四氟硼酸盐(4-Bromobenzene diazonium tetrafluoroborate，4-BBDT)。AuCl3中的Au可以用作p型掺杂剂，重氮盐中的溴族可以用作p型掺杂剂。p型掺杂剂的源可以是离子液体诸如NO2BF4、NOBF4或NO2SbF6，酸性化合物诸如HCl、H2PO4、CH3COOH、H2SO4或HNO3，或有机化合物诸如二氯二氰苯醌(DDQ)、过硫酸氢钾制剂、二肉豆蔻酰磷脂酰肌醇(dimyristoylphosphatidylinositol，DMPI)或三氟甲烷磺酰亚胺。备选地，p型掺杂剂的源可以是HPtCl4、HAuCl4、三氟甲烷磺酸银(AgOTf)、AgNO3、H2PdCl6、Pd(OAc)2、Cu(CN)2等。对于经由化学掺杂的n掺杂，可以使用例如“具有电子施主基团的芳香族分子”或氟化铵作为n型掺杂剂的源。这里，“具有电子施主基团的芳香族分子”可以是例如9,10-二甲基蒽(An-CH3)或1,5-萘二胺(Na-NH2)。n型掺杂剂的源可以是包括烟酰胺的化合物、取代或未取代的烟酰胺的还原产物、与取代或未取代的烟酰胺化学结合的化合物的还原产物、或包括至少两个吡啶基团的化合物，其中吡啶基团中的至少一个的氮原子减少。例如，n型掺杂剂的源可以包括烟酰胺单核苷酸(NMN)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)、烟酰胺单核苷酸-H(NMNH)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-H(NADH)或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸-H(NADPH)或者可以包括紫精。紫精可以包括例如1,1'二苄基-4,4'-双吡啶二氯化物、甲基紫精二氯水合物(methyl viologen dichloride hydrate)、乙基紫精二高氯酸盐、1,1'双十八烷-4,4'-双吡啶二溴化物和二辛基双(4-吡啶基)联苯紫精中的至少之一。紫精还可以包括能够在两个吡啶结构之间接合的分子结构。在该情形下，分子结构可以包括芳香基、链烯基、炔基等。备选地，n型掺杂剂的源可以包括聚合物，诸如聚乙烯亚胺(PEI)。紫精中的氮原子可以用作n型掺杂剂，PEI中的胺基可以用作n型掺杂剂。备选地，n型掺杂剂可以包括碱金属，诸如K或Li。然而，上述p型掺杂剂和n型掺杂剂的材料(源)仅是示例，可以使用各种其他材料中的任一种。
根据至少一个示例实施方式的光电子器件可以是光伏器件或光电探测器。光电探测器可以是能够在没有施加外电压的情况下表现出光导特性的自供电光电探测器。光伏器件可以是例如太阳能电池。由于半导体有源层S10具有内建电势并且第一和第二电极E10和E20以及半导体有源层S10中的至少一个包括2D材料，所以光伏器件可具有优良的光伏性能。根据至少一个示例实施方式的光电子器件可以不仅可应用于光接收器件，诸如光电探测器和光伏器件，而且在一些情形下也可以应用于发光器件。
图4是当光电子器件处于平衡状态时图1-3的光电子器件的能带图。平衡状态可以是没有电压被施加到第一和第二电极E10和E20的状态。在平衡状态中，如图4所示，第一和第二电极E10和E20的费米能级EF基本上彼此相同。在图4中，参考符号EV和EC分别表示价带最高能级和导带最低能级，并且EVAC表示真空能级。这些标记也应用于图5-8和图27。
参考图4，第一电极E10可以是用p型掺杂剂掺杂的石墨烯层(即，p掺杂的石墨烯层)，第二电极E20可以是用n型掺杂剂掺杂的石墨烯层(即，n掺杂的石墨烯层)。在该情形下，p掺杂的石墨烯层的狄拉克点可以高于费米能级EF，n掺杂的石墨烯层的狄拉克点可以低于费米能级EF。因为第一电极E10和第二电极E20用相反类型的掺杂剂掺杂，所以在第一电极E10和第二电极E20之间存在的半导体有源层S10的能带可具有如图4所示的倾斜结构。换言之，半导体有源层S10在第一电极E10侧的价带最高能级EV和导带最低能级EV可以升高，并且半导体有源层S10在第二电极E20侧的价带最高能级EV和导带最低能级EC可以降低。因此，与半导体有源层S10的导带最低能级EC相比，第一电极(p掺杂的石墨烯层)E10的费米能级EF可以更靠近(更邻近)半导体有源层S10的价带最高能级EV，并且与半导体有源层S10的价带最高能级EV相比，第二电极(n掺杂的石墨烯层)E20的费米能级EF可以更靠近(更邻近)半导体有源层S10的导带最低能级EC。因而，半导体有源层S10可具有大约0.1eV或者更大或大约0.3eV或更大的内建电势。例如，半导体有源层S10可具有大约0.3MV/cm或更大或者大约1MV/cm或更大的内建电场。因而，通过光在半导体有源层S10中产生的电子‘e’和空穴‘h’可以通过内建电势和/或内建电场而分离并移动到第一和第二电极E10和E20。这可以意味着在没有施加外电压的情况下引起光导特性。换言之，光导特性可以通过内建电势和/或内建电场提高，并且半导体有源层S10内的电子‘e’和空穴‘h’彼此分离的效率可以提高。
图5是当光电子器件处于平衡状态时根据比较示例的光电子器件的能带图。根据比较示例的光电子器件与图4的光电子器件类似或相同，除了未掺杂的石墨烯层被用作第一和第二电极E1和E2之外。为了说明的方便，图5没有示出真空能级。
参考图5，当未掺杂的石墨烯层用作第一和第二电极E1和E2时，半导体有源层S1没有或具有很小的内建电势。因而，光导特性会很难出现，并且光电效率会非常低。因此，在该情形下，如图6所示，需要在第一和第二电极E1和E2之间施加期望的(或备选地，预定的)外电压。
图6是当外电压被施加到根据图5的比较示例的光电子器件时从图5改变的能带图。换言之，图6是当期望的(或备选地，预定的)负电压(-V)已经被施加到根据图5的比较示例的光电子器件的第一电极E1以及期望的(或备选地，预定的)正电压(+V)已经被施加到根据图5的比较示例的光电子器件的第二电极E2时的能带图。
参考图6，半导体有源层S1的能带结构由于施加在第一电极E1和第二电极E2之间的外电压而倾斜，因此，可以出现光导特性。然而，在该情形下，因为需要施加外电压，所以功耗增加并且器件/***的结构是复杂的。
然而，根据示例实施方式，如以上参考图4描述的，可以在没有施加外电压的情况下获得优良的光导特性和高的光电转换效率。因而，可以实现能够在低功率或零偏压状态下运行的高性能光电子器件。
在图4中，p掺杂的石墨烯层用作第一电极E10并且n掺杂的石墨烯层用作第二电极E20。然而，根据另一示例实施方式，第一和第二电极E10和E20中的其中之一可以由金属性材料形成或包括金属性材料。以下将参考图7至8描述该示例实施方式。
图7是当光电子器件处于平衡状态时根据另一示例实施方式的光电子器件的能带图。图7示出其中p掺杂的石墨烯层用作第一电极E10并且金属性材料层用作第二电极E21的情形。
参考图7，当p掺杂的石墨烯层用作第一电极E10并且金属性材料层用作第二电极E21时，第二电极E21的金属性材料层可具有比第一电极E10的p掺杂的石墨烯层小的功函数。p掺杂的石墨烯层与金属性材料层的功函数之差可以是大约0.1eV至大约5eV。备选地，功函数差可以是大约0.3eV至大约3eV。内建电势和内建电场可以在插置在第一电极E10和第二电极E21之间的半导体有源层S10内产生。内建电势和内建电场可以与以上参考图4描述的那些类似或相同。
图8是当光电子器件处于平衡状态时根据另一示例实施方式的光电子器件的能带图。图8示出其中金属性材料层用作第一电极E11并且n掺杂的石墨烯层用作第二电极E20的情形。
参考图8，当金属性材料层用作第一电极E11并且n掺杂的石墨烯层用作第二电极E20时，第一电极E11的金属性材料层可具有比第二电极E20的n掺杂的石墨烯层大的功函数。n掺杂的石墨烯层与金属性材料层的功函数之差可以是大约0.1eV至大约5eV。备选地，功函数差可以是大约0.3eV至大约3eV。内建电势和内建电场可以在插置在第一电极E11和第二电极E20之间的半导体有源层S10内产生。内建电势和内建电场可以与以上参考图4描述的那些类似或相同。
根据示例实施方式，半导体有源层S10的邻近于第一电极E10或E11的第一区域(包括第一端的区域)和半导体有源层S10的邻近于第二电极E20或E21的第二区域(包括第二端的区域)中的至少一个可以是掺杂区域。以下将参考图9-12描述这些示例实施方式。
图9是可应用到根据另一示例实施方式的光电子器件的半导体有源层S10a的截面图。
参考图9，半导体有源层S10a可以包括第一掺杂区域d10和第二掺杂区域d20。第一和第二掺杂区域d10和d20可以是用相反类型的掺杂剂掺杂的区域。第一掺杂区域d10可以是邻近(或接触)第一电极(未示出)(例如，图3的第一电极E10)的区域，第二掺杂区域d20可以是邻近(或接触)第二电极(未示出)(例如，图3的第二电极E20)的区域。当第一电极用第一类型的掺杂剂掺杂时，邻近第一电极的第一掺杂区域d10也可以用第一类型的掺杂剂掺杂。当第二电极用第二类型的掺杂剂掺杂时，邻近第二电极的第二掺杂区域d20也可以用第二类型的掺杂剂掺杂。例如，第一掺杂区域d10可以是用p型掺杂剂掺杂的区域，第二掺杂区域d20可以是用n型掺杂剂掺杂的区域。然而，第一和第二掺杂区域d10和d20的杂质类型(p/n)可以交换位置。第一和第二掺杂区域d10和d20中的每一个可具有几nm或更大的厚度。未掺杂的区域可以存在于第一掺杂区域d10和第二掺杂区域d20之间。
在图9的示例实施方式中，第一掺杂区域d10和第二掺杂区域d20彼此间隔开。然而，根据另一示例实施方式，它们可以至少部分地彼此接触。该示例实施方式在图10中示出。参考图10，半导体有源层S10b可以包括第一掺杂区域d11和第二掺杂区域d22，第一掺杂区域d11和第二掺杂区域d22可以彼此接触。
在图9或10的示例实施方式中，可以不包括第一掺杂区域d10或d11以及第二掺杂区域d20或d22中的任一个。换言之，第一掺杂区域d10或d11以及第二掺杂区域d20或d22中的其中之一可以没有被掺杂并且保持未掺杂的状态。例如，如图11所示，半导体有源层S10c可具有形成在其一端(下表面)上的仅一个掺杂区域d10。备选地，如图12所示，半导体有源层S10d可具有形成在其另一端(上表面)上的仅一个掺杂区域d20。当第一和第二电极(未示出)中的其中之一是掺杂的石墨烯层并且另一个是金属性材料层时，在第一和第二电极之间包括的半导体有源层可具有与图11或12的结构相同的结构。例如，图11的半导体有源层S10c可以应用于图7的光电子器件的半导体有源层S10，图12的半导体有源层S10d可以应用于图8的光电子器件的半导体有源层S10。然而，即使金属性材料层被应用于第一和第二电极(未示出)中的其中之一，也可以使用图9和10的半导体有源层S10a和S10b。
当至少一个掺杂区域d10、d11、d20和/或d22被包括于如图9-12所示的半导体有源层S10a-S10d中时，半导体有源层S10a-S10d的内建电势和内建电场可以通过掺杂区域d10、d11、d20和/或d22而增加。具体地，当半导体有源层的与第一电极接触的一端用与第一电极的掺杂剂类型相同类型的掺杂剂掺杂并且与第二电极接触的其另一端用与第二电极的掺杂剂类型相同类型的掺杂剂掺杂时，内建电势和内建电场的增强可以被进一步提高。
此外，图9-12的掺杂区域d10、d11、d20和d22可以通过例如等离子体掺杂或化学掺杂形成。例如，半导体层的至少一部分可以通过将半导体层的至少所述部分浸在包含Cl2或Cl的溶液中而用n型掺杂剂掺杂。备选地，半导体层的至少一部分可以通过用包含NOx的溶液处理半导体层的至少所述部分而用p型掺杂剂掺杂。该过程可以被称为NOx化学吸附，并且可以在例如大约150℃进行。在使用化学掺杂时，p型掺杂剂和n型掺杂剂的材料(源)可以与用于掺杂石墨烯层的p型掺杂剂和n型掺杂剂的材料(源)相同或类似。在一些情形下，掺杂区域d10、d11、d20和d22可以通过离子注入形成。
图13是根据另一示例实施方式的可应用到光电子器件的半导体有源层的QD层QDL1的截面图。
参考图13，QD层QDL1可以包括多个量子点QD。所述多个量子点QD可以形成单层或多层结构。每个量子点QD可具有芯部分c1和壳部分s1，并且壳部分s1可具有单壳结构或双壳结构。芯部分c1可以由例如CdSe、InP、PbS、PbSe或CdTe形成，或者包括例如CdSe、InP、PbS、PbSe或CdTe，壳部分s1可以由例如CdS或ZnS形成，或包括例如CdS或ZnS。具有该结构的每个量子点QD可具有大约10nm或更小的直径。有机配位体a1可以存在于每个量子点QD的表面上。有机配位体a1可以是例如油酸、三辛基膦(trioctylphosphine)、三辛胺或三辛基氧化膦(trioctylphosphine oxide)。在一些情形下，有机配位体a1可以被去除。量子点QD可以是胶状量子点。图13中示出的QD层QDL1的结构仅是示例，其具体材料和具体结构可以改变。
可以对以上参考图1-3描述的光电子器件的结构进行各种变形。现在将参考图14-18详细描述光电子器件的各种变形结构。
图14是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图。
参考图14，光电子器件具有与图3中示出的结构类似或相同的结构，并且还可以包括插置在基板SUB12和第二电极E22之间的绝缘层N12。绝缘层N12可具有与半导体有源层S12的高度相同或类似的高度。第二电极E22可以形成在半导体有源层S12和绝缘层N12上。因而，第二电极E22可具有平坦或接***坦的结构。绝缘层N12可以用作支撑第二电极E22的支撑体。形成在第一电极E12上的第一接触电极CE12和形成在第二电极E22上的第二接触电极CE22可以在不同的高度处。第一接触电极CE12和第二接触电极CE22可以在水平方向上彼此间隔开，并且可以在竖直方向上彼此不交叠。
图15是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图。
参考图15，第一电极E13可以形成在基板SUB13上，并且绝缘层N13可以形成在基板SUB13上从而覆盖第一电极E13。半导体有源层S13可以形成在绝缘层N13内并且与第一电极E13接触。第一电极E13的一部分经由其暴露的孔可以形成在绝缘层N13内，并且半导体有源层S13可以形成在该孔内。半导体有源层S13的上表面和绝缘层N13的上表面可具有相等的、相同的或类似的高度。第二电极E23可以形成在绝缘层N13上并且与半导体有源层S13接触。电连接到(接触)第一电极E13的第一接触电极CE13可以形成在绝缘层N13上，并且可以形成接触第二电极E20的第二接触电极CE23。
图16是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图。
参考图16，基板SUB14、第一电极E14、半导体有源层S14、第一绝缘层N14和第二电极E24可以分别对应于图15的基板SUB13、第一电极E13、半导体有源层S13、绝缘层N13和第二电极E23。根据示例实施方式，可以进一步包括形成在第一绝缘层N14上从而覆盖第二电极E24的第二绝缘层N24。电连接到(接触)第一电极E14的第一接触电极CE14可以形成在第二绝缘层N24上，并且电连接到(接触)第二电极E20的第二接触电极CE23可以形成在第二绝缘层N24上。在该情形下，第一接触电极CE14和第二接触电极CE24可以位于相同高度或几乎相同的高度处。
图17是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图。
参考图17，第一电极E15、半导体有源层S15和第二电极E25可以形成在基板SUB15上。图17的第一电极E15、半导体有源层S15和第二电极E25可以分别与图3的第一电极E10、半导体有源层S10和第二电极E20相同或类似。根据示例实施方式，覆盖第一电极E15、半导体有源层S15和第二电极E25的绝缘层N15可以形成在基板SUB15上。绝缘层N15可以用作保护第一电极E15、第二电极E25和半导体有源层S15的钝化层。电连接到(接触)第一电极E15的第一接触电极CE15可以形成在绝缘层N15上，并且电连接到(接触)第二电极E25的第二接触电极CE25可以形成在绝缘层N15上。
图18是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图。
参考图18，光电子器件还可以包括形成在图3的结构上的钝化层P16。基板SUB16、第一电极E16、半导体有源层S16、第二电极E26、第一接触电极CE16和第二接触电极CE26可以分别对应于图3的基板SUB10、第一电极E10、半导体有源层S10、第二电极E20、第一接触电极CE10和第二接触电极CE20。钝化层P16可以形成在基板SUB16上从而覆盖组件SUB16、E16、S16、E26、CE16和CE26。具体地，钝化层P16可以保护应用于第一和第二电极E16和E26中的至少一个的掺杂的石墨烯层，并且减少或基本上防止掺杂的石墨烯层的劣化(退化)。钝化层P16可以包括电介质(绝缘体)诸如SiO2、SiNx、Al2O3、HfOx或ZrOx，或由其形成，或者可以包括2D绝缘体诸如六方晶系氮化硼(h-BN)，或由其形成。钝化层P16可以通过利用各种方法诸如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和原子层沉积(ALD)中的任一种形成。图18的钝化层P16可以应用于图14-17的光电子器件。
根据图1-3的示例实施方式和图14-18的示例实施方式，第一接触电极CE10和CE12-CE16分别在水平方向上与第二接触电极CE20和CE22-CE26间隔开，因此分别不交叠第二接触电极CE20和CE22-CE26。然而，根据另一示例实施方式，第一接触电极和第二接触电极可以在竖直方向上彼此间隔开并且可以在竖直方向上彼此交叠。该示例实施方式在图19中示出。
图19是根据另一示例实施方式的光电子器件的截面图。
参考图19，第一接触电极CE17可以形成在基板SUB17上，并且可以形成在竖直方向上与第一接触电极CE17间隔开的第二接触电极CE27。半导体有源层S17可以插置在第一接触电极CE17和第二接触电极CE27之间。第一电极E17可以插置在第一接触电极CE17和半导体有源层S17之间，第二电极E27可以插置在第二接触电极CE27和半导体有源层S17之间。基板SUB17、第一电极E17、第二电极E27、半导体有源层S17、第一接触电极CE17和第二接触电极CE27的各自的材料和性能可以分别与图1-3的基板SUB10、第一电极E10、第二电极E20、半导体有源层S10、第一接触电极CE10和第二接触电极CE20的材料和性能相同或类似。第一接触电极CE17的上表面的一部分可以由于没有被第一电极E17、半导体有源层S17和第二电极E27完全覆盖而暴露。第一电极E17、半导体有源层S17和第二电极E27可以被图案化以具有相同的宽度或类似的宽度。第二接触电极CE27可以形成为具有比第二电极E27小的尺寸(宽度)或具有与第二电极E27相同的尺寸(宽度)。图19的结构仅是示例，可以对图19的结构进行各种变形。例如，第一接触电极CE17、第一电极E17、半导体有源层S17、第二电极E27和第二接触电极CE27可具有相同的尺寸(宽度)或类似的尺寸(宽度)。在一些情形下，可以不包括基板SUB17。也可以对图19的结构进行各种其它变化。
根据另一示例实施方式，以上参考图1-4和图7-19描述的光电子器件还可以包括第三电极，也就是，栅电极，用于施加电场到半导体有源层S10、S10a-S10d和S12-S17。通过利用栅电极施加期望的(或备选地，预定的)电场到半导体有源层S10、S10a-S10d和S12-S17，可以控制半导体有源层S10、S10a-S10d和S12-S17的特性，并因此可以控制光电子器件的特性。
根据图1的示例实施方式，光电子器件的单位单元具有整体直线结构。然而，当从顶部观看时，根据另一示例实施方式的光电子器件的单位单元可具有各种结构，诸如弯曲(弯的)结构或十字形(crisscross)结构。该示例实施方式在图20和21中示出。
图20是显示根据另一示例实施方式的光电子器件的平面结构的平面图。图20的结构是图1的结构的变形。
参考图20，第一电极E18可以在第一方向(例如，负Y轴方向)上从半导体有源层S18延伸，第二电极E28可以在垂直于第一方向的第二方向(例如，X轴方向)上从半导体有源层S18延伸。第一接触电极CE18可以形成在第一电极E18的一端上，第二接触电极CE28可以形成在第二电极E28的一端上。因而，当从顶部观看时，根据示例实施方式的光电子器件可具有弯曲结构。虽然在一示例实施方式中第一电极E18和第二电极E28形成90°的角度，但是两个电极E18和E28可以设置为形成除90°以外的角度(锐角或钝角)。
图21是显示根据另一示例实施方式的光电子器件的平面结构的平面图。图21的结构是图20的结构的变形。
参考图21，根据示例实施方式的光电子器件可具有十字形结构。换言之，根据示例实施方式的光电子器件可具有交叉点结构。更详细地，第一电极E19和第二电极E29可以设置为彼此交叉，例如，以直角彼此交叉，并且半导体有源层E19可以形成在这两个电极E19和E29之间的交叉点上。第一接触电极CE19可以形成在第一电极E19的一端上，第二接触电极CE29可以形成在第二电极E29的一端上。
如图1、20或21所示的光电子器件可以组成一个单位单元，并且可以布置多个这样的单位单元。所述多个单位单元可以通过至少一个公共电极彼此连接。利用公共电极的示例在图22中示出。
图22是根据另一示例实施方式的光电子器件的平面图。
参考图22，可以布置多个单位单元UC1。例如，所述多个单位单元UC1可以在期望的(或备选地，预定的)方向(例如，X轴方向)上以规则间距彼此间隔开。每个单位单元UC1可以包括第一电极E10、第二电极E20以及插置在其间的半导体有源层S10。每个单位单元UC1的结构可以与图1的结构相同或类似。多个第一接触电极CE10可以分别连接到所述多个单位单元UC1的第一端。第二接触电极CE200可以共同地连接到所述多个单位单元UC1的第二端。第二接触电极CE200可以被认为是由所述多个单位单元UC1共用的公共电极。
当图22的结构中的每个单位单元UC1被用作光电探测器时，多个半导体有源层S10可以吸收并检测不同波长的光束。在该情形下，每个半导体有源层S10可以被认为是一种像素。因而，图22的结构可以被认为是其中多个像素由公共电极(即，第二接触电极CE200)限制的结构。在使用如图22所示的结构时，可以分别检测不同波长的光束，与所检测的光束相应的信息可以用于实现与该信息相应的图像。图22的阵列结构仅是示例，可以对图22的阵列结构进行各种变形。例如，可以通过利用图20或21的结构作为单元结构来实现各种阵列结构，并且可以使用独立的电极而不是一个公共电极。
图23是根据示例实施方式的光电子器件的光学显微镜图像。图23的光电子器件具有下石墨烯层GB、WSe2层和上石墨烯层GT的层叠结构，并且具有与图21的光电子器件的平面结构类似或相同的平面结构。下石墨烯层GB是用p型掺杂剂掺杂的层，并且WSe2层是2D半导体层。
图24是曲线图，显示了评估图23的光电子器件的栅极电压-漏极电流(Vg-Id)特性的结果。为了进行该评估，栅电极设置在图23的光电子器件的下石墨烯层GB下面，下石墨烯层GB用作漏电极，并且上石墨烯层GT用作源电极。
参考图24，漏极电流Id的最小值点位于曲线中电压大于0V处，也就是，在正电压处。该结果表示下石墨烯层GB是p掺杂的。
图25是曲线图，显示了评估图23的光电子器件的漏极电压-漏极电流(Vd-Id)特性的结果。为了进行该评估，下石墨烯层GB用作漏电极，并且上石墨烯层GT用作源电极。栅极电压Vg是0V。
参考图25，电流-电压(IV)曲线关于曲线中漏极电压Vd是大约0Vd的位置水平地不对称。例如，在漏极电压Vd是-1V时，漏极电流Id是大约10-10A，并且在漏极电压Vd是+1V时，漏极电流Id是大约10-7A。在漏极电压Vd是-1V时和漏极电压Vd是+1V时的漏极电流Id之差大于大约103A。该水平不对称性表示内建电势已经形成在下石墨烯层GB和上石墨烯层GT之间的半导体层(即，WSe2层)中。
图26显示了评估根据示例实施方式的光电子器件的光导特性的结果。图26的左图示意性地显示了评估光电子器件的方法，其右图显示了该评估的结果。图26的光电子器件(左图)与图23的光电子器件相同。当没有电压被施加到光电子器件的第一和第二电极(即，上石墨烯层GB和下石墨烯层GT)，也就是，处于零偏压状态时，在通过利用光源辐照光至半导体层(即，WSe2层)的有源区R1时测量所产生的电流的量。如图26的右图所显示的图像可以经由光电流绘图获得。由光源产生的光的波长是641nm，光源的功率是3.1μW/μm2。图26的左图中的参考符号A表示安培表。
参考图26的右图，在与半导体层(即，WSe2层)的有源区R1相应的区域中产生相对大量的电流。当由该结果计算光响应度(即，233nA/3.1μW)时，光响应度是大约75mA/W。参考图26的计算结果，根据示例实施方式的光电子器件即使在没有施加外电压的零偏压状态下也表现出光导特性。
根据示例实施方式的构思不仅可应用于光电子器件而且可应用于其它半导体器件诸如晶体管。因为晶体管能够使用三个电极(即，源电极、漏电极和栅电极)，所以晶体管可以被称为3端子器件。因而，根据示例实施方式的晶体管可具有其中第三电极(即，栅电极)被增加至图3和图14-19的结构中的其中之一的结构。
图27是根据示例实施方式的晶体管的截面图。
参考图27，与图3的结构类似或相同，可以包括第一电极E50、第二电极E60、半导体层S50、第一接触电极CE50和第二接触电极CE60。第一电极E50、第二电极E60、半导体层S50、第一接触电极CE50和第二接触电极CE60可以分别与图3的第一电极E10、第二电极E20、半导体有源层S10、第一接触电极CE10和第二接触电极CE20相同或类似。根据图3的示例实施方式，半导体有源层S10可以用作光敏层。根据示例实施方式(图27)，半导体层S50可以用作沟道层。根据示例实施方式的晶体管还可以包括用于施加电场到半导体层S50的栅电极G50。栅电极G50可以由2D导体诸如石墨烯形成，或者包括2D导体诸如石墨烯，或者由除2D导体以外的一般导体形成。栅电极G50可以是透明的或可以不是透明的。栅绝缘层GI50可以形成在半导体层S50和栅电极G50之间。栅绝缘层GI50可以由2D绝缘体诸如h-BN形成或包括2D绝缘体诸如h-BN，或由除2D绝缘体以外的一般绝缘体形成。栅绝缘层GI50可以形成在栅电极G50上，第一电极E50、第二电极E60、半导体层S50、第一接触电极CE50和第二接触电极CE60可以形成在栅绝缘层GI50上。第一和第二电极E50和E60中的其中之一可以是源电极，另一个可以是漏电极。因此，第一和第二接触电极CE50和CE60中的其中之一可以是源极接触电极，另一个可以是漏极接触电极。例如，第一电极E50和第一接触电极CE50可以分别是漏电极和漏极接触电极，第二电极E60和第二接触电极CE60可以分别是源电极和源极接触电极。源电极和漏电极的作用可以转变。
在图27的结构中，第一和第二电极E50和E60中的至少一个可以包括掺杂的石墨烯层。例如，第一电极E10和第二电极E20中的其中之一可以包括用p型掺杂剂掺杂的石墨烯层，另一个可以包括用n型掺杂剂掺杂的石墨烯层。备选地，第一电极E10和第二电极E20中的其中之一可以包括用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂的石墨烯层，第一电极E10和第二电极E20中的另一个可以包括金属性材料层。在该情形下，掺杂的石墨烯层和金属性材料层的功函数之差可以是例如大约0.1eV至大约5eV或大约0.3eV至大约3eV。
半导体层S50可以包括2D半导体和/或量子点。2D半导体和量子点的详细情况可以与以上描述的相同，因而将省略其重复描述。在一些情形下，半导体层S50可以包括各种半导体材料诸如包含Si、Ge或SiGe的IV族基半导体，III-IV族半导体，氧化物半导体，氮化物半导体和氮氧化物半导体中的至少一种。半导体层S50可具有大约0.1eV或更大的内建电势，或大约0.3eV或更大的内建电势。内建电势可以是大约0.1eV至大约5eV，例如，大约0.3eV至大约3eV。半导体层S50可具有大约0.3MV/cm或更大或者大约1MV/cm或更大的内建电场。内建电场可以是大约0.3MV/cm至大约100MV/cm，例如，大约1MV/cm至大约70MV/cm。
半导体层S50可以用作隧穿层。换言之，由于电荷(电子/空穴)经由半导体层S50的隧穿，电流可以在第一电极E50和第二电极E60之间流动。在该情形下，根据示例实施方式的晶体管可以被称为隧穿晶体管。根据被施加到栅电极G50的电压，可以确定半导体层S50是否被活化，也就是，是否导通或断开。根据示例实施方式，因为半导体层S50具有内建电势和/或内建电场，所以可以容易地发生电荷经由半导体层S50的隧穿。换言之，隧穿效率可以通过内建电势和/或内建电场而提高。因此，根据示例实施方式，可以实现具有优良性能的隧穿晶体管。
此外，半导体层S50可以包括邻近第一电极E50的第一区域以及邻近第二电极E60的第二区域，第一和第二区域中的至少一个可以是掺杂区域。换言之，半导体层S50可具有与图9-12的半导体有源层S10a-S10d中的每一个的结构相同或类似的结构。因此，半导体层S50的第一区域可以用与第一电极E50的掺杂剂相同类型的掺杂剂掺杂，和/或半导体层S50的第二区域可以用与第二电极E60的掺杂剂相同类型的掺杂剂掺杂。因为半导体层S50的第一和第二区域中的至少一个如上所述地掺杂，所以半导体层S50的隧穿特性例如可以进一步改善，因此，晶体管的性能可以改善。
图28是当晶体管处于平衡状态时图27的晶体管的能带图。
参考图28，第一电极E50可以是用p型掺杂剂掺杂的石墨烯层(即，p掺杂的石墨烯层)，第二电极E60可以是用n型掺杂剂掺杂的石墨烯层(即，n掺杂的石墨烯层)。如图28所示，半导体层S50的能带可具有倾斜结构。半导体层S50可具有大约0.1eV或更大的内建电势，或大约0.3eV或更大的内建电势。半导体层S50可具有大约0.3MV/cm或更大或者大约1MV/cm或更大的内建电场。由于具有内建电势和/或内建电场的半导体层S50，半导体层S50的隧穿特性可以改善，并且晶体管的性能可以改善。
现在将描述根据示例实施方式的制造半导体器件(例如，光电子器件或晶体管)的方法。
图29A至29F是用于说明根据示例实施方式的制造半导体器件的方法的截面图。
参考图29A，可以在基板100上形成绝缘层110。基板100可以是例如半导体基板诸如硅基板，但是可以是任何其它基板。用于形成基板100的材料可以是绝缘体或导体。基板100可以是柔性基板或刚性基板，并且可以是透明的、不透明或半透明的基板。绝缘层110可以是例如硅氧化物层。当硅基板用作基板100时，硅氧化物层可以通过氧化硅基板的表面部分而形成，硅氧化物层可以用作绝缘层110。用于形成绝缘层110的材料可以改变。在一些情形下，可以不形成绝缘层110。
然后，可以在绝缘层110上形成第一电极120。第一电极120可以由例如石墨烯层形成，或包括例如石墨烯层。在该情形下，第一电极120可以被称为第一石墨烯层。第一石墨烯层可以经由一般的转印工艺形成。备选地，第一石墨烯层可以直接生长在基板100上。
参考图29B，可以用第一类型的掺杂剂掺杂第一电极120。因此，可以获得掺杂的第一电极120a。例如，可以通过用p型掺杂剂掺杂第一电极120而获得掺杂的第一电极120a。掺杂的第一电极120a可以是p-掺杂的石墨烯层。
现在将更详细地描述掺杂第一电极120的示例方法，也就是，形成掺杂的第一电极120a的方法。当第一电极120是石墨烯层时，第一电极120可以经由等离子体掺杂工艺或化学掺杂工艺被掺杂。当第一电极120是经由化学掺杂被p掺杂时，可以使用例如AuCl3、FeCl3、An-Br或TPA作为p型掺杂剂的源。这里，An-Br是9,10-二溴并三苯，TPA是1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐。此外，可以使用重氮盐作为p型掺杂剂的源，并且重氮盐可以包括例如4-BBDT。AuCl3中的Au可以用作p型掺杂剂，重氮盐中的溴族可以用作p型掺杂剂。p型掺杂剂的源可以是离子液体诸如NO2BF4、NOBF4或NO2SbF6，酸性化合物诸如HCl、H2PO4、CH3COOH、H2SO4或HNO3，或有机化合物诸如二氯二氰苯醌(DDQ)、过硫酸氢钾制剂、二肉豆蔻酰磷脂酰肌醇(DMPI)或三氟甲烷磺酰亚胺。备选地，p型掺杂剂的源可以是HPtCl4、HAuCl4、AgOTf、AgNO3、H2PdCl6、Pd(OAc)2、Cu(CN)2等。然而，上述p型掺杂剂的材料(源)仅是示例，可以使用各种其他材料中的任一种。
参考图29C，可以在掺杂的第一电极120a上形成半导体层130。半导体层130可以由具有2D晶体结构的2D半导体形成或包括具有2D晶体结构的2D半导体，或者由量子点形成或包括量子点。备选地，半导体层130可以形成为包括2D半导体和量子点二者。在一些情形下，半导体层130可以形成为包括各种半导体材料诸如包含Si、Ge或SiGe的IV族基半导体，III-IV族半导体，氧化物半导体，氮化物半导体和氮氧化物半导体中的至少一种。半导体层130可以形成在掺杂的第一电极120a的期望的(或备选地，预定的)区域例如一端上，掺杂的第一电极120a的剩余区域可以被暴露而没有被半导体层130覆盖。
参考图29D，可以在半导体130上形成第二电极140。第二电极140可以由例如石墨烯层形成，或包括例如石墨烯层。在该情形下，第二电极140可以被称为第二石墨烯层。第二电极140可以朝向半导体层130的一侧延伸同时覆盖半导体层130的上表面。因而，第二电极140可以在半导体层130的一侧上的绝缘层110上方延伸。
参考图29E，可以对第二电极140进行掺杂工艺。例如，可以通过用第二类型的掺杂剂掺杂第二电极140而获得掺杂的第二电极140a。第二类型的掺杂剂可以是例如n型掺杂剂。在该情形下，掺杂的第二电极140a可以是n掺杂的石墨烯层。
现在将更详细地描述掺杂第二电极140的方法，也就是，形成掺杂的第二电极140a的方法。当第二电极140是石墨烯层时，第二电极140可以经由等离子体掺杂工艺或化学掺杂工艺被掺杂。在使用等离子体时，n掺杂的石墨烯层(即，掺杂的第二电极140a)可以通过利用例如N等离子体而用氮(N)代替石墨烯层(即，第二电极140)中的碳(C)的一部分而获得。为了经由化学掺杂而n掺杂第二电极140，例如“具有电子施主基团的芳香族分子”或氟化铵可以用作n型掺杂剂的源。这里，“具有电子施主基团的芳香族分子”可以是例如9,10-二甲基蒽(An-CH3)或1,5-萘二胺(Na-NH2)。n型掺杂剂的源可以是包括烟酰胺的化合物、取代或未取代的烟酰胺的还原产物、与取代或未取代的烟酰胺化学结合的化合物的还原产物、或包括至少两个吡啶基团的化合物，其中吡啶基团中的至少一个的氮原子减少。例如，n型掺杂剂的源可以包括烟酰胺单核苷酸(NMN)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)、烟酰胺单核苷酸-H(NMNH)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸-H(NADH)或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸-H(NADPH)或可以包括紫精。紫精可以包括例如1,1'二苄基-4,4'-双吡啶二氯化物、甲基紫精二氯水合物、乙基紫精二高氯酸盐、1,1'双十八烷-4,4'-双吡啶二溴化物和二辛基双(4-吡啶基)联苯紫精中的至少之一。紫精还可以包括能够在两个吡啶结构之间接合的分子结构。在该情形下，分子结构可以包括芳香基、链烯基、炔基等。备选地，n型掺杂剂的源可以包括聚合物，诸如聚乙烯亚胺(PEI)。紫精中的氮原子可以用作n型掺杂剂，PEI中的胺基可以用作n型掺杂剂。备选地，n型掺杂剂可以包括碱金属，诸如K或Li。然而，上述p型掺杂剂的材料(源)仅是示例，可以使用各种其他材料中的任一种。
在图29E的操作中，第一电极120a的被暴露而没有被半导体层130覆盖的部分可以暴露于n型掺杂剂的掺杂。因而，在半导体层130之外的第一电极120a的暴露部分可以用n型掺杂剂掺杂。然而，暴露部分可以是不影响或很少影响半导体层130的区域。第一电极120a的存在于半导体层130的正下面的一部分可以直接影响半导体层130。该部分可以不暴露于图29E的操作中的n型掺杂剂。因而，第一电极120a的在半导体层130正下面的所述部分的第一掺杂剂(例如，p型掺杂剂)的浓度可以不同于第一电极120a的没有被半导体层130覆盖的暴露部分的第一掺杂剂(例如，p型掺杂剂)的浓度。然而，当在图29D和29E的操作中形成覆盖掺杂的第一电极120a的掩模(未示出)并且然后对第二电极140进行掺杂时，基本上整个掺杂的第一电极120a可以不被关于第二电极140的掺杂影响。在该情形下，掺杂的第一电极120a的基本上整个区域中的第一掺杂剂(例如，p型掺杂剂)的浓度可以是均匀的或基本上均匀的。
参考图29F，可以在掺杂的第一电极120a上形成第一接触电极150并且可以在掺杂的第二电极140a上形成第二接触电极160。第一接触电极150和第二接触电极160可以由相同的材料或不同的材料形成，或者包括相同的材料或不同的材料。掺杂的第一电极120a、半导体层130、第二电极140a、第一接触电极150和第二接触电极160可以分别对应于图3的第一电极E10、半导体有源层S10、第二电极E20、第一接触电极CE10和第二接触电极CE20。备选地，掺杂的第一电极120a、半导体有源层130、第二电极140a、第一接触电极150和第二接触电极160可以分别对应于图27的第一电极E50、半导体层S50、第二电极E60、第一接触电极CE50和第二接触电极CE60。在该情形下，基板100和绝缘层110可以分别对应于图27的栅电极G50和栅绝缘层GI50。
虽然在图29A-29F的示例实施方式中掺杂的第一电极120a是p掺杂的石墨烯层并且掺杂的第二电极140a是n掺杂的石墨烯层，但是掺杂的第一电极120a可以是n掺杂的石墨烯层并且掺杂的第二电极140a可以是p掺杂的石墨烯层。根据另一示例实施方式，掺杂的第一和第二电极120a和140a中的其中之一可以包括p掺杂的石墨烯层或n掺杂的石墨烯层或由其形成，并且另一个可以由金属性材料层形成或包括金属性材料层。在该情形下，n掺杂或p掺杂的石墨烯层与金属性材料层的功函数之差可以是大约0.1eV至大约5eV。在一些情形下，掺杂的第一和第二电极120a和140a中的其中之一可以包括p掺杂的石墨烯层或n掺杂的石墨烯层或由其形成，并且另一个可以由未掺杂的石墨烯层形成或包括未掺杂的石墨烯层。
根据另一示例实施方式，半导体层130的至少一部分可以被掺杂。参考图9-12在以上描述的半导体层S10a-S10d的结构可以通过掺杂半导体层130的至少一部分而形成。现在将参考图30A-30E和图31A-31D描述参考图9-12在以上描述的半导体层S10a-S10d的形成方法。
图30A至30E是截面图，用于说明根据示例实施方式的掺杂可应用到半导体器件(例如，光电子器件或晶体管)的半导体层的至少一部分的方法。
参考图30A，可以在第一基板101上形成半导体层131。
参考图30B，可以通过用第一类型的掺杂剂掺杂半导体层131的上表面部分的至少一部分而形成第一掺杂区域d1。参考数字131a表示包括第一掺杂区域d1的半导体层。第一类型的掺杂剂可以是例如p型掺杂剂。在该情形下，第一掺杂区域d1可以是p型掺杂区域。
参考图30C和30D，可以将形成在第一基板101上的半导体层131a转印到第二基板102。在该情形下，第一掺杂区域d1可以附接到第二基板102的上表面。换言之，半导体层131a可以上下颠倒，然后被转印到第二基板102。因此，形成在第二基板102上的半导体层131a的上表面部分可以处于未掺杂的状态。
参考图30E，可以通过用第二类型的掺杂剂掺杂半导体层131a的上表面部分的一部分而形成第二掺杂区域d2。参考数字131b表示包含第一掺杂区域d1和第二掺杂区域d2的半导体层。第二类型的掺杂剂可以是例如n型掺杂剂。在该情形下，第二掺杂区域d2可以是n型掺杂区域。
在图30C-30E的操作中使用的第二基板102可以是例如图29B的结构，也就是包括基板100、绝缘层110和掺杂的第一电极120a的结构。图30C-30E的工艺可以通过利用图29B的结构作为第二基板102而进行。因此，图30E的半导体层131b可以形成在图29B的掺杂的第一电极120a上。
在图30C-30E的操作中的第一和第二掺杂区域d1和d2可以经由等离子体掺杂或化学掺杂形成。例如，用p型掺杂剂掺杂的第一掺杂区域d1可以通过利用包含NOx的溶液处理图30A的结构中的半导体层131的上表面部分(暴露部分)而形成。该过程可以被称为NOx化学吸附，并且可以在例如大约150℃进行。当半导体层131由MoS2形成或包括MoS2时，半导体层131可以通过用NOx代替S而被p掺杂。通过将图30D的结构中的半导体层131a浸在包含Cl2或Cl的溶液内，用n型掺杂剂掺杂的第二掺杂区域d2可以形成在半导体层131a的上表面部分(暴露部分)上。当半导体层131a由MoS2形成或包括MoS2时，半导体层131a可以通过用Cl代替S而被n掺杂。用于在半导体层131上形成第一和第二掺杂区域d1和d2的p型掺杂剂和n型掺杂剂的材料(源)可以与用于掺杂石墨烯层的p型掺杂剂和n型掺杂剂的材料和性能相同或类似。在一些情形下，第一和第二掺杂区域d1和d2中的至少之一可以经由离子注入形成。
图31A至31D是截面图，用于说明根据另一示例实施方式的掺杂可应用到半导体器件(例如，光电子器件或晶体管)的半导体层的至少一部分的方法。
参考图31A，可以在基板103上形成第一半导体层133-1。第一半导体层133-1可以包括2D半导体和量子点中的至少一个或由其形成。备选地，第一半导体层133-1可以形成为包括各种半导体材料诸如包括Si、Ge或SiGe的IV族基半导体，Ⅲ-IV族半导体，氧化物半导体，氮化物半导体和氮氧化物半导体中的至少一种。
参考图31B，可以用第一类型掺杂剂掺杂第一半导体层133-1。第一类型的掺杂剂可以是例如p型掺杂剂。在该情形下，可以形成p掺杂的第一半导体层133-1a。
参考图31C，可以在p掺杂的第一半导体层133-1a上形成第二半导体层133-2。第二半导体层133-2可以包括与用于形成图31A的第一半导体层133-1的材料相同或不同的材料，或者由其形成。
参考图31D，可以用第二类型的掺杂剂掺杂第二半导体层133-2。第二类型的掺杂剂可以是例如n型掺杂剂。在该情形下，可以形成n掺杂的第二半导体层133-2a。这两个掺杂的半导体层133-1a和133-2a组成半导体层133a。半导体层133a可具有多层结构，例如双层结构。半导体层133a的下层区域可以用第一类型掺杂剂掺杂并且其上层区域可以用第二类型掺杂剂掺杂。
在图31A-31D的示例实施方式中使用的基板103可以是例如图29B的结构，也就是包括基板100、绝缘层110和掺杂的第一电极120a的结构。图31A-31D的工艺可以利用图29B的结构作为基板103进行。因此，图31D的半导体层133a可以形成在图29B的掺杂的第一电极120a上。
当图30A至30E的方法或图31A至31D的方法改变时，可以形成图11或12的半导体层S10c或S10d的结构。这对于示例实施方式所属的领域中的普通技术人员而言是众所周知的，因而这里将省略其详细描述。
图32A至32G是截面图，用于说明根据另一示例实施方式的制造半导体器件的方法。示例实施方式示出了制造如图19所示的半导体器件(光电器件)的方法。
参考图32A，可以在基板107上形成第一接触电极117。第一接触电极117可以是透明的或可以不是透明的。可以在第一接触电极117上形成第一电极127。第一电极127可以由例如石墨烯层形成，或包括例如石墨烯层。在该情形下，第一电极127可以被称为第一石墨烯层。当第一电极127由石墨烯层形成或包括石墨烯层时，石墨烯层可以利用第一接触电极117作为催化剂而形成。
参考图32B，可以通过用第一类型掺杂剂掺杂第一电极127而获得掺杂的第一电极127a。第一类型的掺杂剂可以是例如p型掺杂剂。在该情形下，掺杂的第一电极127a可以是p掺杂的石墨烯层。掺杂第一电极127的方法可以与以上参考图29A和29B描述的掺杂第一电极120的方法相同或类似。另外，根据示例实施方式，当利用第一接触电极117作为催化剂(金属催化剂)形成将被用作第一电极127的石墨烯层时，石墨烯层可以通过催化剂掺杂。根据催化剂的材料，在催化剂上生长的石墨烯层可以被p掺杂或n掺杂。例如，石墨烯层通过利用Ni层作为催化剂而生长在Ni层上，石墨烯层可以通过Ni层被n掺杂。当第一接触电极117用作催化剂时，Au、Co、Cu、Fe、Ir、Mo、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru等可以用作用于形成第一接触电极117的材料，也就是，用作催化剂材料。掺杂的石墨烯层可以利用催化剂材料生长，并且当掺杂的石墨烯层用作掺杂的第一电极127a时，可以不进行特定的掺杂工艺。
参考图32C，可以在掺杂的第一电极127a上形成半导体层137。半导体层137可以包括2D半导体、量子点或一般的半导体材料，或者由其形成。
参考图32D，可以在半导体层137上形成第二电极147。第二电极147可以由例如石墨烯层形成，或包括例如石墨烯层。在该情形下，第二电极147可以被称为第二石墨烯层。
参考图32E，可以通过用第二类型掺杂剂掺杂第二电极147而获得掺杂的第二电极147a。第二类型的掺杂剂可以是例如n型掺杂剂。在该情形下，掺杂的第二电极147a可以是n掺杂的石墨烯层。掺杂第二电极147的方法可以与以上参考图29D和29E描述的掺杂第二电极140的方法相同或类似。
参考图32F，可以通过图案化掺杂的第二电极147a、半导体层137和掺杂的第一电极127a而暴露第一接触电极117的一部分。
参考图32G，可以在掺杂的第二电极147a上形成第二接触电极157。第二接触电极157可以是透明的或可以不是透明的。第二接触电极157可以形成为具有比掺杂的第二电极147a小的尺寸(宽度)或具有与掺杂的第二电极147a相同的尺寸(宽度)。在一些情形下，第一接触电极117、掺杂的第一电极127a、半导体层137、掺杂的第二电极147a和第二接触电极157可以形成为具有相同的宽度。
虽然在图32A-32G的示例实施方式中掺杂的第一电极127a是p掺杂的石墨烯层并且掺杂的第二电极147a是n掺杂的石墨烯层，但是掺杂的第一电极127a可以是n掺杂的石墨烯层并且掺杂的第二电极147a可以是p掺杂的石墨烯层。根据另一示例实施方式，掺杂的第一和第二电极127a和147a中的其中之一可以包括p掺杂的石墨烯层或n掺杂的石墨烯层或由其形成，并且另一个可以包括金属性材料层或由其形成。在该情形下，n掺杂或p掺杂的石墨烯层与金属性材料层的功函数之差可以是大约0.1eV至大约5eV。在一些情形下，掺杂的第一和第二电极127a和147a中的其中之一可以包括p掺杂的石墨烯层或n掺杂的石墨烯层，或由其形成，并且另一个可以包括未掺杂的石墨烯层，或由其形成。
通过将图30A-30E的方法、图31A-31D的方法或这两种方法的每一个的变形应用到图32A-32G的示例实施方式，半导体层137的至少一部分可以被掺杂。换言之，半导体层137可以形成为具有图9-12的半导体有源层S10a-S10d中的其中之一。
当图32G的结构用作光接收器件并且光从上方进入半导体层137时，第二接触电极157可以是透明电极。在该情形下，第一接触电极117和基板107可以不是透明的。当光从基板107下面进入半导体层137时，基板107和第一接触电极117可以是透明的并且第二接触电极157可以不是透明的。基板107以及第一和第二接触电极117和157可以都是透明的，或可以不包括基板107。
根据如上所述的示例方法，半导体器件(例如，光电器件或晶体管)的各种结构可以被容易地制造。根据示例实施方式的光电器件可以是例如掺杂石墨烯-2D半导体基的光电器件。光电器件可应用于例如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、电荷耦合器件(CCD)、或健康监测器件的光电探测器。具体地，根据示例实施方式的光电器件可以被有效地应用于需要诸如高灵敏度、宽带(UV至IR)和柔性的特性的下一代CMOS图像传感器(CIS)。根据示例实施方式的光电器件还可以应用于与Si基图像传感器或新型柔性器件结合的器件。根据示例实施方式的光电器件也可以应用于太阳能电池，或在一些情形下，可以应用于发光器件。根据示例实施方式的晶体管(隧穿晶体管)可以是柔性的并且非常薄，且可具有优良的性能，因而可以有效地应用于包括柔性器件的各种电子设备。
虽然已经具体地显示并描述了示例实施方式，应该理解的是，示例实施方式应该仅以描述性含义被考虑且不用于限制。例如，本领域的普通技术人员将理解，可以在图1-4、图7-22和图27的半导体器件的结构中进行形式和细节上的各种变化，而不脱离权利要求的精神和范围。例如，2D材料诸如h-BN可以应用于图3的半导体层S10。在该情形下，h-BN可具有能带隙内的至少一个缺陷能级，因而关于光可具有与半导体相同或类似的特性。此外，在根据示例实施方式的半导体器件中，可以使用2D导体或任何其它材料而不是石墨烯。另外，可以对图29A-29F、图30A-30E、图31A-31D和图32A-32G的半导体器件制造方法进行各种变形。根据示例实施方式的各种构思可以应用于光电器件、晶体管或任何其它器件。因此，当前的范围没有被此处描述的示例实施方式限制而是由权利要求限定。
应该理解，此处描述的示例性实施方式仅应该以说明性含义被理解，而不是用于限制。在每个示例实施方式内的特征的描述应该典型地被认为是可用于其它示例实施方式中的其它类似的或相同的特征。
虽然已经具体示出并描述了示例实施方式，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在形式和细节中进行各种改变而不脱离由权利要求限定的精神和范围。
本申请要求享有2015年5月18日在韩国知识产权局提交的第10-2015-0069119号韩国专利申请的优先权权益，其公开通过引用整体合并于此。

Claims (37)

1.一种光电器件，包括：
第一电极；
第二电极；以及
在所述第一电极和所述第二电极之间的半导体有源层，
其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括掺杂的石墨烯，以及
其中所述半导体有源层具有0.1eV或更大的内建电势。
2.根据权利要求1所述的光电器件，其中
所述第一电极和所述第二电极中的其中之一包括用p型掺杂剂掺杂的石墨烯，以及
所述第一电极和所述第二电极中的另一个包括用n型掺杂剂掺杂的石墨烯。
3.根据权利要求1所述的光电器件，其中
所述第一电极和所述第二电极中的其中之一包括用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂的石墨烯，以及
所述第一电极和所述第二电极中的另一个包括金属性材料。
4.根据权利要求3所述的光电器件，其中所述掺杂的石墨烯与所述金属性材料的功函数之差是0.1eV至5eV。
5.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述半导体有源层的内建电场是0.3MV/cm至100MV/cm。
6.根据权利要求1所述的光电器件，其中
所述半导体有源层包括邻近所述第一电极的第一区域以及邻近所述第二电极的第二区域，以及
所述第一区域和所述第二区域中的至少一个是掺杂区域。
7.根据权利要求6所述的光电器件，其中
当所述第一电极用第一类型的掺杂剂掺杂时，所述半导体有源层的所述第一区域用所述第一类型的掺杂剂掺杂，和/或
当所述第二电极用第二类型的掺杂剂掺杂时，所述半导体有源层的所述第二区域用所述第二类型的掺杂剂掺杂。
8.根据权利要求6所述的光电器件，其中所述半导体有源层的所述第一区域和所述第二区域彼此间隔开或彼此接触。
9.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述半导体有源层包括具有二维晶体结构的二维(2D)半导体。
10.根据权利要求9所述的光电器件，其中
所述二维半导体包括金属硫属化物基材料，以及
所述金属硫属化物基材料包括包含Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的金属元素以及包含S、Se和Te的硫属元素。
11.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述半导体有源层包括量子点。
12.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述第一电极、所述第二电极和所述半导体有源层中的至少一个包括二维材料。
13.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述半导体有源层的所述内建电势小于或等于5eV。
14.根据权利要求1所述的光电器件，其中所述光电器件包括光电探测器或光伏器件。
15.根据权利要求14所述的光电器件，其中所述光电探测器是自供电的光电探测器。
16.根据权利要求1所述的光电器件，还包括：
与所述第一电极接触的第一接触电极；以及
与所述第二电极接触的第二接触电极。
17.根据权利要求16所述的光电器件，其中所述第一接触电极和所述第二接触电极在水平方向上彼此间隔开。
18.根据权利要求16所述的光电器件，其中所述第一接触电极和所述第二接触电极在竖直方向上彼此间隔开。
19.根据权利要求1所述的光电器件，其中
所述第一电极在第一方向上从所述半导体有源层延伸，以及
所述第二电极在与所述第一方向相反的第二方向上从所述半导体有源层延伸。
20.根据权利要求1所述的光电器件，其中
所述第一电极在第一方向上从所述半导体有源层延伸，以及
所述第二电极在与所述第一方向垂直的第二方向上从所述半导体有源层延伸。
21.根据权利要求1所述的光电器件，其中
所述第一电极、所述第二电极和所述半导体有源层组成单位单元，
所述光电器件包括多个单位单元，并且还包括分别连接到所述多个单位单元的第一端的多个第一接触电极以及共同地连接到所述多个单位单元的第二端的第二接触电极。
22.一种光电器件，包括：
第一电极；
第二电极；以及
半导体有源层，插置在所述第一电极和所述第二电极之间并且包括二维半导体和量子点中的至少一个，
其中所述半导体有源层在所述第一电极和所述第二电极之间具有0.1eV或更大的内建电势。
23.根据权利要求22所述的光电器件，其中所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括掺杂的石墨烯。
24.根据权利要求23所述的光电器件，其中
所述第一电极和所述第二电极中的其中之一包括用p型掺杂剂掺杂的石墨烯，以及
所述第一电极和所述第二电极中的另一个包括用n型掺杂剂掺杂的石墨烯。
25.根据权利要求23所述的光电器件，其中
所述第一电极和所述第二电极中的其中之一包括用p型掺杂剂或n型掺杂剂掺杂的石墨烯，以及
所述第一电极和所述第二电极中的另一个包括金属性材料。
26.根据权利要求22所述的光电器件，其中
所述半导体有源层包括邻近所述第一电极的第一区域以及邻近所述第二电极的第二区域，以及
所述第一区域和所述第二区域中的至少一个是掺杂区域。
27.根据权利要求26所述的光电器件，其中
当所述第一电极用第一类型的掺杂剂掺杂时，所述半导体有源层的所述第一区域用所述第一类型的掺杂剂掺杂，以及
当所述第二电极用第二类型的掺杂剂掺杂时，所述半导体有源层的所述第二区域用所述第二类型的掺杂剂掺杂。
28.根据权利要求22所述的光电器件，其中
所述二维半导体包括金属硫属化物基材料，以及
所述金属硫属化物基材料包括包含Mo、W、Nb、V、Ta、Ti、Zr、Hf、Tc、Re、Cu、Ga、In、Sn、Ge和Pb的金属元素以及包含S、Se和Te的硫属元素。
29.一种晶体管，包括：
源电极；
漏电极；
在所述源电极和所述漏电极之间的半导体层；以及
栅电极，配置为施加电场到所述半导体层，
其中所述源电极和所述漏电极中的至少一个包括掺杂的石墨烯，所述半导体层具有0.1eV或更大的内建电势。
30.根据权利要求29所述的晶体管，其中
所述源电极和所述漏电极中的其中之一包括用p型掺杂剂掺杂的石墨烯，以及
所述源电极和所述漏电极中的另一个包括用n型掺杂剂掺杂的石墨烯。
31.根据权利要求29所述的晶体管，其中
所述源电极和所述漏电极中的其中之一包括所述掺杂的石墨烯，以及所述源电极和所述漏电极中的另一个包括金属性材料。
32.根据权利要求31所述的晶体管，其中所述掺杂的石墨烯与所述金属性材料的功函数之差是0.1eV至5eV。
33.根据权利要求29所述的晶体管，其中所述半导体层的内建电场是0.3MV/cm至100MV/cm。
34.根据权利要求29所述的晶体管，其中
所述半导体层包括邻近所述源电极的第一区域以及邻近所述漏电极的第二区域，以及
所述第一区域和所述第二区域中的至少一个是掺杂区域。
35.根据权利要求34所述的晶体管，其中
当所述源电极用第一类型的掺杂剂掺杂时，所述半导体层的所述第一区域用所述第一类型的掺杂剂掺杂，以及
当所述漏电极用第二类型的掺杂剂掺杂时，所述半导体层的所述第二区域用所述第二类型的掺杂剂掺杂。
36.根据权利要求29所述的晶体管，其中所述半导体层包括二维半导体和量子点中的至少之一。
37.根据权利要求29所述的晶体管，其中
所述半导体层是隧穿层，以及
所述晶体管是隧穿晶体管。
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