CN104011891A

CN104011891A - 电子隧穿装置和相关联的方法

Info

Publication number: CN104011891A
Application number: CN201280063406.3A
Authority: CN
Inventors: A·库利; S·阿万; A·洛姆巴多; T·库尔马拉; A·费拉里; T·埃彻梅耶
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Technologies Oy
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: WO2013093180A1; CN104011891B; US9202945B2; US20130162333A1; EP2795690A1; EP2795690A4; EP2795690B1

Abstract

一种装置包括由电绝缘材料层(306)分隔开来的第一导电材料层和第二导电材料层(304，307)，其中一个或两个导电材料层(304，307)包括石墨烯，并且其中该装置被配置为使得电子能够从第一导电材料层(304)通过电绝缘材料层(306)隧穿至第二导电材料层(307)。

Description

电子隧穿装置和相关联的方法

技术领域

本公开涉及金属-绝缘体-金属(MIM)二极管、相关联的方法和装置的领域，尤其涉及可以在光电检测器和硅整流二极管天线中使用的基于石墨烯的MIM二极管。某些所公开的示例方面/实施例涉及便携式电子设备，尤其是可以在使用时进行手持的所谓的手持电子设备(虽然它们在使用时可以置于支架中)。这样的手持电子设备包括所谓的个人数字助理(PDA)。

根据一个或多个所公开的示例方面/实施例的便携式电子设备/装置可以提供一种或多种音频/文本/视频通信功能(例如，电话通信、视频通信和/或文本传输、短消息服务(SMS)/多媒体消息服务(MMS)/电子邮件功能、交互式/非交互式观看服务(例如，web浏览、导航、电视/节目观看功能)、音乐录制/播放功能(例如，MP3或其它格式和/或(FM/AM)无线电广播录制/播放)、数据下载/发送功能、图像捕捉功能(例如，使用(例如，内置式)数码相机)和游戏功能)。

背景技术

之前已经使用晶体金属薄膜的热或等离子氧化制造出了MIM二极管。然而，以这种方式制造的二极管表现出很差的产量和性能。在很大程度上，这些问题可以归因于金属表面的粗糙度，该金属表面经常大于绝缘体的厚度。金属的粗糙度导致了贯穿器件的不统一的电场，这使得难以对电子隧穿进行控制。

近来，已经提出了使用非晶体金属层来降低MIM器件中的表面粗糙度。然而，所提出的金属是由四种金属所构成的合金(ZrCuAINi)，这增加了制造的复杂度和成本。此外，这样的合金由于金属是不透明的且相对易碎的而并不适合在柔性且透明的电子器件中使用。

这里所公开的装置可以解决该问题。

该说明书中对于之前所公开的文档或任意背景技术的列举或讨论并不应当被必然地认为认可该文档或背景技术构成现有技术的一部分或者是公知常识。本公开的一个或多个方面/实施例可以解决背景技术的一个或多个问题。

发明内容

根据第一方面，提供了一种装置，包括由电绝缘材料层分隔开来的第一导电材料层和第二导电材料层，其中一个或两个导电材料层包括石墨烯，并且其中该装置被配置为使得电子能够从第一导电材料层通过电绝缘材料层隧穿至第二导电材料层。

该装置可以被配置为通过对第一导电材料层和第二导电材料层施加电压差和/或在第一导电材料层和第二导电材料层之间提供功函数差而使得电子无法从第二导电材料层通过电绝缘材料层隧穿至第一导电材料层。

第一导电材料层和第二导电材料层可以仅由石墨烯所制成。第一导电材料层可以包括石墨烯，而第二导电材料层可以包括Cr、Au、Al、Ni、Cu、Pt、W以及铟锡氧化物中的一种或多种，或者包括上述的一种或多种的合金。第二导电材料层可以包括一个或多个纳米柱体。

电绝缘材料层可以包括Al₂O₃、HfO₂、BN和类金刚石碳(diamond-like carbon)。该层电绝缘材料可以具有不大于15nm的厚度，可能为5-10nm，其可以仅在使用强烈偏移的情况下延伸至5-10nm。氧化物的厚度可以被认为对于适当隧穿是关键的。其不能过厚但是也不能过薄，否则将发生不同类型的全障碍(full-barrier)隧穿(不依赖于偏置)。

第一导电材料层、第二导电材料层和电绝缘材料层中的一个或多个可以是光学透明的。表达形式“光学透明”可以被认为是意味着针对一种或多种不同类型的电磁辐射(例如，UV、IR、可见光、微波、无线电或X光)是透明的而并非仅针对可见光是透明的。

该装置可以形成于支撑衬底上。该支撑衬底可以是电绝缘的。该支撑衬底可以是光学透明的。该支撑衬底可以包括玻璃或氧化硅。

该装置可以在最上层的导电材料(即，取决于用来形成该装置的构造处理的第一导电材料层或第二导电材料层)的顶部包括钝化层。

该装置可以包括电压源。该电压源可以被配置为在导电材料层之间施加电位差而促成电子从第一导电材料层通过该电绝缘材料层而隧穿至第二导电材料层，并且阻止电子从第二导电材料层通过该电绝缘材料层而隧穿至第一导电材料层。该电压源可以被配置为向第一导电材料层施加负电位和/或向第二导电材料层施加正电位。

电子可以是在第一导电材料层被电磁辐射(例如，UV、IR、可见光、微波、无线电或X光)照射时所生成的热电子。该装置可以包括电磁辐射源，其被配置为利用电磁辐射照射第一导电材料层以便生成热电子。

该装置可以包括天线。该天线可以被配置为在该天线被电磁辐射(例如，UV、IR、可见光、微波、无线电或X光)所照射时允许电子进行流动。该装置可以被配置为使得电子能够从第一导电材料层通过该电绝缘材料层而隧穿至第二导电材料层。该装置可以被配置为使得电子无法从第二导电材料层通过该电绝缘材料层而隧穿至第一导电材料层。该装置可以包括电磁辐射源，其被配置为利用电磁辐射照射该天线以便生成电子流动。

该装置可以包括电流计，其被配置为测量隧穿的电子所形成的电流。

该装置可以为二极管。该装置可以形成光电检测器或硅整流二极管天线的部分。

根据另外的方面，提供了一种包括这里所描述的任意装置的设备。该设备可以是以下之一：电子设备、便携式电子设备、便携式电信设备，以及用于任意以上所提到的设备的模块。该装置可以被认为是设备或用于设备的模块。

根据另外的方面，提供了一种装置，其包括由用于电绝缘的器件分隔开来的用于电传导的第一和第二器件，其中一个或两个用于电传导的器件包括石墨烯，并且其中该装置被配置为使得电子能够从用于电传导的第一器件通过用于电绝缘的器件而隧穿至用于电传导的第二器件。

根据另外的方面，提供了一种方法，包括：由第一导电材料层、第二导电材料层和电绝缘材料层形成装置以提供一种装置，该装置包括由电绝缘材料层分隔开来的第一导电材料层和第二导电材料层，其中一个或两个导电材料层包括石墨烯，并且其中该装置被配置为使得电子能够从第一导电材料层通过电绝缘材料层隧穿至第二导电材料层。

该装置的形成可以包括：将第一导电材料层沉积在支撑衬底的顶部；将电绝缘材料层沉积在第一导电材料层的顶部；并且将第二导电材料层沉积在电绝缘材料层的顶部。

该装置的形成可以包括：将第一导电材料层沉积在第一支撑衬底的顶部；将电绝缘材料层沉积在第一导电材料层的顶部；将第二导电材料层沉积在第二支撑衬底的顶部；将第一支撑衬底置于第二支撑衬底的顶部而使得第一导电材料层通过电绝缘材料层而与第二导电材料层分隔开来；并且去除第一支撑衬底。

该装置的形成可以包括：将第一导电材料层沉积在第一支撑衬底的顶部；将电绝缘材料层沉积在第一导电材料层的顶部；将第二导电材料层沉积在第二支撑衬底的顶部；将第二支撑衬底置于第一支撑衬底的顶部而使得第一导电材料层通过电绝缘材料层而与第二导电材料层分隔开来；并且去除第二支撑衬底。

根据另外的方面，提供了一种方法，包括：将电流的流动控制为装置中的第一方向，该装置包括由电绝缘材料层分隔开来的第一导电材料层和第二导电材料层，其中一个或两个导电材料层包括石墨烯，并且其中该装置被配置为使得电子能够从第一导电材料层通过电绝缘材料层隧穿至第二导电材料层，电流的流动通过对第一导电材料层和第二导电材料层提供电压差和/或在第一导电材料层和第二导电材料层之间提供功函数差而进行控制。

除非明确指出或者被本领域技术人员所理解，否则这里所公开的任意方法的步骤并非必须以所公开的确切顺序来执行。

根据另外的方面，提供了一种记录于载体上的计算机程序，该计算机程序包括被配置为当在处理器上运行时执行这里所描述的任意方法的代码。

该处理器可以是微处理器，包括应用特定集成电路(ASIC)。

本公开包括一个或多个单独或者为各种组合形式的相对应的方面、示例实施例或特征，而无论其是否特别地以该组合或者单独地被提到(包括被要求保护)。用于执行一个或多个所讨论功能的相对应器件也处于本公开之内。

用于执行所公开的一个或多个方法的相对应的计算机程序也处于本公开之内并且被一个或多个所描述的示例实施例所包含。

以上发明内容意在仅是示例性和非限制性的。

附图说明

现在参考附图仅通过示例给出描述，其中：

图1a示出了并未被施加以电位的常规MIM二极管；

图1b示出了图1a的MIM二极管的能带图；

图2a示出了被施加以电位的常规MIM二极管；

图2b示出了图2a的MIM二极管的能带图；

图3a示出了制造本装置的第一方法；

图3b示出了制造本装置的第二方法；

图3c示出了制造本装置的第三方法；

图4示出了包括本装置的硅整流二极管天线；

图5示出了包括本装置的光电检测器；

图6a示出了金属内由光子所引起的电子跃迁；

图6b示出了石墨烯内由光子所引起的电子跃迁；

图7示出了隧穿电流如何随施加于本装置的电压进行变化；

图8示出了包括本装置的设备以及本装置在其被认为是特定设备时的一种形式；

图9示出了制作本装置的方法；

图10示出了使用本装置的方法；和

图11示出了包括用于控制本装置的制作和/或使用的计算机程序的计算机可读介质。

具体实施方式

二极管是允许电力在一个方向流动但是并不以相反方向流动的电路元件。它们在大多数电子设备中都有所使用，但是如随后将会详细描述的，在硅整流二极管天线和光电检测器中起到关键作用。当前大部分二极管由硅制成，其相对廉价并且易于在制造中使用。然而，已经发现基于硅的二极管在操作速度和功耗方面对于现代设备的性能有所限制。

金属-绝缘体-金属(MIM)二极管可以提供针对该问题的解决方案。不同于其中电流流动涉及跨p-n或Schottky结的电子和空穴的移动的基于硅的二极管，电子隧穿是MIM二极管中的主要传输机制。MIM二极管包括被超薄(<15nm)的绝缘材料层103分隔开来的两个纤薄金属电极101、102(通常具有不同的功函数)。当一个金属101中的电子具有充足能量时(例如，通过跨金属层101、102应用电位差或者利用电磁辐射对金属之一101进行照射时)，它们能够经由量子机械隧穿机制而跨过绝缘屏障103到达其它金属102，导致电流流动。由于与电子和空穴能够通过半导体行进相比，电子能够明显更快地通过绝缘体103进行隧穿，所以MIM二极管具有明显比基于半导体的二极管更快地进行操作的潜力。

图1a示出了没有所施加电压的MIM二极管，而图1b示出了相关联的能带图。能带图的形状由以下数量所确定：金属1的功函数(Ф₁)、金属2的功函数(Ф₂)、绝缘体的电子亲和性、绝缘体的带隙，以及化合价和导通带偏移量。在该示例中，金属1的费米能级(E_F1)与金属2的费米能级(E_F2)相同。在没有所施加电压的情况下，金属1(或金属2)中的电子必须通过绝缘体的整个厚度进行隧穿以便到达金属2(或金属1)。结果是，隧穿概率很小。

然而，当施加电位差(V)时(图2a)，能带图发生变化(图2b)。在该示例中，负电位被施加于金属1而正电位被施加于金属2。这导致金属1的费米能级增大而金属2的费米能级减小而使得E_F1-E_F2＝V。由于E_F1现在大于金属2处的屏障高度，所以绝缘体的厚度在金属1的该费米能级有所减小。这提高了电子从金属1隧穿至金属2并因此以隧穿电流的概率。除了电子从金属2隧穿至金属1之外，在向金属1施加正电位并且向金属2施加负电位的情况下出现相对应的情形。

隧穿的概率因此是所施加电位的函数。如果电位差有所增大，则该费米能级的绝缘体厚度减小而隧穿电流有所增大。应用电位差还具有阻止电子以相反方向流动(即，在图2b中从金属2到金属1)的效果，这在器件要有效地用作电路二极管的情况下是非常重要的。

如背景技术部分中所提到的，晶体金属薄膜的表面粗糙度迄今为止已经导致了表现出不可靠的隧穿表现的MIM二极管。而使用非晶体金属薄膜已经显示出对MIM二极管的表现有所改善，这些薄膜增加了制造的成本和复杂度，并且不适合在柔性和透明电子器件中使用。现在将对可以针对该问题提供解决方案的装置和相关联方法进行描述。

该装置包括MIM二极管，其中一个或两个金属层被石墨烯所替代(或至少包括石墨烯)。该层可以仅由石墨烯所形成，或者可以包括墨烯以及一种或多种其它材料。在后者的情况下，石墨烯可以被掺杂以一种或多种其它材料；该层的一些区域可以由石墨烯所形成，而该层的其它区域则由一种或多种其它材料形成；或者该层可以包括多个子层，其中石墨烯形成至少一个子层而一种或多种其它材料则形成至少一个其它子层。

由于石墨烯是超平滑的，所以可能将绝缘层沉积在具有低表面粗糙度的石墨烯的顶部。此外，石墨烯相对于文献中所建议的复杂的非晶体金属合金明显更为简单和廉价，并且还允许实现柔性和透明的MIM二极管。

该装置可以根据石墨烯是用作顶部电极、底板电极还是两种电极而通过多种不同方式来制造。

图3a示出了用于制作基于石墨烯的MIM二极管的处理，其中石墨烯形成底部电极。首先，在将纤薄绝缘层306(2-15nm厚)沉积到石墨烯304的顶部之前，(通过微机械剥离、SiC的热处理或者通过CVD生长所生产的)石墨烯层304被沉积(例如，从另一衬底机械转移)到绝缘衬底305(例如，玻璃或氧化硅晶片)上。绝缘体306例如可以是Al₂O₃、HfO₂、BN和类金刚石碳，并且可以使用原子层沉积(ALD)直接在石墨烯304的顶部生长，或者从另一个衬底进行机械转移。顶部电极307(包括Cr、Au、Al、Ni、Cu、Pt、W以及铟锡氧化物中的一种或多种，或者包括上述的一种或多种的合金)随后被沉积(例如，通过热蒸发、溅射涂覆或CVD)到绝缘体306上。诸如氧化物层的钝化层308可以被沉积(例如，通过CVD)在顶部电极307上以防止与环境的有害反应(虽然这并非是绝对必要的)。

图3b示出了用于制作基于石墨烯的MIM二极管的处理，其中石墨烯形成顶部电极。作为开始，将底部电极309沉积(例如，通过热蒸发、溅射涂覆或CVD)到绝缘体305(例如，玻璃或氧化硅晶片)上。重要的是，用来形成底部电极309的金属要不易于在空气中发生氧化，否则结的可靠性可能有所减弱。为了满足这该要求，底部电极309例如可以包括Au、Ni、Pt和W中的一种或多种或者允许包括其中的一种或多种。石墨烯层304随后被沉积(例如，从另一衬底机械转移)到牺牲衬底310上，随后是绝缘体层306(例如，Al₂O₃、HfO₂、BN和类金刚石碳)在石墨烯304的顶部(例如，通过ALD或者通过从另一衬底机械转移)。为了形成MIM二极管，石墨烯/绝缘体/衬底结构311随后面朝下地被转移到底部电极309上并且去除牺牲层310(例如，通过蚀刻)。诸如氧化物层的钝化层308可以被沉积(例如，通过CVD)在石墨烯304上以防止与环境的有害反应(虽然这并非是绝对必要的)。

图3c示出了用于制作基于石墨烯的MIM二极管的处理，其中石墨烯形成顶部和底部电极。在将绝缘体306(例如，Al₂O₃、HfO₂、BN和类金刚石碳)沉积在石墨烯304顶部上(例如，通过ALD或者通过从另一衬底机械转移)之前，石墨烯层304首先被沉积(例如，从另一衬底机械转移)到绝缘衬底305(例如，玻璃或氧化硅晶片)上。另一石墨烯层312随后被沉积(例如，从另一衬底机械转移)到牺牲衬底310上。为了形成MIM二极管，石墨烯/衬底结构313随后被面朝下转移到绝缘体306上并且去除牺牲层310(例如，通过蚀刻)。同样，诸如氧化物层的钝化层308可以被沉积(例如，通过CVD)在石墨烯312上以防止与环境的有害反应(虽然这并非是绝对必要的)。

应当注意的是，用来形成基于石墨烯的MIM二极管的一种或多种材料可以作为连续或带图案的(例如，使用光束或电子束平板印刷术结合玻璃或蚀刻所形成)薄膜进行沉积。当沉积连续薄膜时，MIM二极管通常将覆盖绝缘衬底305的整个上表面。然而，当沉积带图案薄膜时，MIM二极管可以仅覆盖绝缘衬底305的上表面的一部分。

此外，由于绝缘体306在以上所描述的每一种处理中都被沉积到石墨烯电极304上，所以绝缘体306的粗糙度(并且因此的器件性能)并不受到其它电极307、309、312的粗糙度的影响。结果，其它电极307、309、312可以包括一个或多个纳米柱体(由于绝缘体厚度在每个纳米柱体处将是恒定的)。然而，这种配置会减小器件的有效表面积，原因在于电子隧穿将仅会在纳米柱体区域发生。

这里所描述的基于石墨烯的MIM二极管可以在硅整流二极管天线或光电检测器中使用。硅整流二极管天线(整流天线的简称)包括如图4所示进行连接的天线414和二极管415。当电磁辐射416(例如，UV、IR、可见光、微波、无线电或X光)入射在天线414上时，振荡的电场利用以与电磁辐射416相同频率前后移动的电子而在天线414中引发交变电流(AC)。该硅整流二极管天线的二极管随后将该交变电流转换为将用来对外部负载417进行供电的直流(DC)。

天线414的谐振频率(即，导致最低阻抗并因此导致最高效率的频率)随天线414的物理尺寸而线性缩放。为了硅整流二极管天线随可见光(具有～380-740nm的波长以及～405-790THz的频率)使用，天线414的长度必须处于100nm的量级(即，纳米天线)。然而，一种随缩小出现的复杂情况是，在大规模硅整流二极管天线中使用的二极管415无法在没有大幅功率损失的情况下以THz的频率进行操作。大幅功率损失是p-n和Schottky结二极管中所出现的寄生电容的结果，这是由于势垒区在偏置每次反转时的电荷重新分布所导致的。与之相比，MIM二极管并不被寄生电容所影响，这是因为在偏置变化时绝缘屏障内并没有电荷重新分布。此外，与电子和空穴能够通过半导体行进相比，电子能够明显更快地通过绝缘体进行隧穿。基于石墨烯的MIM二极管(例如使用图3a-3c所示的方法所制作)因此可以在被配置为将可见光转换为直流的纳米天线中使用。

另一方面，光电检测器是用来将电磁辐射(例如，UV、IR、可见光、微波、无线电或X光)的光子转换为电(根据操作模式为电流或电压)的器件。现有光电检测器包括p-n和Schottky结。当充分能量的光子撞击检测器时，其对电子进行激励由此产生自由(热)电子以及正向充电的电子空穴。如果光子在结的势垒区(或者远离势垒区的一个扩散长度处)被吸收，则电子和空穴由于势垒区的固有电场而从结扫过(空穴朝向阳极移动而电子朝向阴极移动)，这导致了光电流。

MIM二极管提供了多种优于光电检测器中所使用的p-n和Schottky结二极管的优势。首先，绝缘屏障有助于减少暗电流的流动。暗电流是在没有光子的情况下通过器件进行流动的相对小的电流。其在电子和空穴由于晶体缺陷和热能量而随机生成时产生，并且是光电检测器信号中的噪声的主要来源之一。由于绝缘体为电子提供了在电流能够进行流动之前必须要克服的能量屏障，所以仅具有大于隧穿阈值的能量的电子能够生成电流。这意味着电流通常仅在跨器件施加以电位差或者器件被电磁辐射所照射时才会流动，这是因为晶体缺陷和热能量所生成的电子通常将具有低于隧穿阈值的能量。

其次，由于与电子和空穴能够通过半导体行进相比，电子能够明显更快地通过绝缘体进行隧穿，所以基于MIM的二极管具有比基于p-n和Schottky的二极管更快的响应时间(即，产生光电流所需的时间较小)。

然而，当MIM二极管被用于光电检测时，光电流将仅在以下情况下生成(i)热电子具有足够能量通过绝缘屏障隧穿，和(ii)热电子在屏障附近生成。标准(ii)是由于电子的平均自由路径。热电子在金属中的平均自由路径处于10nm的量级，这意味着仅有在10nm的隧道屏障内生成的电子才能够跨过屏障到达其它电极。该标准对现有MIM光电检测器中的金属层的厚度提出了上限。使用比10nm更厚的金属层妨碍了障碍附近的电子的吸收。然而，并不期望有10nm的限制，这是因为纤薄的金属层趋于表现出比较厚的层更大的表面粗糙度，并且如之前所讨论的，增加的表面粗糙度对MIM二极管的隧穿表现具有不利影响。

这里所描述的基于石墨烯的MIM二极管可以提供多种额外优于且高于现有MIM二极管所提供的那些优势。例如，石墨烯表现出比当前在p-n、Schottky和MIM二极管中所使用的电极材料更大的电子移动性。该特征有助于防止电子在穿过结之前与入射辐射所产生的空穴重新结合，由此提高了器件的效率。

此外，石墨烯是光学透明的。该特征允许在形成二极管的电极时使用较厚的石墨烯层(而并不妨碍在电子显示器中的使用)，这提高了光电发射的概率。此外，由于石墨烯中的电子的平均自由路径为～65μm，所以可以在距绝缘障碍达65μm处生产电子并且仍然能够穿过障碍到达其它电极。如以上所提到的，增加电极的厚度可以有助于降低绝缘层的粗糙度，这导致了更好的隧穿表现和更为可靠的器件。

而且，光电检测器的光谱带宽通常被电子材料的吸收所限制。例如，基于IV和III-V群组的半导体的光电检测器受到“长波长限制”的影响并且在入射能量小于带隙时变得光学透明。与之相比，由于石墨烯并不具有带隙，其因此能够吸收任意波长的光子。该特征允许基于石墨烯的MIM二极管被用于检测所有类型的电磁辐射。

光电检测器可以在具有(光导模式)或没有(光电伏打模式)所应用电位的情况下进行操作。所施加的电位提供了优于光电伏打模式的一些优势。例如，所施加的电位允许电流在一个方向流动而阻止电流以相反方向流动。这使得器件是单向的。

此外，不同于p-n和Schottky结二极管，MIM二极管并不具有固有电场。因此，在没有所施加电压的情况下，仅具有指向MIM二极管的屏障的动量的热电子将有机会进行隧穿。这就是为何“热电子MIM光电伏打”被认为是高度无效的并且与其它技术和解决方案相比不适用于能量收集。另一方面，如果跨MIM二极管施加以电位差，则所产生的电场将电子从屏障一侧驱动至另一侧。这使得光导模式明显比光电伏打模式更为有效。

如果MIM二极管在隧穿阈值进行偏置，则将仅在光子提供克服该阈值所需的附加能量时才会发生隧穿。光子所提供的能量的数量取决于光子的波长，从而针对不同波长需要不同偏置。然而，无论光子的波长如何，施加电压都会减小电子的隧穿阈值。以这种方式，在施加足够电压的情况下即使较低能量的光子也能够生成隧穿电流。因此，光电伏打模式增加了能够检测的电磁辐射的波长。

对于要作为光电检测器进行操作的基于石墨烯的MIM二极管而言，一个石墨烯层能够吸收冲击在器件上的电磁辐射是有利的。该标准可以在以下情况下得以满足：使用图3b或图3c的配置，并且电磁辐射从上方入射到器件上；使用图3a的配置，电磁辐射从上方入射到器件上，并且上部电极和绝缘体对于辐射是透明的；或者使用图3a或3c的配置，电磁辐射从下方入射到器件上，并且衬底对于辐射是透明的。

图5示出了被配置为在光电检测器中使用的图3b的基于石墨烯的MIM二极管(没有钝化层)。使用可变电压源519而将偏置施加于二极管518(以使得负电位被施加于石墨烯电极504和/或正电位被施加于其它电极509)，并且电路中的电流由电流计520进行测量。石墨烯层504随后被暴露于包括多种波长的电磁辐射516(该示例中为白色光)。使用可变电压源519允许针对光线的特定波长设置偏置。以这种方式，仅处于且低于该波长的光子能够引发隧穿电流(因为这些电子具有克服屏障阈值的充分能量)。

图6a示出了金属电极内由光子所引起的电子跃迁，而图6b则示出了石墨烯电极内由光子所引起的电子跃迁。对于金属而言，具有能量在范围E_F-E_Ph<E<E_F中的电子可以具有相等概率的被入射光线所激励，其中E_F是金属的费米能级而E_Ph是光子能量。这意味着，即使对于单色光而言，也存在热电子能量的广泛分布并且因此存在隧穿概率的广泛分布。

此外，当入射光并非为单色时，不同波长的光子能够生成等同能量的热电子。例如如图6a所示，蓝色光可以将电子1(621)的能量从E_F-E_B增大至E_F(其中E_B是蓝色光子的能量)，并且还可以将电子2(622)的能量从E_F-E_R增大至E_F+E_R(其中E_R是红色光子的能量)。此外，红色光可以将电子3(623)的能量从E_F-E_R增大至E_F，并且还将电子4(624)的能量从E_F增大至E_F+E_R。因此，在该示例中，热电子1(621)和3(623)具有相同的能量并且是无法区分的。同样，热电子2(622)和4(624)具有相同的能量并且也是无法区分的。结果，不可能确定所检测到的光电流是由红色光还是蓝色光所生成的。

然而，当MIM二极管包括石墨烯电极时可能进行光谱分析。由于石墨烯的唯一带结构，光子吸收仅可能通过保存动量的良好定义的跃迁而进行。作为结果，仅具有能量E_F-E_Ph/2的电子能够生成热电子。例如，如图6b所示，蓝色光可以将电子1(621)的能量从E_F-E_B/2增大至E_F+E_B/2。同样，红色光可以将电子2(622)的能量从E_F-E_R/2增大至E_F+E_R/2。由于热电子1(621)和2(622)的能量不同，并且由于不可能有其它电子跃迁具有光线的这些波长，所以可能推导出用来生成所检测的光电流的光线的波长。

能够通过在恒定照射下扫过偏置V并且绘制出相对应的I(V)而提取出光谱信息。图7示出了基于石墨烯的光电检测器的理想I(V)。当电压被设置为V₁(其中V₁<V₂<V₃)时，仅有蓝色光子具有足够能量来克服屏障阈值。因此能够在V₁看到与蓝色光相关联的第一峰值725。当电压增大至V₂时，蓝色和红色光子具有足够能量来克服屏障阈值。因此能够在V₂看到与红色光相关联的第二峰值726。当电压进一步增大至V₃时，电位很高而使得甚至不需要入射光子来生成光电流(即，该电位单独就足以克服隧穿阈值)。因此能够在V₃看到与所施加电位相关联的第三峰值727。

此外，峰值的大小与入射辐射的强度成比例。因此，可能基于所检测的电流来确定每个波长的相对强度。例如，如果在(蓝色光子所产生的)V₁生成100mA的电流，并且在(蓝色和红色光子所产生的)V₂生成150mA的电流，则能够推导出入射辐射包括蓝色光子的一半数量的红色光子(因为电压在从V₁增大至V₂时电流增大50％)。然而，应当注意的是，该示例是简化的而并没有考虑白色光中所出现的其它波长。

图8示意性图示了包括这里所描述的装置(基于石墨烯的MIM二极管)829的设备828(以及该装置在其被认为是特定设备828时的一种形式)。设备828还包括处理器830、存储介质831、照明源832、可变电压源833、电流计834和天线835，它们通过数据总线836互相连接。设备/装置828可以是电子设备、便携式电子设备、便携式通信设备或者任意上述设备的模块。

基于石墨烯的MIM二极管829被配置为允许电子从一个电极穿过绝缘屏障流动到另一个电极。基于石墨烯的MIM二极管829还可以被配置为防止电子以相反方向流动。

处理器830被配置为通过向其它设备组件提供信令并且从其接收信令以对它们的操作进行管理而用于设备828的总体操作。

存储介质831被配置为存储计算机代码，该计算机代码被配置为执行、控制或使能基于石墨烯的MIM二极管829的操作。存储介质831还可以被配置为存储其它设备组件的设置。处理器830可以访问存储介质831以获取组件设置，以便对其它设备组件的操作进行管理。特别地，存储介质831可以被配置为与入射辐射的每种波长相关联的偏置电压。存储介质831可以是诸如易失性随机访问存储器的临时存储介质。另一方面，存储介质831可以是诸如硬盘驱动器、闪存或非易失性随机访问存储器之类的持久性存储介质。

照明源832被配置为产生可以被用来照射基于石墨烯的MIM二极管829并且生成热电子的电磁辐射。照明源832可以被配置为生成UV、IR、可见光、微波、无线电和X光中的一种或多种。

可变电压源833被配置为跨电极施加电位差以便偏置基于石墨烯的MIM二极管829，并且电流计834被配置为对电子(例如，热电子)通过基于石墨烯的MIM二极管829的绝缘屏障进行隧穿时所产生的电流进行测量。

天线835被配置为将电磁辐射转换为交变电流。基于石墨烯的MIM二极管829可以被配置为将交变电流转换为直流。

图9中示意性图示了用来制作基于石墨烯的MIM二极管829的方法的主要步骤937-938。类似地，图10中示意性图示了用来对基于石墨烯的MIM二极管829进行操作的方法的主要步骤1039-1040。

将要意识到的是，在该装置是隧道光电检测器的情况下，石墨烯将被用来作为传送电极(因为有用光线被石墨烯所吸收)。当该装置是一般的MIM二极管时，该装置能够被配置为使得电子通过绝缘体从石墨烯电极隧穿至其它电极，或者该装置能够被配置为使得电子通过绝缘体从其它电极隧穿至石墨烯。

如已经提到的，通过对第一导电材料层和第二导电材料层施加电压差异，和/或在第一导电材料层和第二导电材料层之间提供功函数差异，该装置可以被配置为使得电子无法通过电绝缘材料层而从第二导电材料层隧穿至第一导电材料层。将要意识到的是，在石墨烯/绝缘体/金属的结构中，石墨烯和金属之间的功函数差异将导致隧穿效应的非对称性并且因此导致类似二极管的表现。另一方面，石墨烯/绝缘体/石墨烯结构将是对称的(除非一个石墨烯层被进行处理而使得其功函数发生偏移)并且电子的隧穿在使得偏置反转时优选地将是双向的。

图11示意性图示了根据一个实施例的提供计算机程序的计算机/处理器可读介质1141。在该示例中，计算机/处理器可读介质1141是诸如数字多功能盘(DVD)或紧致盘(CD)的碟片。在其它实施例中，计算机/处理器可读介质1141可以是已经以执行发明功能的方式进行编程的任意介质。计算机/处理器可读介质1141可以是诸如记忆棒或存储卡(SD、mini SD或micro SD)的可移动存储设备。

计算机程序可以包括被配置为执行、控制或使能以下内容的计算机代码：由第一导电材料层、第二导电材料层和电绝缘材料层形成装置以提供一种装置，该装置包括由电绝缘材料层分隔开来的第一导电材料层和第二导电材料层，其中一个或两个导电材料层包括石墨烯，并且其中该装置被配置为使得电子能够从第一导电材料层通过电绝缘材料层隧穿至第二导电材料层。

除此之外或可替换地，该计算机程序可以包括被配置为执行、控制或使能以下内容的计算机代码：将第一导电材料层沉积在支撑衬底的顶部；将电绝缘材料层沉积在第一导电材料层的顶部；并且将第二导电材料层沉积在电绝缘材料层的顶部。

除此之外或可替换地，该计算机程序可以包括被配置为执行、控制或使能以下内容的计算机代码：将第一导电材料层沉积在第一支撑衬底的顶部；将电绝缘材料层沉积在第一导电材料层的顶部；将第二导电材料层沉积在第二支撑衬底的顶部；将第一支撑衬底置于第二支撑衬底的顶部而使得第一导电材料层通过电绝缘材料层而与第二导电材料层分隔开来；并且去除第一支撑衬底。

除此之外或可替换地，该计算机程序可以包括被配置为执行、控制或使能以下内容的计算机代码：将第一导电材料层沉积在第一支撑衬底的顶部；将电绝缘材料层沉积在第一导电材料层的顶部；将第二导电材料层沉积在第二支撑衬底的顶部；将第二支撑衬底置于第一支撑衬底的顶部而使得第一导电材料层通过电绝缘材料层而与第二导电材料层分隔开来；并且去除第二支撑衬底。

除此之外或可替换地，该计算机程序可以包括被配置为执行以下内容的计算机代码：将电流的流动控制为装置中的第一方向，该装置包括由电绝缘材料层分隔开来的第一导电材料层和第二导电材料层，其中一个或两个导电材料层包括石墨烯，并且其中该装置被配置为使得电子能够从第一导电材料层通过电绝缘材料层隧穿至第二导电材料层，电流的流动通过对第一导电材料层和第二导电材料层提供电压差和/或在第一导电材料层和第二导电材料层之间提供功函数差而进行控制。

在图中所描绘的其它实施例已经被提供以与之前所描述实施例的类似特征相对应的附图标记。例如，附图标记1也可以对应于附图标记101、201、301等。这些带编号的特征可以出现在各图中，但是可能并非直接在这些特定实施例的描述内被加以引用。仍然将这些提供在图中以帮助对另外的实施例加以理解，尤其是关于之前所描述的类似实施例的特征。

本领域技术人员将会意识到的是，任意所提到的装置/设备/服务器和/或特定所提到的装置/设备/服务器的其它特征可以由装置来提供，该装置得以被部署而使得它们被配置为仅在被使能，例如被启动等的时候才执行所期望的操作。在这样的情况下，它们并非必然使得适当软件在非使能状态(例如，关机状态)下被加载到活动存储器中，而是仅在使能状态(例如，开机状态)下加载适当软件。该装置可以包括被加载到存储区上的软件。这样的软件/计算机程序可以被记录在相同的存储器/处理器/功能单元上和/或记录在一个或多个存储器/处理器/功能单元上。

在一些实施例中，特别提到的装置/设备/服务器可以利用适当软件进行编程以执行所期望的操作，并且其中能够使得该适当软件供下载“密钥”的用户所使用，“密钥”例如用来解锁/使能软件及其相关联的功能。与这样的实施例相关联的优势可以包括在设备需要进一步功能时针对下载数据的要求有所降低，并且这在设备被认为具有足够容量来针对用户可能并未使能的功能存储这样的预编程软件的示例中会是有用的。

将要意识到的是，任意所提到的装置/电路/元件/处理器除了所提到的功能之外可以具有其它功能，并且这些功能可以由相同的装置/电路/元件/处理器来执行。一个或多个所公开的方面可以包含记录在适当载体(例如，存储器、信号)上的相关联计算机程序和计算机程序(其可以是源/被传输编码)。

将要意识到的是，这里所描述的任意“计算机”都可以包括一个或多个单独处理器/处理部件的集合，其可以位于相同电路板上或者电路板的相同分布/位置上或者甚至位于相同设备上。在一些实施例中，任意的一个或多个所提到的处理器可以在多个设备上进行分布。相同或不同处理器/处理元件可以执行这里所描述的一种或多种功能。

将要意识到的是，术语“信令”可以是指作为一系列所传送和/或接收的信号进行传送的一个或多个信号。该系列信号可以包括一个、两个、三个、四个或者甚至更多的个体信号分量或不同信号以构成所述信令。这些个体信号中的一些或全部可以同时、顺序传送/接收，和/或使得它们在时间上互相重叠。

参考任意所提到的计算机和/或处理器及存储(例如，包括ROM、CD-ROM等)的任意讨论，这些可以包括计算机处理器、应用特定集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)，和/或已经以执行本发明功能的方式进行编程的其它硬件组件。

借助于本领域技术人员的公知常识，申请人因此以这里所描述的每种个体特征以及两个或更多这样的特征的任意组合能够作为整体基于本说明书执行的范围而单独公开了这样的特征或组合，而无论这样的特征或特征组合是否解决了这里所公开的任何问题，并且不对权利要求的范围进行限制。申请人指出，所公开的方面/实施例可以构成任意这样的个体特征或特征组合。考虑到以上描述，对于本领域技术人员将会显而易见的是，可以在本公开的范围内继续进行各种修改。

虽然基本的新颖特征已经被示出并描述以及指出为被应用于其不同的实施例，但是将要理解的是，本领域技术人员可以对所描述的设备和方法在形式和细节方面进行各种省略和替换以及变化而并不背离本发明的精神。例如，所明确打算的是，基本上以相同方式执行基本上相同功能而实现相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合都处于本发明的范围之内。此外，应当认识到的是，结合任意所公开形式或实施例而示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以被集合在任意其它所公开或描述或建议的形式或实施例中而作为一般的设计选择。此外，在权利要求中，器件加功能的条款意在覆盖这里所描述为执行所引用功能的结构，并且不仅是结构等同形式而且还有等同结构。因此，虽然钉子和螺丝可能由于钉子采用圆柱体表面以将木质部分固定在一起而螺丝则采用螺旋表面而并非是结构等同形式，但是在紧固木质部分的情况下，钉子和螺丝可以是等同结构。

Claims

1.一种装置，包括由电绝缘材料层分隔开来的第一导电材料层和第二导电材料层，其中一个或两个导电材料层包括石墨烯，并且其中所述装置被配置为使得电子能够从所述第一导电材料层通过所述电绝缘材料层隧穿至所述第二导电材料层。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为通过对所述第一导电材料层和所述第二导电材料层施加电压差和/或在所述第一导电材料层和所述第二导电材料层之间提供功函数差而使得电子无法从所述第二导电材料层通过所述电绝缘材料层隧穿至所述第一导电材料层。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一导电材料层和所述第二导电材料层中的一个或两者仅由石墨烯所制成。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一导电材料层包括石墨烯，而所述第二导电材料层包括Cr、Au、Al、Ni、Cu、Pt、W以及铟锡氧化物中的一种或多种，或者包括上述的一种或多种的合金。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一导电材料层、所述第二导电材料层和所述电绝缘材料层中的一个或多个层是光学透明的。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置形成于支撑衬底上，并且其中该支撑衬底是电绝缘和/或光学透明的。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述电绝缘材料层包括Al₂O₃、HfO₂、BN和类金刚石碳中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二导电材料层包括一个或多个纳米柱体。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置在所述第一导电材料层或所述第二导电材料层的顶部包括钝化层。

10.根据权利要求2所述的装置，其中所述装置包括电压源，其被配置为在所述导电材料层之间施加电位差而促成电子从所述第一导电材料层通过所述电绝缘材料层而隧穿至所述第二导电材料层，并且阻止电子从所述第二导电材料层通过所述电绝缘材料层而隧穿至所述第一导电材料层。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述电压源被配置为向所述第一导电材料层施加负电位和/或向所述第二导电材料层施加正电位。

12.根据权利要求1所述的装置，其中电子是在所述第一导电材料层被电磁辐射照射时所生成的热电子。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括天线，其被配置为允许电子在所述天线被电磁辐射所照射时进行流动，并且其中所述装置被配置为使得电子能够从所述第一导电材料层通过所述电绝缘材料层而隧穿至所述第二导电材料层。

14.根据权利要求1所述的装置，其中该装置为二极管。

15.根据权利要求1所述的装置，其中该装置形成光电检测器或硅整流二极管天线的部分。

16.一种方法，包括：

由第一导电材料层、第二导电材料层和电绝缘材料层形成装置以提供一种装置，所述装置包括由所述电绝缘材料层分隔开来的所述第一导电材料层和所述第二导电材料层，其中一个或两个导电材料层包括石墨烯，并且其中所述装置被配置为使得电子能够从所述第一导电材料层通过所述电绝缘材料层隧穿至所述第二导电材料层。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述装置的形成包括：

将所述第一导电材料层沉积在支撑衬底的顶部；

将所述电绝缘材料层沉积在所述第一导电材料层的顶部；以及

将所述第二导电材料层沉积在所述电绝缘材料层的顶部。

18.根据权利要求16的方法，其中所述装置的形成包括：

将所述第一导电材料层沉积在第一支撑衬底的顶部；

将所述电绝缘材料层沉积在所述第一导电材料层的顶部；

将所述第二导电材料层沉积在第二支撑衬底的顶部；

将所述第一支撑衬底置于第二支撑衬底的顶部而使得所述第一导电材料层通过所述电绝缘材料层而与所述第二导电材料层分隔开来；以及

去除所述第一支撑衬底。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述装置的形成包括：

将所述第一导电材料层沉积在第一支撑衬底的顶部；

将所述电绝缘材料层沉积在所述第一导电材料层的顶部；

将所述第二导电材料层沉积在第二支撑衬底的顶部；

将所述第二支撑衬底置于所述第一支撑衬底的顶部而使得所述第一导电材料层通过所述电绝缘材料层而与所述第二导电材料层分隔开来；以及

去除所述第二支撑衬底。

20.一种方法，包括：

在装置中控制电流的流动为第一方向，

所述装置包括由电绝缘材料层分隔开来的第一导电材料层和第二导电材料层，其中一个或两个导电材料层包括石墨烯，并且其中所述装置被配置为使得电子能够从所述第一导电材料层通过所述电绝缘材料层隧穿至所述第二导电材料层，

通过对所述第一导电材料层和所述第二导电材料层提供电压差和/或在所述第一导电材料层和所述第二导电材料层之间提供功函数差而对电流的流动进行控制。