CN109935654A - 一种硅基二硫化钼异质结光电传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电传感器领域，提供一种硅基二硫化钼异质结光电传感器及其制备方法，用以克服现有基于多层二硫化钼/硅异质结光电探测器制备工艺复杂的缺点。本发明中，多层二硫化钼直接设置于硅衬底上表面、无需精确转移，采用光刻胶直接作为绝缘层、有效避免SiO2层的使用，而顶电极通过光刻胶上开设窗口直接设置于多层二氧化钼的正上方、大大降低了顶电极制备难度，即结构简单、制备工艺难度小；同时，本发明传感器在可见光和近红外区域表现良好的光电相应，且响应时间可达到150～200us，即灵敏度更高。

Description

一种硅基二硫化钼异质结光电传感器及制备方法
技术领域
本发明属于光电传感器领域，涉及二维材料异质结光电传感器的制备，具体为一种硅基二硫化钼异质结光电传感器及其制备方法。
背景技术
随着科技的飞速发展和社会的不断进步，人们对信息的需求越来越多；光电子器件集成技术，涉及到军事和国民经济等各个领域，由于在速度和功耗上的优势，在新一代信息***的演变和发展进程中起着越来越重要的作用。过渡金属硫化物的带隙会随其层数的变化而发生变化，这一特性使其非常适合在光电器件中应用；在各种过渡金属硫化物中，二硫化钼(M oS2)作为最具代表性的材料得到了广泛的研究。
较之零带隙且高透光的石墨烯而言，二硫化钼(MoS2)具有天然的带隙和较高的自然光吸收率等优势，更适用于高响应的光电传感器的制备。二硫化钼的层数与能带结构的关系很强，而能带又对二硫化钼的光电探测性能有决定性影响，所以层数会影响二硫化钼的光电探测性能；用机械剥离法制备的单层、双层和三层二硫化钼的带隙分别为1.82eV、1.65eV和1.35eV；因此，多层二硫化钼比较适合用来探测红光，而单层和双层的二硫化钼适合探测绿光。然而，MoS2的光吸收效率由其层数决定，单层的MoS2的光吸收率同样较低，导致其光响应电流较低；随层数的增加，在光吸收率增加的同时带隙进一步地减小，所以层数大于10层的多层二硫化钼有较高的光响应电流且可以探测近红外光。
Da Ye Song等人曾经报道过一种基于多层二硫化钼/硅异质结光电探测器及其制作方法，其器件结构如图2所示；该结构的制备工艺极其复杂，首先需要刻蚀SiO2层来作为绝缘层；其次要求将小尺寸的二硫化钼准确转移到Si与SiO2的边缘，而此操作控制难度极大；同时，其电极对异质结区域施加电场为横向电场，难以达到对光生载流子的快速分离的效果，使响应时间难以得到提高。
由此可见，为进一步提高硅基二硫化钼异质结光电探测器的光响应电流和光探测范围，可以考虑使用层数大于10层的多层二硫化钼来制作异质结，但这种机械剥离的二硫化钼尺寸一般较小，电极的制作颇具难度，通过特殊的结构设计可以快速地为其制备顶电极，达到测量光电效应的结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅基二硫化钼异质结光电传感器及其制备方法，用于进一步提高此类光电传感器的光响应电流和光探测范围；为实现该目的，本发明采用的技术方案为：
一种硅基二硫化钼异质结光电传感器，包括：硅衬底、多层二硫化钼(MoS2)、光刻胶、顶电极及底电极；其特征在于，所述多层二硫化钼设置于硅衬底上表面；所述光刻胶涂覆于多层二硫化钼上表面、并将多层二硫化钼包覆；所述光刻胶上开设有窗口，所述窗口位于多层二硫化钼的正上方，所述顶电极通过窗口设置于多层二硫化钼、与多层二硫化钼导通；所述底电极设置于硅衬底上表面或下表面。
进一步的，所述多层二硫化钼的层数为≥10层，厚度为20nm～30nm。
上述一种硅基二硫化钼异质结光电传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将多层二硫化钼转移到硅基底上，然后在真空度35～40mbar、温度400～600℃条件下进行退火处理10～20min，得到硅基二硫化钼异质结；
步骤2、采用旋涂机将光刻胶涂覆于硅基片上，再采用激光直写机于二硫化钼正上方进行图形化曝光，显影后得到窗口；
步骤3、采用离子溅射法溅射顶电极及底电极，溅射条件为：电流为20～40mA、真空度为38～40mbar，氩气压力为0.02～0.8mbar，溅射距为25～30mm，溅射速度为0.5～2.2nm/s，溅射时间为100～120s；即完成器件制备。
本发明的工作原理为：本发明采用层数大于10层、厚度在20nm～30nm的多层二硫化钼与P型重掺杂硅形成MoS2/Si异质结构，有效提高了光吸收效率，能够产生更多的光生载流子；并且，随二硫化钼层数的增加，其带隙进一步地减小，光探测范围从可见的绿光、红光延伸到了近红外，对980nm的激光有一定的光响应电流；同时，本发明在多层二硫化钼的正上方制作顶电极，可对MoS2/Si异质结施加一个垂直于结界面的电场(即垂直电场)，光生载流子迅速分离的同时又减小了复合，产生较大光增益的同时又能有较快的响应时间；因此本发明器件开关比可达8×104，响应时间为150～200us。
综上，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种硅基二硫化钼异质结光电传感器及其制备方法，该传感器在可见光和近红外区域表现良好的光电相应，且响应时间更快(可达到150～200us)，即灵敏度更高；并且本发明光电传感器中，多层二硫化钼直接设置于硅衬底上表面、无需精确转移，采用光刻胶直接作为绝缘层、有效避免SiO2层的使用，而顶电极直接设置于多层二氧化钼的正上方、大大降低了顶电极制备难度，即本发明器件结构简单、制备工艺难度小、制备成本低，有利于工业化生产。
附图说明
图1为本发明硅基二硫化钼异质结光电传感器结构示意图。
图2为现有基于多层二硫化钼/硅异质结光电探测器结构示意图。
图3为本发明实施例中多层二硫化钼的AFM图。
图4为本发明实施例中顶电极的SEM图。
图5为本发明实例中器件的响应时间。
图6为本发明实例中器件的重复性测试图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供基于多层厚度二硫化钼的MoS2/Si异质结光电传感器，其结构如图1所示，包括：P型重掺杂硅衬底、多层二硫化钼(MoS2)、光刻胶(Photoresist)、顶电极及底电极；其中，所述多层二硫化钼设置于P型重掺杂硅衬底上表面；所述光刻胶涂覆于多层二硫化钼上表面、并将多层二硫化钼包覆；所述光刻胶上开设有窗口，所述顶电极通过窗口设置于多层二硫化钼、与多层二硫化钼导通；所述底电极设置于P型重掺杂硅衬底上表面或下表面。
本实施例中，多层二硫化钼的层数在10层以上，厚度在20nm～30nm，尺寸为10μm×10μm；二硫化钼正上方顶电极的面积为8μm×8μm；
上述硅基二硫化钼异质结光电传感器的制备工艺如下：
步骤1、制备多层二硫化钼：
本实施例的二硫化钼是采用机械剥离方法得到2H相的多层二硫化钼，并直接转移到P型重掺杂硅衬底上，后经过38mbar真空、400℃恒温退火处理10min除去机械剥离方法中胶带带来的杂质残留，层数为15～20层；如图3所示为利用原子力显微镜对二硫化钼扫面得到的高度图像；
步骤2、定点光刻：
利用AZ6112正胶光刻工艺，使用匀胶机先后按照1000rpm/s、10s，3000rpm/s、30s对附有多层二硫化钼的硅片涂覆光刻胶，从而保证光刻胶厚度约为1μm，并使用激光直写仪在二硫化钼正上方进行图形化曝光；显影后，在二硫化钼上形成8μm×8μm的光刻胶窗口，作为图形掩膜，窗口大小即为传感器敏感区域面积；
步骤3、顶电极溅射：
使用小型自动离子溅射仪进行银纳米颗粒溅射，溅射参数为：溅射电流为30mA、真空度为40mbar、氩气压力为0.05mbar、溅射距离为30mm，此时溅射仪的理论溅射速率为0.8nm/s，溅射时间为100s；银离子在二硫化钼窗口上形成高度为160nm的均匀电极层，可做扎探针测试使用；如图4所示为溅射顶电极后的SEM图像。
如图5所示为本实例所得光电探测器的响应时间，如图6所示为本实施例所得光电探测器在980nm波长下的重复性测试；由图可知，本实施例中基于二硫化钼-硅异质结的光电探测器，在近红外波段有明显的响应，响应时间在us级别，其中，上升时间120us、下降时间200us，对980nm激光的响应具有稳定的重复性，表明该MoS2/p+-Si异质结在未来光电探测领域有巨大的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方案，对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明的设计思想的情况下，还可以做出材料的替换、参数的增减等若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种硅基二硫化钼异质结光电传感器，包括：硅衬底、多层二硫化钼(MoS2)、光刻胶、顶电极及底电极；其特征在于，所述多层二硫化钼设置于硅衬底上表面；所述光刻胶涂覆于多层二硫化钼上表面、并将多层二硫化钼包覆；所述光刻胶上开设有窗口，所述窗口位于多层二硫化钼的正上方，所述顶电极通过窗口设置于多层二硫化钼、与多层二硫化钼导通；所述底电极设置于硅衬底上表面或下表面。
2.按权利要求1所述硅基二硫化钼异质结光电传感器，其特征在于，所述多层二硫化钼的层数为≥10层，厚度为20nm～30nm。
3.按权利要求1所述硅基二硫化钼异质结光电传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将多层二硫化钼转移到硅基底上，然后在真空度35～40mbar、温度400～600℃条件下进行退火处理10～20min，得到硅基二硫化钼异质结；
步骤2、采用旋涂机将光刻胶涂覆于硅基片上，再采用激光直写机于二硫化钼正上方进行图形化曝光，显影后得到窗口；
步骤3、采用离子溅射法溅射顶电极及底电极，溅射条件为：电流为20～40mA、真空度为38～40mbar，氩气压力为0.02～0.8mbar，溅射距为25～30mm，溅射速度为0.5～2.2nm/s，溅射时间为100～120s。
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