一種自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器及其制備方法，其特征在于：是在N型半導(dǎo)體襯底的下表面設(shè)置有與N型半導(dǎo)體襯底呈歐姆接觸的底電極，上表面覆蓋有掩膜層；掩膜層為絕緣材料，在掩膜層的中央預(yù)留有通孔，在通孔內(nèi)沉積有二維碲化鉬薄膜，其與N型導(dǎo)體襯底接觸，形成N?N同型異質(zhì)結(jié)；在碲化鉬薄膜上表面設(shè)置有與碲化鉬呈歐姆接觸的頂電極。本發(fā)明的近紅外光電探測(cè)器，制備工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟可靠，易于控制；所得器件具有高靈敏度、高速率、高探測(cè)率、自驅(qū)動(dòng)等優(yōu)異性能。
【專利說(shuō)明】
一種自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種光電探測(cè)半導(dǎo)體器件及其制備方法，具體涉及一種基于二維碲化鉬的同型異質(zhì)結(jié)近紅外光探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002]光電探測(cè)是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象，其在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途，如光電通信、紅外成像、激光制導(dǎo)等。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，以納米光電探測(cè)為代表的二維過(guò)渡金屬硫?qū)倩锏奶綔y(cè)器因具有超快速的響應(yīng)速度、高探測(cè)率和高靈敏度等優(yōu)越特性而備受關(guān)注。例如，硫化鉬(MoS2)與硅所構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)在OV偏壓的條件下探測(cè)率高達(dá)113J,其上升時(shí)間達(dá)到3微秒[Liu Wang ,JianshengJie,et.Advanced Funct1nal Materials.2015，25( 19):2910-2919]。但是根據(jù)之前的報(bào)道中可以了解到諸多器件由于器件的尺寸較小、響應(yīng)速度慢或者制備工藝復(fù)雜等各種缺點(diǎn)難以滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的要求。此外，目前基于新型光電探測(cè)器的二維半導(dǎo)體薄膜制作方法主要有以下幾種方法:1、利用分子間微弱的范德華力的機(jī)械剝離獲取二維半導(dǎo)體薄膜;2、利用化學(xué)沉積法(CVD)獲取;3、利用水熱合成法。第一種方法獲取的薄膜層數(shù)不可控制，具有很大隨機(jī)性并且不可以大面積生產(chǎn);而后兩種方式的產(chǎn)量不高且制作過(guò)程需要高溫環(huán)境，制作工藝復(fù)雜、所用設(shè)備昂貴。另外通過(guò)以上方法制備的近紅外光電探測(cè)器普遍存在著靈敏度相對(duì)較低、探測(cè)速度相對(duì)較慢、探測(cè)率相對(duì)較小以及不可自驅(qū)動(dòng)等缺陷，嚴(yán)重制約了二維材料在光電探測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
[0003]因此發(fā)展一種技術(shù)簡(jiǎn)單可靠、制作成本廉價(jià)且可以大面積生產(chǎn)的方法，來(lái)制備具有高靈敏度、超快響應(yīng)速度、超高探測(cè)率及自驅(qū)動(dòng)等優(yōu)越特性的光電探測(cè)器具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光探測(cè)器及其制備方法，旨在簡(jiǎn)化探測(cè)器制備方法的同時(shí)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的高靈敏度、高速度、高探測(cè)率。
[0005]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器，其特點(diǎn)在于:所述近紅外光探測(cè)器是在N型半導(dǎo)體襯底的下表面設(shè)置有與N型半導(dǎo)體襯底呈歐姆接觸的底電極，上表面覆蓋有掩膜層;所述掩膜層為絕緣材料，在所述掩膜層的中央預(yù)留有通孔，在所述通孔內(nèi)沉積有二維碲化鉬薄膜;所述碲化鉬薄膜與所述N型半導(dǎo)體襯底接觸，形成N-N同型異質(zhì)結(jié);在所述碲化鉬薄膜上表面設(shè)置有與所述碲化鉬呈歐姆接觸的頂電極。
[0007]所述N型半導(dǎo)體襯底(4)為N型輕摻雜硅片(Si)、N型輕摻雜鍺片(Ge)或N型輕摻雜砷化鎵(GaAs)。
[0008]所述碲化鉬(3)薄膜為多層本征碲化鉬薄膜(MoTe2),厚度為l-10nm。由于本征缺陷，使本征碲化鉬薄膜呈現(xiàn)N型，因此可以與N型半導(dǎo)體襯底形成N-N同型異質(zhì)結(jié)。
[0009]所述底電極(5)為In/Ga電極、Au電極、Ti/Au電極或者Ag電極;所述底電極(5)的厚度為 20nm-300nm。
[0010]所述頂電極(I)為石墨烯電極。
[0011 ]所述掩膜層(2)為氧化硅層或氧化鋁層。
[0012]上述同型異質(zhì)結(jié)近紅外光探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟:
[0013]a、通過(guò)電子束濺射技術(shù)在N型半導(dǎo)體襯底(4)上表面沉積絕緣材料，形成中央預(yù)留有通孔的掩膜層(2);
[0014]或選用上表面帶有掩膜層(2)的N型半導(dǎo)體襯底(4)，并通過(guò)刻蝕去除中央的掩膜層形成通孔，使通孔內(nèi)的N型半導(dǎo)體襯底暴露；
[0015]b、使用電子束派射技術(shù)或磁控派射技術(shù)在N型半導(dǎo)體襯底(4)的下表面蒸鍍底電極(5);
[0016]C、使用脈沖激光沉積技術(shù)或者磁控濺射技術(shù)在掩膜層中央的通孔內(nèi)沉積二維碲化鉬薄膜(3)，使其與底部的N型半導(dǎo)體襯底接觸，從而形成N-N同型異質(zhì)結(jié)；
[0017]d、將器件在Ar氛圍下，以800°C的退火溫度，退火5分鐘；
[0018]e、將頂電極(I)設(shè)置在二維碲化鉬薄膜(3)上，使頂電極完全覆蓋通孔且不超出掩膜層的邊界，即獲得自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器。
[0019]其中，步驟c中脈沖激光沉積技術(shù)的工藝條件為:激光功率為20?500mJ、激光波長(zhǎng)為248nm、脈沖頻率為I?20Hz、氣壓為0.1?10—5Pa、沉積時(shí)間為10?50分鐘。利用脈沖激光沉積自身的特點(diǎn)，使所沉積的薄膜保留了靶的化學(xué)計(jì)量成分，沉積速率高、試驗(yàn)周期短、襯底溫度要求低，所得薄膜均勻且結(jié)晶性能良好;此外通過(guò)控制脈沖的功率與數(shù)量，可以精密控制所沉積薄膜的厚度，以便于所沉積的薄膜與N型半導(dǎo)體襯底構(gòu)造同型異質(zhì)結(jié)。
[0020]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0021]本發(fā)明通過(guò)由N型輕摻雜的硅片、鍺片或砷化鎵與二維碲化鉬薄膜構(gòu)成N-N同型異質(zhì)結(jié)，制得了近紅外光電探測(cè)器，工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟可靠，易于控制;所得器件具有高靈敏度、高速率、高探測(cè)率、自驅(qū)動(dòng)等優(yōu)異性能。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明同型異質(zhì)結(jié)近紅外光探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為實(shí)施例1所制備的光電探測(cè)器在光源波長(zhǎng)980nm的不同光功率下的電流-電壓曲線；
[0024]圖3為實(shí)施例1所制備的光電探測(cè)器在光源頻率2MHz下的輸出電流強(qiáng)度波形；
[0025]圖4為實(shí)施例1所制備的光電探測(cè)器在光源頻率達(dá)到5MHz的條件下的輸出電流波形所對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間及下降時(shí)間；
[0026]圖5為實(shí)施例1所制備的光電探測(cè)器在偏壓為OV和-1V條件下測(cè)得的電流-時(shí)間曲線；
[0027]圖6為實(shí)施例1所制備的光電探測(cè)器在極弱的白光條件下，對(duì)應(yīng)不同光照強(qiáng)度的輸出電流曲線圖；
[0028]圖7為實(shí)施例1所制備的光電探測(cè)器的輸出線性動(dòng)態(tài)范圍(LDR);
[0029]圖8為實(shí)施例2所制備的光電探測(cè)器在光源波長(zhǎng)1550nm的不同光功率下的電流-電壓曲線；
[0030]圖9為實(shí)施例2所制備的光電探測(cè)器件在光源頻率IMHz下的電流輸出波形；
[0031]圖10為實(shí)施例2所制備的光電探測(cè)器件在偏壓分別為OV和-1V條件下測(cè)得的電流_時(shí)間曲線；
[0032]圖11為實(shí)施例2所制備的光電探測(cè)器件在不同光功率下功率-響應(yīng)度和功率-探測(cè)率的曲線圖；
[0033]圖中標(biāo)號(hào):I為頂電極;2為掩膜層;3為二維碲化鉬薄膜;4為N型半導(dǎo)體襯底;5為底電極。
【具體實(shí)施方式】
[0034]實(shí)施例1
[0035]參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例的近紅外光探測(cè)器是在N型半導(dǎo)體襯底4的下表面設(shè)置有與N型半導(dǎo)體襯底呈歐姆接觸的底電極5，上表面覆蓋有掩膜層2;掩膜層2為絕緣材料，在掩膜層2的中央預(yù)留有通孔，在通孔內(nèi)沉積有二維碲化鉬薄膜3;碲化鉬薄膜與N型半導(dǎo)體襯底接觸，形成N-N同型異質(zhì)結(jié);在碲化鉬薄膜3上表面設(shè)置有與N型碲化鉬薄膜呈歐姆接觸的頂電極
1
[0036]其中，本實(shí)施例的N型半導(dǎo)體襯底4為N型輕摻雜硅片，掩膜層2為氧化硅層，本實(shí)施例直接采用氧化硅片(其基底為1-10 Ω.cm的N型輕摻雜硅片，氧化硅厚度為280nm)作為上表面帶有掩膜層(2)的N型半導(dǎo)體襯底(4)。
[0037]本實(shí)施例的近紅外光探測(cè)器按如下方法進(jìn)行制備:
[0038](I)室溫下，將尺寸為1.5cmX 1.5cm的氧化硅片分別使用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗5分鐘，然后使用氮?dú)鈽尨蹈桑?br>[0039]利用勻膠機(jī)在氧化硅層的表面旋涂光刻膠，再使用光刻機(jī)對(duì)光刻膠中央直徑Icm的區(qū)域進(jìn)行曝光處理，最后將樣品浸泡在顯影液中8-lOs;
[0040]由3mL氟化氫、6g氟化銨和1mL水配得氟化氫刻蝕液；
[0041]將顯影后樣品在氟化氫刻蝕液中進(jìn)行刻蝕，由于中央直徑Icm的區(qū)域經(jīng)曝光、顯影后氧化硅掩膜層直接裸露于刻蝕液中而被刻蝕，從而在該區(qū)域形成通孔，暴露出該區(qū)域下方的N型輕摻雜硅。
[0042]使用去離子水清洗刻蝕后樣品表面去除殘留的刻蝕液，然后使用丙酮去除殘留的光刻膠，再依次使用無(wú)水酒精和去離子水清洗樣品。
[0043](2)使用電子束濺射技術(shù)在N型輕摻雜硅的下表面濺鍍厚度約為50nm Au電極作為底電極；
[0044](3)使用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在掩膜層中央的通孔內(nèi)沉積I Onm本征碲化鉬薄膜，使其與底部的N型輕摻雜硅接觸，從而形成N-N同型異質(zhì)結(jié);脈沖激光沉積技術(shù)的工藝條件為:激光功率為40mJ、激光波長(zhǎng)為248nm、脈沖頻率為1Hz，氣壓為I O—5Pa，濺鍍時(shí)間30分鐘。
[0045](4)將器件在Ar氛圍下，以800°C的退火溫度，退火5分鐘；
[0046](5)通過(guò)濕法轉(zhuǎn)移將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到本征碲化鉬薄膜上，使頂電極完全覆蓋通孔且不超出掩膜層的邊界，即獲得自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器。
[0047]利用KEITHLEY 4200 — SCS半導(dǎo)體特性測(cè)試儀、Keithley 3401信號(hào)發(fā)生器及示波器測(cè)試本實(shí)施例所制備的近紅外光電探測(cè)器的性能。
[0048]圖2為器件在光源波長(zhǎng)980nm的不同光功率下的電流-電壓曲線。從圖中可以明顯看出光電探測(cè)器件在無(wú)光照的環(huán)境下具有良好整流特性，隨著光照強(qiáng)度的增加，反向偏壓下的光電流增加明顯，突顯出光電探測(cè)器具有優(yōu)越的光伏特性。
[0049]圖3為器件在光源頻率2MHz的條件下的輸出電流強(qiáng)度波形，從圖中可以看出光電探測(cè)器具有較快的響應(yīng)速度。
[0050]圖4為器件在光源頻率達(dá)到5MHz的條件下的輸出電流的一個(gè)周期的波形，通過(guò)測(cè)量計(jì)算可知器件的上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為52ns和91ns，明顯優(yōu)越于先前報(bào)道的光電探測(cè)器。
[0051]圖5為器件分別在OV和-1V偏壓下的電流-時(shí)間曲線，通過(guò)計(jì)算可知探測(cè)器在OV偏壓下的開(kāi)關(guān)比達(dá)到16;
[0052]圖6為器件在極弱的白光環(huán)境下，對(duì)應(yīng)不同光照強(qiáng)度所測(cè)得的輸出電流曲線圖，由圖可知在5nW/cm2光照下器件的輸出電流約為0.4nA，可見(jiàn)探測(cè)器對(duì)弱光仍然擁有較好的光伏響應(yīng)。
[0053]圖7為器件的輸出線性動(dòng)態(tài)范圍(LDR)，可以看出其呈現(xiàn)線性變化。
[0054]實(shí)驗(yàn)例2
[0055]參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例的近紅外光探測(cè)器與實(shí)施例1具有相同的器件結(jié)構(gòu)，區(qū)別僅僅在于:N型半導(dǎo)體襯底為N型輕摻雜砷化鎵，掩膜層為氧化鋁層。
[0056]本實(shí)施例的近紅外光探測(cè)器按如下方法進(jìn)行制備:
[0057](I)室溫下，將N型輕摻雜砷化鎵(電阻為1-10 Ω)分別使用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗5分鐘后，然后使用氮?dú)鈽尨蹈?。通過(guò)電子束沉積技術(shù)在砷化鎵的上表面蒸鍍一層厚度約為200nm左右的氧化鋁層作為掩膜層，并使氧化鋁層的中央位置留有一個(gè)直徑為Icm的通孔作為碲化鉬的沉積區(qū)；
[0058](2)使用電子束濺射技術(shù)在N型輕摻雜砷化鎵的下表面濺鍍厚度約為50nm Au電極作為底電極；
[0059 ] (3)使用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在掩膜層中央的通孔內(nèi)沉積I Onm本征碲化鉬薄膜，使其與底部的N型輕摻雜砷化鎵接觸，從而形成N-N同型異質(zhì)結(jié);脈沖激光沉積技術(shù)的工藝條件為:激光功率為40mJ，脈沖頻率為I OHz，氣壓為I O—5Pa，濺鍍時(shí)間30分鐘。
[0060](4)將器件在Ar氛圍下，以800°C的退火溫度，退火5分鐘；
[0061](5)通過(guò)濕法轉(zhuǎn)移將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到本征碲化鉬薄膜上，使頂電極完全覆蓋通孔且不超出掩膜層的邊界，即獲得自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器。
[0062]利用KEITHLEY 4200 — SCS半導(dǎo)體特性測(cè)試儀、Keithley 3401信號(hào)發(fā)生器及示波器測(cè)試本實(shí)施例所制備的近紅外光電探測(cè)器的性能。
[0063]圖8為器件在光源波長(zhǎng)1550nm的不同光功率下的電流-電壓曲線。從圖中可以明顯看出光電探測(cè)器件在無(wú)光照的環(huán)境下具有良好整流特性，隨著光照強(qiáng)度的增加，反向偏壓下的光電流增加明顯，突顯出光電探測(cè)器具有優(yōu)越的光伏特性。
[0064]圖9為器件在IMHz光脈沖下，示波器所測(cè)得的電流信號(hào)，可以看出器件具有較快的響應(yīng)速。
[0065]圖10為器件分別在OV和-1V偏壓下的電流-時(shí)間曲線，通過(guò)計(jì)算可知探測(cè)器在OV偏壓下的開(kāi)關(guān)比達(dá)到104。
[0066]圖11是器件在極弱光下測(cè)得的探測(cè)率與響應(yīng)度分別在不同光功率下的曲線圖，從圖中可以看出隨著光功率的逐漸增加探測(cè)率和響應(yīng)度逐漸下降，其中當(dāng)光功率為5nW/cm2時(shí)探測(cè)率和響應(yīng)度分別高達(dá)6.8 X 113J和0.19A/W。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器，其特征在于:所述近紅外光探測(cè)器是在N型半導(dǎo)體襯底(4)的下表面設(shè)置有與N型半導(dǎo)體襯底呈歐姆接觸的底電極(5)，上表面覆蓋有掩膜層(2);所述掩膜層(2)為絕緣材料，在所述掩膜層(2)的中央預(yù)留有通孔，在所述通孔內(nèi)沉積有二維碲化鉬薄膜(3);所述碲化鉬薄膜與所述N型半導(dǎo)體襯底接觸，形成N-N同型異質(zhì)結(jié);在所述碲化鉬薄膜(3)上表面設(shè)置有與碲化鉬呈歐姆接觸的頂電極(I)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器，其特征在于:所述N型半導(dǎo)體襯底(4)為N型輕摻雜硅片、N型輕摻雜鍺片或N型輕摻雜砷化鎵。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器，其特征在于:所述碲化鉬薄膜(3)的厚度為1-1Onm04.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器，其特征在于:所述底電極(5)為In/Ga電極、Au電極、Ti/Au電極或者Ag電極;所述底電極(5)的厚度為20nm-300nmo5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同型異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器，其特征在于:所述頂電極(I)為石墨稀電極。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同型異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器，其特征在于:所述掩膜層(2)為氧化硅層或氧化鋁層。7.—種權(quán)利要求1?6中任意一項(xiàng)所述的同型異質(zhì)結(jié)近紅外光探測(cè)器的制備方法，其特征在于包括以下步驟: a、通過(guò)電子束濺射技術(shù)在N型半導(dǎo)體襯底(4)的上表面沉積絕緣材料，形成中央預(yù)留有通孔的掩膜層(2); 或選用上表面帶有掩膜層(2)的N型半導(dǎo)體襯底(4)，并通過(guò)刻蝕去除中央的掩膜層形成通孔，使通孔內(nèi)的N型半導(dǎo)體襯底暴露； b、使用電子束濺射技術(shù)或磁控濺射技術(shù)在N型半導(dǎo)體襯底(4)的下表面蒸鍍底電極(5)； c、使用脈沖激光沉積技術(shù)或者磁控濺射技術(shù)在掩膜層中央的通孔內(nèi)沉積二維碲化鉬薄膜(3)，使其與底部的N型半導(dǎo)體襯底接觸，從而形成N-N同型異質(zhì)結(jié)； d、將器件在Ar氛圍下，以8000C的退火溫度，退火5分鐘； e、將頂電極(I)設(shè)置在碲化鉬薄膜(3)上，使頂電極完全覆蓋通孔且不超出掩膜層的邊界，即獲得自驅(qū)動(dòng)二維碲化鉬同型異質(zhì)結(jié)近紅外光電探測(cè)器。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于:步驟c中脈沖激光沉積技術(shù)的工藝條件為:激光功率為20?300mJ、激光波長(zhǎng)為248nm、脈沖頻率為I?20Hz、氣壓為0.1?10—5Pa、沉積時(shí)間為10?50分鐘。
【文檔編號(hào)】H01L31/0336GK105932091SQ201610551522
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年7月13日
【發(fā)明人】于永強(qiáng), 許克偉, 耿祥順, 李智, 羅林保
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)