CN107768463A - 一种自驱动光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自驱动光电探测器及其制备方法，属于光电探测技术领域。本发明在绝缘基底上设置n‑型二维层和p‑型二维层，在零偏压驱动下可以使得光生载流子在内建电势作用下快速分离，可以实现器件的自驱动。本发明光电流稳定，并对紫光(<500nm)有良好的选择性，可作为节能型自驱动探测器，而且制作方法简单，成本低，在光电探测和光伏电池方面有重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种自驱动光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器在日常生活和军事红外制导等方面都有广泛的应用。作为一种探测器件，它能将光学信号转变成电学信号，进而用来探测物体的相关信息。传统的光电探测器的制作，不但需要在单晶衬底(基片)上外延生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，然后用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。但是所用原材料、设备价格昂贵，生产制作工艺复杂，难度较高，基底单一，往往需要较高温度。而且传统的光电探测器都需要电压驱动才能够正常使用。
在这种背景下，二维层状薄膜材料的出现，给光电探测器领域带来了新的曙光。以硫化钼为例，这种新兴的二维碳原子层薄膜，表现出了强光与物质相作用，光的吸收很强。又因为其优异的半导体电学特性和方便加工特性，二维层状薄膜材料异质结光电探测器展现出巨大的潜力。现有的二维层状薄膜材料制备的光电探测器，其制备方法较为复杂，并且制得光电探测器其性能还有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自驱动光电探测器及其制备方法，以解决现有技术存在的制备工艺复杂、稳定性差的问题，尤其是对于紫光的自驱动。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种自驱动光电探测器，包括：
绝缘基底、设置于绝缘基底上的半导体薄膜层以及设置于半导体薄膜层上的金属电极层；
其中，半导体薄膜层包括由过渡金属硫化物构成的n-型二维层以及由金属碘化物构成的p-型二维层，n-型二维层设置于绝缘基底上，p-型二维层成型在n-型二维层上；
其中，金属电极层包括源电极层和漏电极层，源电极层和漏电极层均包括层叠布置的钛层和金层。
本发明的自驱动光电探测器是在二维层状薄膜材料中实现原子层厚度的p-n结，内建电场区几乎是原子尺度。本发明通过p-型二维层和n-型二维层建立的内建电场使光生电子空穴对的分离，不需要外界电压驱动，能够在零偏压下工作。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述源电极层和漏电极层均设置于n-型二维层上，或者源电极层和漏电极层均设置于p-型二维层，或者，源电极层和漏电极层分别设置于n-型二维层和p-型二维层上。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述绝缘基底为SiO2或Al2O3基底。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述过渡金属硫化物为WS2或MoS2。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述金属碘化物为PbI2或CdI2。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述钛层的厚度为3-10nm，金层的厚度为35-50nm。
上述的自驱动光电探测器的制备方法，包括：
(1)将绝缘基底清洗干净后吹干，然后置于管式炉中，在管式炉中放入过渡金属氧化物和硫粉，通入氩气和氢气，升温至900-1000℃，保温1-1.2h，然后冷却至室温，制得长有n-型二维层的绝缘基底；
(2)将步骤(1)制得的长有n-型二维层的绝缘基底垂直固定在管式炉中，在管式炉中放入碘化铅粉末，通入氩气，升温至350-450℃，保持1-2min或1-2h,然后冷却至室温，制得具有半导体薄膜层的绝缘基底；
(3)以金属Ni网作为掩模，采用热蒸发法镀制钛金电极，制得源电极层和漏电极层。
本发明制备工艺简单，可以在任意绝缘耐热基底上制备，并且有望转移到柔性基底上，制备柔性自驱动光电探测器。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述过渡金属氧化物为WO3或MoO3。
本发明具有以下有益效果：
本发明的二维层状异质结的自驱动光电探测器不同于传统的探测器。首先本发明的自驱动探测器是以二维薄膜材料层作为光敏单元，不同于传统的光探测器元件，在外界光源的照射下，施加零偏压，器件中的n-型二维层的半导体材料和p-型层二维层的半导体之间的p-n结产生内建电势差，致使光生电子空穴对迅速分离，并在器件的两端检测到明显的光生电流。其次，本身二维层状薄膜材料采用的过渡金属硫化物等对光有强烈的吸收，二维层状薄膜材料异质结可以有效的抑制暗电流，通过改变照射光的波长，获得不同波段的探测响应度。最后，本发明的自驱动光电探测器无需外界电压驱动即可工作，具有良好的紫光(<500nm)自驱动特性。本发明原材料便宜，制备方法简单，不需要很高的温度。
附图说明
图1为本发明的自驱动光电探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例2源漏电极层在WS2上的PbI2/WS2异质结自驱动光电探测器在405nm激光器光功率为1.183mw照射，0V偏压下的电流-时间曲线；
图3为本发明实施例2源漏电极层在WS2上的PbI2/WS2异质结自驱动光电探测器在450nm激光器光功率为1.06mw照射，0V偏压下的电流-时间曲线；
图4为本发明实施例2源漏电极层在WS2上的PbI2/WS2异质结自驱动光电探测器在不同波长激光器照射下，0V偏压下的响应度-波长曲线；
图5为实施例5制得的源漏电极层在PbI2层上的PbI2/WS2异质结自驱动光电探测器在405nm激光器照射下，0V偏压下的电流-时间曲线；
图6为仅有WS2薄膜的光探测器，在405nm激光器照射下，0V偏压下的时间-电流曲线；
图7为本发明实施例2中在长有WS2基底上生长的PbI2的单晶显微镜照片
图8为本发明实施例5中在长有WS2基底上生长的PbI2的连续薄膜显微镜照片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
请参照图1所示出的本发明的自驱动光电探测器的一个优选实施例，包括：绝缘基底、设置于绝缘基底上的半导体薄膜层以及设置于半导体薄膜层上的金属电极层。半导体薄膜层包括由过渡金属硫化物构成的n-型二维层(即图中的n-型层薄膜)以及由金属碘化物构成的p-型二维层(即图中的p-型层)。n-型二维层设置于绝缘基底上，p-型二维层成型在n-型二维层上。金属电极层包括源电极层和漏电极层。源电极层和漏电极层均包括层叠布置的钛层和金层。在图1所示的实施例中，源电极层和漏电极层均设置于n-型二维层上。在本发明其他未展示的实施例中，源电极层和漏电极层均设置于p-型二维层，或者，源电极层和漏电极层分别设置于n-型二维层和p-型二维层上。
本发明的自驱动光电探测器的结构大体如图1所示，非常简单，下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
本实施例的自驱动光电探测器的制备方法，包括：
(1)将绝缘基底石英片(材质为SiO2)清洗干净后吹干，然后置于管式炉中，在管式炉中放入WO3和S粉，通入氩气和氢气，升温至900℃，保温1.2h，然后冷却至室温，制得具有n-型二维层的绝缘基底，n-型二维层为WS2；
(2)将步骤(1)制得的长有n-型二维层的绝缘基底垂直固定在管式炉中，在管式炉中放入碘化铅粉末，通入氩气，升温至350℃，保温2min，然后冷却至室温，制得具有半导体薄膜层的绝缘基底；
(3)以金属Ni网作为掩模，采用热蒸发法镀制钛金电极，制得源电极层和漏电极层。上述源电极层和漏电极层均是由3nm厚的钛和35nm厚的金组成。
实施例2：
本实施例的自驱动光电探测器的制备方法，包括：
(1)将绝缘基底刚玉(材质为Al2O3)清洗干净后吹干，然后置于管式炉中，在管式炉中放入WO3和S粉，通入氩气和氢气，升温至950℃，保温1h，然后冷却至室温，制得具有n-型二维层的绝缘基底，n-型二维层为WS2；
(2)将步骤(1)制得的长有n-型二维层的绝缘基底垂直固定在管式炉中，在管式炉中放入碘化铅粉末，通入氩气，升温至390℃，保温1min，然后冷却至室温，制得具有半导体薄膜层的绝缘基底；
(3)以金属Ni网作为掩模，采用热蒸发法镀制钛金电极，制得源电极层和漏电极层。上述源电极层和漏电极层均是由5nm厚的钛和50nm厚的金组成。
实施例3：
本实施例的自驱动光电探测器的制备方法，包括：
(1)将绝缘基底石英片(材质为Al2O3)清洗干净后吹干，然后置于管式炉中，在管式炉中放入MoO3和S粉，通入氩气和氢气，升温至1000℃，保温1.1h，然后冷却至室温，制得具有n-型二维层的绝缘基底，n-型二维层为MoS2；
(2)将步骤(1)制得的长有n-型二维层的绝缘基底垂直固定在管式炉中，在管式炉中放入碘化铅粉末，通入氩气，升温至450℃，保温1.5min，然后冷却至室温，制得具有半导体薄膜层的绝缘基底；
(3)以金属Ni网作为掩模，采用热蒸发法镀制钛金电极，制得源电极层和漏电极层。上述源电极层和漏电极层均是由10nm厚的钛和40nm厚的金组成。
实施例4：
本实施例的自驱动光电探测器的制备方法，包括：
(1)将绝缘基底石英片(材质为SiO2)清洗干净后吹干，然后置于管式炉中，在管式炉中放入WO3和S粉，通入氩气和氢气，升温至900℃，保温1.2h，然后冷却至室温，制得具有n-型二维层的绝缘基底，n-型二维层为WS2；
(2)将步骤(1)制得的长有n-型二维层的绝缘基底垂直固定在管式炉中，在管式炉中放入碘化铅粉末，通入氩气，升温至350℃，保温2h，然后冷却至室温，制得具有半导体薄膜层的绝缘基底；
(3)以金属Ni网作为掩模，采用热蒸发法镀制钛金电极，制得源电极层和漏电极层。上述源电极层和漏电极层均是由3nm厚的钛和35nm厚的金组成。
实施例5：
本实施例的自驱动光电探测器的制备方法，包括：
(1)将绝缘基底刚玉(材质为Al2O3)清洗干净后吹干，然后置于管式炉中，在管式炉中放入WO3和S粉，通入氩气和氢气，升温至950℃，保温1h，然后冷却至室温，制得具有n-型二维层的绝缘基底，n-型二维层为WS2；
(2)将步骤(1)制得的长有n-型二维层的绝缘基底垂直固定在管式炉中，在管式炉中放入碘化铅粉末，通入氩气，升温至390℃，保温1h，然后冷却至室温，制得具有半导体薄膜层的绝缘基底；
(3)以金属Ni网作为掩模，采用热蒸发法镀制钛金电极，制得源电极层和漏电极层。上述源电极层和漏电极层均是由5nm厚的钛和50nm厚的金组成。
实施例6：
本实施例的自驱动光电探测器的制备方法，包括：
(1)将绝缘基底石英片(材质为Al2O3)清洗干净后吹干，然后置于管式炉中，在管式炉中放入MoO3和S粉，通入氩气和氢气，升温至1000℃，保温1.1h，然后冷却至室温，制得具有n-型二维层的绝缘基底，n-型二维层为MoS2；
(2)将步骤(1)制得的长有n-型二维层的绝缘基底垂直固定在管式炉中，在管式炉中放入碘化铅粉末，通入氩气，升温至450℃，保温1.5h，然后冷却至室温，制得具有半导体薄膜层的绝缘基底；
(3)以金属Ni网作为掩模，采用热蒸发法镀制钛金电极，制得源电极层和漏电极层。上述源电极层和漏电极层均是由10nm厚的钛和40nm厚的金组成。
试验例：
对上述实施例制备得到的自驱动光电探测器进行测试，将器件接入仪器中，利用单色激光探头，经光纤照射到器件表面。器件被照射面为圆形，光斑直径约为9mm，认为此圆形光斑均匀分布，测试器件在开光和关光状态下的光生电流，使用遮光板实现开光和关光的状态。
图2为实施例2制得的源漏电极层在WS2上的PbI2/WS2异质结自驱动光电探测器在405nm激光器光功率为1.183mw照射，0V偏压下的电流-时间曲线，从图中可以看出，本实施例的探测器对405nm的单色光具有明显的光生电流，前期上升较快，后期上升缓慢，慢慢趋于饱和。
图3为实施例2制得的源漏电极层在WS2上的PbI2/WS2异质结自驱动光电探测器在450nm激光器光功率为1.06mw照射，0V偏压下的电流-时间曲线，从图中可以看出，本实施例的探测器对450nm的单色光具有明显的光生电流，光生电流较405nm的激光有所增加，前期上升较快，后期上升缓慢，慢慢趋于饱和，饱和时间明显增加。
图4为实施例2制得的源漏电极层在WS2上的PbI2/WS2异质结自驱动光电探测器在不同波长激光器照射下，0V偏压下的响应度-波长曲线，从图中可以看出，本实施例的探测器对530nm以下的光有明显的选择性。
图5为实施例5制得的源漏电极层在PbI2层上的PbI2/WS2异质结自驱动光电探测器在不同波长激光器照射下，0V偏压下的电流-时间曲线，其电流方向与电极在WS2上的相反。图示为在405nm激光照射下，电流取绝对值的曲线，其电流方向与电极在WS2上的相反，可能是仪器的零点漂移造成的，对比电极在WS2上的器件，光生电流绝明显减小。
图6为仅有WS2薄膜的光探测器，在405nm激光器照射下，0V偏压下的时间-电流曲线，从图中可看出器件对405nm的单色光，在零偏压下没有响应，与上图有PbI2/WS2异质结结构的器件对比可知对光生电流起主要作用的是PbI2/WS2的异质结。
本发明实施例1-3在步骤(2)制得的半导体薄膜层为单晶薄膜，图7为实施例2在长有WS2基底上生长的PbI2的单晶显微镜照片，从图中可以看出，生长时间较短的碘化铅单晶体呈现三角形的层状单晶，具有外延生长的趋势，与WS2的晶格比较匹配。
本发明实施例4-6在步骤(2)制得的半导体薄膜层为连续薄膜，图8为实施例5在长有WS2基底上生长的PbI2的连续薄膜显微镜照片，从图中可以看出，生长时间较长的碘化铅单晶体呈现连续的薄膜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种自驱动光电探测器，其特征在于，包括：
绝缘基底、设置于所述绝缘基底上的半导体薄膜层以及设置于所述半导体薄膜层上的金属电极层；
其中，所述半导体薄膜层包括由过渡金属硫化物构成的n-型二维层以及由金属碘化物构成的p-型二维层，所述n-型二维层设置于所述绝缘基底上，所述p-型二维层成型在所述n-型二维层上；
其中，所述金属电极层包括源电极层和漏电极层，所述源电极层和所述漏电极层均包括层叠布置的钛层和金层。
2.根据权利要求1所述的自驱动光电探测器，其特征在于，所述源电极层和所述漏电极层均设置于所述n-型二维层上，或者所述源电极层和所述漏电极层均设置于所述p-型二维层，或者，所述源电极层和所述漏电极层分别设置于所述n-型二维层和所述p-型二维层上。
3.根据权利要求1或2所述的自驱动光电探测器，其特征在于，所述绝缘基底为SiO2或Al2O3基底。
4.根据权利要求1或2所述的自驱动光电探测器，其特征在于，所述过渡金属硫化物为WS2或MoS2。
5.根据权利要求1或2所述的自驱动光电探测器，其特征在于，所述金属碘化物为PbI2或CdI2。
6.根据权利要求1或2所述的自驱动光电探测器，其特征在于，所述钛层的厚度为3-10nm，所述金层的厚度为35-50nm。
7.权利要求1-6任一项所述的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将绝缘基底清洗干净后吹干，然后置于管式炉中，在所述管式炉中放入过渡金属氧化物和硫粉，通入氩气和氢气，升温至900-1000℃，保温1-1.2h，然后冷却至室温，制得具有n-型二维层的绝缘基底；
(2)将步骤(1)制得的长有n-型二维层的绝缘基底垂直固定在管式炉中，在管式炉中放入碘化铅粉末，通入氩气，升温至350-450℃，保持1-2min或1-2h,然后冷却至室温，制得具有半导体薄膜层的绝缘基底；
(3)以金属Ni网作为掩模，采用热蒸发法镀制钛金电极，制得源电极层和漏电极层。
8.根据权利要求7所述的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于，所述过渡金属氧化物为WO3或MoO3。
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