CN107749433B - 一种二维范德华异质结光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维范德华异质结构光电探测器及其制备方法。其特征在于，器件结构自下而上依次为衬底、两种二维半导体构成的异质结构及金属源漏电极。首先在衬底上制备一种二维半导体，在此基础上转移另外一种二维半导体至底层半导体表面，两种半导体通过范德华力结合，形成范德华异质结，再运用电子束光刻技术结合剥离技术制备金属电极，最终形成范德华异质结构光电探测器。区别于其他二维材料光电探测器，该结构制备工艺简单，成本低，无须栅压调控，在小偏压下实现探测，功耗极低，且可拓展探测器响应波段、提高灵敏度和实现快速响应。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维范德华异质结光电探测器，具体指一种二维范德华异质结光电探测器及制备方法。
背景技术
PN结是光电探测的基础，在传统半导体光电探测器工艺中，通常会利用异质结的方式来增强器件的性能，如增强响应率、降低暗电流、提高响应速度等。为了形成性能优良的异质结，两种材料的晶格常数匹配非常重要。晶格不匹配会导致表面断层以致产生大量的表面态，严重影响器件探测性能。此外，传统半导体仍然面临制备成本高、环境不友好等问题。
新兴的二维材料是一种层间以范德华力作用结合的材料，作为一种新型的材料已被广泛研究并有望在未来的光电信息器件中应用。由于其超薄的厚度及高迁移率、高透光性等优良性质，在未来纳米电子学及光电子学领域有广泛应用。单一的二维原子晶体已被用于制备光电探测器，获得了较大的响应率和探测率[Advanced Materials,2015,27(42)]。但是基于此类材料的光导型探测器，其响应速度只能达到毫秒量级甚至秒量级，并且单一的材料决定了探测波段有限，严重制约了二维材料在光电探测领域的应用。二维范德华异质结具有实现高性能光电探测的潜力，由于层间弱的范德华作用力，相邻的层间不再受晶格必须相匹配的限制，原则上可以任性匹配；并且由于没有成分过渡，所形成的异质结具有原子级陡峭的载流子(势场)梯度；通过将具有不同性质(电学以及光学等)的二维材料通过范德华力结合，其耦合作用会产生新的能带结构[Nano Lett.,2017,17(2)]，通过选择组合而成的“新”材料的性质进行人工调控[Physics Letters A,2016,380(33)]；以过渡金属硫族化物为代表的非石墨烯二维层状材料通常可以形成二类能带关系，因此以它们为基础搭建的范德华异质结具有高速载流子分离能力[ACS Nano,2016,10(3)]；此外，超薄二维结构，使其具有强的栅极响应能力，以及与传统微电子加工工艺和柔性基底相兼容的特性。
二维范德华异质结已受到广泛关注并取得了一定的研究成果。利用二维范德华异质结的表面界面效应、量子尺寸效应、量子隧穿效应等，有望实现超高超快的宽波段光电探测。
发明内容
为突破传统半导体材料的应用限制，并结合范德华异质结的优点，本发明提出了一种新型的基于范德华异质结光电探测器的方法。该方法是将不同二维半导体通过范德华力结合，构成范德华异质结。该新型结构在缩小器件尺寸的同时，又能保证器件的快速响应、超高增益和宽波段探测。
本发明指一种基于范德华异质结光电探测器及制备方法，其特征在于，器件结构自下而上依次为：
-衬底1，
-氧化物层2、
-二维范德华半导体3、4
-金属源极4、金属漏极5、
其中衬底1为重掺杂的Si衬底，厚度0.3-0.5毫米；
其中氧化物层2为SiO2，厚度285±15纳米；
其中二维半导体3、4为MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、SnS2或SnSe2中的两种不同的过渡金属硫族化物原子层，厚度小于10纳米；
其中金属源极5、金属漏极6为镍、铬、钛、钯、铂或金，厚度为5～100纳米；
所述的光电探测器结构自下而上依次为：衬底1，氧化物层2，底层二维半导体3和顶层二维半导体4，底层二维半导体3位于氧化物层2***位置，顶层二维半导体4覆盖部分底层半导体3并延展至氧化物层2上，金属源极5在顶层二维半导体4上，金属漏极6在底层二维半导体(4)上。
本发明指一种基于范德华异质结光电探测器及制备方法，其特征在于器件制备包括以下步骤：
1)氧化物层制备
在重掺杂Si衬底上通过热氧化法制备氧化物层二氧化硅，厚度为285纳米。
2)底层二维半导体的制备
采用机械剥离转移方法将底层二维半导体转移至氧化物层SiO2表面。
3)顶层二维半导体及范德华异质结的制备
将顶层二维半导体4用机械剥离的方法制备于另一个衬底上，在该二维半导体上覆盖一层PVA薄膜，加热使其与该二维半导体充分接触，降温后在衬底上取下该PVA薄膜，此时二维半导体被PVA吸附，在显微镜下移动PVA薄膜，使得顶层二维半导体与底层二维半导体3对准，加热使其紧密接触，降温后将样品置于超纯水中浸泡，使PVA完全溶解，至此制备好二维范德华异质结。
所述PVA薄膜由3克的PVA粉末溶于100毫升超纯水中制成3％的PVA溶液，再制成薄膜。
4)二维范德华异质结源漏电极的制备
采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发、及剥离工艺在制备金属源极4，漏极5，形成背栅结构过渡金属硫族化合物二维半导体场效应结构器件；电极为镍、铬、钛、钯、铂或金，厚度为5～100纳米。
本发明专利的优点在于：本发明选用两种二维半导体构建范德华异质结构制备二维范德华异质结构，既保持了单独二维半导体超薄厚度、高透光性和高迁移率等特性，又能产生新的层间耦合作用和异质结特性，以此拓宽探测波段、加快探测速度和降低暗电流。
附图说明
图1为二维范德华异质结探测器截面示意图。
图中：
1-衬底，2-氧化物层、3-底层二维半导体、4-顶层二维半导体、5-金属源极、6-金属漏极。
图2为二维范德华异质结光电探测器光照后能带图。图(a)是光照后光跃迁示意图；图(b)是光生电动势引起的载流子运动示意图；图(c)是撤去光照后载流子复合示意图。
图3二维范德华异质结光电探测器部分性能展示。图(a)是器件对637纳米的光响应；图(b)是器件的响应时间上升沿(插图为下降沿时间)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
本发明研制了二维范德华异质结光电探测器。通过MoTe2和MoS2形成二维范德华PN结。在PN结截止状态下，该探测器的暗电流可以达到皮安量级，开关比达到五个数量级，响应时间低至60微秒。
具体步骤如下：
1.衬底选择
选用厚度0.5毫米的重掺杂p型硅做为衬底。
2.氧化物介质层制备
通过热氧化发在硅衬底表面，氧化285纳米厚度二氧化硅。
3.底层二维半导体制备
用胶带将过渡金属硫族化物MoS2晶体机械剥离，后将其转移至SiO2/Si衬底上，MoS2厚度7纳米。
4.顶层二维半导体转移
将过渡金属硫族化物MoTe2按步骤3剥离在另一衬底上，厚度为3纳米，将PVA薄膜覆盖在样品上加热融化使其与MoTe2充分接触，降至室温后，取下PVA薄膜，此时MoTe2纳米薄片吸附在PVA上，在显微镜下使其与衬底上的底层二维半导体对准，加热使得与充分接触，最后讲样品在超纯水中浸泡，直至PVA完全溶解。至此制备成二维MoTe2/MoS2范德华异质结。
5.源极、漏极制备
利用电子束曝光方法制备源极、漏极电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬5纳米，金50纳米；结合lift-底二维半导体A off方法，剥离金属膜，获得源极、漏极电极。
6.光电响应测试
用637纳米波长的脉冲激光(5.46mW,1Hz)照射样品，在源极和漏极测试其电流，由图3(a)可看出其暗电流可达到皮安量级，开关比达到105量级，图3(b)表明该探测器的响应时约为60微秒，载流子复合时间约24微秒。相比用单一的二维半导体探测器，该结构显示出巨大优势。结果说明本发明二维范德华异质结光电探测器及其制备方法，该结构器件，可有效降低暗电流、提高器件的响应时间和进而提高低维半导体探测器件的实用性。
Claims (2)
1.一种二维范德华异质结构光电探测器，包括衬底(1)，氧化物层(2)，底层二维半导体(3)和顶层二维半导体(4)，其特征在于：
所述的光电探测器结构自下而上依次为：衬底(1)，氧化物层(2)，底层二维半导体(3)和顶层二维半导体(4)，底层二维半导体(3)位于氧化物层(2)上的中央位置，顶层二维半导体(4)覆盖部分底层二维半导体(3)并延展至氧化物层(2)上，金属源极(5)在顶层二维半导体(4)上，金属漏极(6)在底层二维半导体(3)上；其中：
所述的衬底(1)为重掺杂的Si衬底；
所述的氧化物层(2)为SiO2，厚度285±15纳米；
所述的底层二维半导体(3)和顶层二维半导体(4)为MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe2、SnS2或SnSe2中的两种不同的过渡金属硫族化物原子层，厚度1～10纳米；
所述的金属源极(5)和金属漏极(6)为镍、铬、钛、钯、铂或金，厚度为5～100纳米，用于形成背栅结构过渡金属硫族化合物二维半导体场效应结构器件。
2.一种制备权利要求1所述的二维范德华异质结构光电探测器的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过热氧化发在衬底(1)上通过热氧化法制备氧化物层(2)；
2)采用机械剥离方法将底层二维半导体(3)转移至氧化物层(2)表面；
3)将顶层二维半导体(4)用机械剥离的方法制备于另一个衬底上，在该二维半导体上覆盖一层PVA薄膜，加热使其与该二维半导体充分接触，降温后在衬底上取下该PVA薄膜，此时二维半导体被PVA吸附，在显微镜下移动PVA薄膜，使得顶层二维半导体与底层二维半导体(3)对准，加热使其紧密接触，降温后将样品置于超纯水中浸泡，使PVA完全溶解，至此制备好二维范德华异质结；
4)采用电子束曝光技术，结合热蒸发及剥离工艺制备金属源极(5)，金属漏极(6)，形成二维范德华异质结构器件。
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