CN105702776B - 一种自驱动光探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自驱动光探测器及其制作方法，涉及光探测技术领域，能够实现自驱动光电探测，且响应时间短、响应度高、能够对具有一定波长范围的光线进行探测。该自驱动光探测器包括基底，位于所述基底上的沟道层，位于所述沟道层上的栅介质层，位于所述栅介质层上的栅极，以及与所述沟道层的两端连接的银电极和铂电极，所述沟道层的材料为二维二硫化钼，所述沟道层包括1~5个原子层。本发明用于进行光探测。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种自驱动光探测器及其制作方法。
背景技术
光探测器是一类利用光与物质的各种相互作用，把光能转换为可探测的其他能量的器件。光探测器主要包括光电导光探测器、p-n结二极管光探测器和肖特基结光探测器。
具体地，光电导光探测器是利用半导体材料的光电导效应制作的光探测器。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。肖特基光探测器是利用肖特基结制作的光探测器。具体地，肖特基光探测器是利用金属与半导体之间的具有一定高度的肖特基势垒来检测光信号的光探测器件，具体地，当光照射至肖特基光电二极管上时，阻挡层吸收光子，产生电子空穴对，在肖特基光电二极管的内建电场的作用下，电子移向半导体，空穴移向金属，从而在肖特基光电二极管的内部形成光生电流。
发明人发现，现有技术中的光电导光探测器的响应时间长，通常响应时间在秒数量级，现有技术中的肖特基光探测器的响应度均较低，即光增益小。除此之外，光电导光探测器和肖特基光探测器均只能够对特定波长的光线进行探测，且需要外部电源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自驱动光探测器及其制作方法，能够实现自驱动光电探测，且响应时间短、响应度高、能够对具有一定波长范围的光线进行探测。
为达到上述目的，本发明提供一种自驱动光探测器，采用如下技术方案：
该自驱动光探测器包括基底，位于所述基底上的沟道层，位于所述沟道层上的栅介质层，位于所述栅介质层上的栅极，以及与所述沟道层的两端连接的银电极和铂电极，所述铂电极与所述栅极连接，所述沟道层的材料为二维二硫化钼，所述沟道层包括1~5个原子层。
由于该自驱动光探测器具有上述结构，其包括的沟道层和铂电极之间为肖特基接触，二者形成一个肖特基结，在该肖特基结区电子流向二维二硫化钼，空穴流向铂电极，在肖特基結区处形成内建电场，电场方向为二维二硫化钼指向铂电极。同时，银电极与二硫化钼結区处产生相似的电场。由于与二硫化钼接触的银、铂电极結区处的电场方向相反，大小不等，可产生一定的内建电场，在光照下电子空穴对分离，可产生自驱动电流，进而使得该光探测器具有自驱动效果，即不需要外加电源就可以将光信号转化成电信号。由于银电极与栅极相连，故可看作在栅极施加正压，二维二硫化钼在正栅压下呈开启状态，进而使得该光探测器响应时间短。并且，二维二硫化钼具有一定带隙，可产生光电导效应，进而使得该光探测器具有高响应度。
此外，本发明还提供了一种自驱动光探测器的制作方法，采用如下技术方案：
所述制作方法包括：
提供一基底；
在所述基底上形成沟道层，所述沟道层的材料为二维二硫化钼，所述沟道层包括1~5个原子层；
在形成了所述沟道层的所述基底上，形成银电极和铂电极，所述银电极和所述铂电极分别与所述沟道层的两端连接；
在形成了所述银电极和所述铂电极的所述基底上，依次形成栅介质层和栅极，所述栅极与所述铂电极连接。
附图说明
图1为本发明实施例中自驱动光探测器的结构图；
图2为本发明实施例中自驱动光探测器的俯视图；
图3为本发明实施例中的光探测器在进行光探测的结构图。
附图标记说明：
| 1—铂电极； | 2—银电极； | 3—栅电极； |
| 4—栅介质层； | 5—沟道层； | 6—基底。 |
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提供了一种自驱动光探测器，如图1和图2所示，该自驱动光探测器包括基底6，位于基底6上的沟道层5，位于沟道层5上的栅介质层4，位于栅介质层4上的栅极3，以及与沟道层5的两端连接的银电极2和铂电极1，铂电极1与栅极3连接，其中，沟道层5的材料为二维二硫化钼，沟道层5包括1~5个原子层。
可选地，基底6的材料为二氧化硅，栅介质层4的材料为六方氮化硼（h-BN） ，栅极3的材料为铂。
沟道层5的厚度为0.65nm~3.5nm。
本申请的发明人发现，根据半导体材料带隙与其吸收光截至波长的关系Eg=hc/λ，其中，h为普朗克常量6.63×10-34J/s，c为光速3×108m/s，λ是半导体材料吸收光截至波长，沟道层5包括的二硫化钼的原子层的数目不同时，沟道层5的带隙不同，其能够吸收的波长也不同，进而使得该自驱动光探测器能够探测的光的波长范围不同。具体地，当沟道层5包括4~5个原子层时，沟道层5可吸收光波长为350nm~920nm的光，对应的，自驱动光探测器探测波长为350nm~920 nm的光；当沟道层5包括2~3个原子层时，沟道层可吸收波长范围为350nm~ 750nm的光，对应的，自驱动光探测器探测波长为350nm~ 920nm的光；当沟道层包括1个原子层，沟道层吸收波长为 350nm~ 690nm的紫光，对应的，自驱动光探测器探测波长为350nm~690nm的紫光。
另外，为了得到最优的透光率，本发明实施例中优选，所使用的基底6的厚度为d1=λ/2n1 ，栅介质层4的厚度为d2=λ/2n2，其中，n1为基底6的折射率，n2为栅介质层4的折射率。
另外，由于沟道层5中载流子迁移率μ与沟道层5的长宽比L/W呈正相关，其中如图2所示，L为沟道层5长度，W为沟道层5宽度，因此，本发明实施例中可以通过增加沟道层5的长宽比L/W的方式，提高沟道层5载流子迁移率进而缩短自驱动光探测器的响应时间，提高自驱动光探测器的灵敏度。本发明实施例中优选沟道层的长宽比大于等于10。
由于本发明实施例提供的自驱动光探测器具有上述结构，其包括的沟道层和铂电极之间为肖特基接触，二者形成一个肖特基结区，在该肖特基结区处电子流向二维二硫化钼，空穴流向铂电极，在铂与二硫化钼肖特基結区处形成内建电场，电场方向为二维二硫化钼指向铂电极，同时，银电极与二硫化钼結区处产生相似的电场。由于与二硫化钼接触的银、铂电极結区处的电场方向相反，大小不等，可产生一定的内建电场，在光照下电子空穴对分离，可产生自驱动电流，进而使得该光探测器具有自驱动效果，即不需要外加电源就可以将光信号转化成电信号。由于银电极与栅极相连，故可看作在栅极施加正压，二维二硫化钼在正栅压下呈开启状态，进而使得该光探测器响应时间短。并且，二维二硫化钼具有一定带隙，可产生光电导效应，进而使得该光探测器具有高响应度。
实施例二
本发明实施例提供了一种自驱动光探测器的制作方法，该制作方法用于制作实施例一中所述的自驱动光探测器，具体地，该制作方法包括：
提供一基底；
在基底上形成沟道层，沟道层的材料为二维二硫化钼，沟道层包括1~5个原子层；
在形成了沟道层的基底上，形成银电极和铂电极，银电极和铂电极分别与沟道层的两端连接；
在形成了银电极和铂电极的基底上，依次形成栅介质层和栅极，栅极与银电极连接。
可选地，上述在基底上形成沟道层的步骤具体包括：
使用化学气相沉积法在所述基底上形成沟道层，其中，在化学气相沉积法中使用的钼源为三氧化钼，硫源为硫粉，保护气为氩气。
具体地，使用化学气相沉积法在基底上形成沟道层的步骤包括：
步骤一、将所述钼源和所述硫源放置在管式炉中的石英管中，其中，所述硫源和所述钼源沿所述保护气的流动方向依次设置；
步骤二、将所述基底反扣在所述钼源正上方；
步骤三、向所述石英管中通入氩气；
步骤四、将所述硫源加热至所述硫源的预热温度，并保温；
步骤五、将所述钼源加热至所述钼源的预热温度；
步骤六、将所述硫源自所述硫源的预热温度加热至所述硫源的目标温度；
步骤七、将所述钼源自所述钼源的预热温度加热至所述钼源的目标温度；
步骤八、使所述石英管保温；
步骤九、将所述石英管冷却至室温，取出所述基底。
示例性地，在以上各步骤中的工艺参数如下：钼源的质量为1μg ~10μg，硫源的质量为1g ~2g，钼源与硫源之间的水平距离为45cm，基底和钼源之间的垂直距离为0.5cm，氩气的流量为100sccm ~300sccm，硫源的预热温度为110℃，硫源在其预热温度的保温时间为20min，硫源的目标温度为160℃~180℃，钼源的预热温度为700℃~720℃，钼源的目标温度为800℃~850℃，石英管的保温时间为3~30min；硫源的加热速率为1℃/min ~5℃/min，钼源的加热速率为10℃/min ~15℃/min，石英管的冷却速率为5℃/min ~10℃/min。
由实施例一中描述可知，当沟道层包括的二硫化钼的原子层的数目不同时，自驱动光探测器能够探测的波长范围不同，为了便于本领域技术人员制作具有不同数目的原子层的沟道层，本发明实施例提供以下三种用于形成沟道层的具体工艺参数：
第一种，钼源的质量为7μg ~10μg，所述硫源的质量为1.5g ~2g，钼源与硫源之间的水平距离为45cm，基底和钼源之间的垂直距离为0.5cm，氩气的流量为200sccm ~300sccm，硫源的预热温度为110℃，硫源在其预热温度的保温时间为20min，硫源的目标温度为170℃~180℃，钼源的预热温度为700℃~720℃，钼源的目标温度为840℃~850℃，石英管的保温时间为30min时，在基底上可以生长出大面积的4~5层的二维二硫化钼。
第二种，钼源的质量为4μg ~7μg，硫源的质量为1.5g ~2g，钼源与硫源之间的水平距离为45cm，基底和钼源之间的垂直距离为0.5cm，氩气的流量为200sccm，硫源的预热温度为110℃，硫源在其预热温度的保温时间为20min，硫源的目标温度为170℃~175℃，钼源的预热温度为700℃~720℃，钼源的目标温度为820℃~830℃，石英管的保温时间为20~30min，此时，在基底上可以生长出大面积的2~3层的二维二硫化钼；
第三种，钼源的质量为1μg ~4μg，硫源的质量为1g ~1.5g，钼源与硫源之间的水平距离为45cm，基底和钼源之间的垂直距离为0.5cm，氩气的流量为100sccm ~200sccm，硫源的预热温度为110℃，硫源在其预热温度的保温时间为20min，硫源的目标温度为165℃~170℃，钼源的预热温度为700℃~720℃，钼源的目标温度为800℃~820℃，石英管的保温时间为3~30min，此时，在基底上可以生长出大面积的单层的二维二硫化钼；
需要补充的是，在以上三种工艺参数中，硫源的加热速率为1℃/min ~5℃/min，钼源的加热速率为10℃/min ~15℃/min，石英管的冷却速率为5℃/min ~10℃/min。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种自驱动光探测器，其特征在于，所述探测器包括：基底、位于所述基底上的沟道层、位于所述沟道层上的栅介质层、位于所述栅介质层上的栅极，以及与所述沟道层的两端连接的银电极和铂电极，在形成了所述银电极和所述铂电极的所述基底上，依次形成栅介质层和栅极，所述栅极与所述铂电极连接；
所述沟道层的材料为二维二硫化钼，所述沟道层包括1～5个原子层。
2.根据权利要求1所述的自驱动光探测器，其特征在于，所述沟道层的厚度为0.65nm～3.5nm。
3.根据权利要求1所述的自驱动光探测器，其特征在于，所述沟道层包括4～5个原子层，所述沟道层吸收波长为350nm～920nm的光。
4.根据权利要求1所述的自驱动光探测器，其特征在于，所述沟道层包括2～3个原子层，所述沟道层吸收波长为350nm～750nm的光。
5.根据权利要求1所述的自驱动光探测器，其特征在于，所述沟道层包括1个原子层，所述沟道层吸收波长为350nm～690nm的光。
6.根据权利要求1所述的自驱动光探测器，其特征在于，所述沟道层的长宽比大于等于10。
7.一种自驱动光探测器的制作方法，所述制作方法用于制作如权利要求1～6任一项所述的自驱动光探测器，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一基底；
在所述基底上形成沟道层，所述沟道层的材料为二维二硫化钼，所述沟道层包括1～5个原子层；
在形成了所述沟道层的所述基底上，形成银电极和铂电极，所述银电极和所述铂电极分别与所述沟道层的两端连接；
在形成了所述银电极和所述铂电极的所述基底上，依次形成栅介质层和栅极，所述栅极与所述铂电极连接。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述在所述基底上形成沟道层包括：
使用化学气相沉积法在所述基底上形成沟道层，其中，钼源为三氧化钼，硫源为硫粉，保护气为氩气。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述使用化学气相沉积法在所述基底上形成沟道层包括：
步骤一、将所述钼源和所述硫源放置在管式炉中的石英管中，其中，所述硫源和所述钼源沿所述保护气的流动方向依次设置；
步骤二、将所述基底反扣在所述钼源正上方；
步骤三、向所述石英管中通入氩气；
步骤四、将所述硫源加热至所述硫源的预热温度，并保温；
步骤五、将所述钼源加热至所述钼源的预热温度；
步骤六、将所述硫源自所述硫源的预热温度加热至所述硫源的目标温度；
步骤七、将所述钼源自所述钼源的预热温度加热至所述钼源的目标温度；
步骤八、使所述石英管保温；
步骤九、将所述石英管冷却至室温，取出所述基底。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述钼源的质量为1μg～10μg，所述硫源的质量为1g～2g，所述钼源与所述硫源之间的水平距离为45cm，所述基底和所述钼源之间的垂直距离为0.5cm，所述氩气的流量为100sccm～300sccm，所述硫源的预热温度为110℃，所述硫源在其预热温度的保温时间为20min，所述硫源的目标温度为160℃～180℃，所述钼源的预热温度为700℃～720℃，所述钼源的目标温度为800℃～850℃，所述石英管的保温时间为3～30min；
所述硫源的加热速率为1℃/min～5℃/min，所述钼源的加热速率为10℃/min～15℃/min，所述石英管的冷却速率为5℃/min～10℃/min。
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Patent Citations (2)
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