CN105762281A - 一种铁电局域场增强型二维半导体光电探测器及制备方法 - Google Patents

一种铁电局域场增强型二维半导体光电探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁电局域场增强型二维半导体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是衬底、二维半导体，金属源漏电极、铁电功能层和半透金属上电极。器件制备步骤是在衬底上制备过渡金属硫族化合物二维半导体，运用紫外光刻或电子束光刻的方法结合剥离工艺制备金属电极作为半导体沟道的源极和漏极，然后在该结构上制备铁电薄膜，随后在铁电薄膜上制备半透明或透明电极，形成二维半导体探测器结构。器件首先需要通过极化铁电材料，使得二维半导体沟道背景载流子完全耗尽，源极和漏极间施加一微小电压，通过测量光照下的电流信号变化，进而实现光电探测。该探测器具有高灵敏、快速响应、稳定性好、低功耗及宽光谱探测等特点。

Description

一种铁电局域场增强型二维半导体光电探测器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种二维半导体光电探测器件，具体指一种铁电局域场增强型二维半导体光电探测器及制备方法。
背景技术
二维半导体由于具有特殊的系列力、热、光、电、磁等物理化学性能及低维结构的奇特性能，引起了科学家们的广泛关注，被认为是未来纳米电子器件及光电子器件集成系统的基础，属当今新材料及功能器件研究领域的前沿。石墨烯是二维材料研究的起源，由于其奇特二维特性，高透光性，高载流子迁移率等奇异性能，为其在高速电子器件以及光电探测器件提供了极佳机遇。然而，随后的研究发现，石墨烯的零带隙特征，使得其用于光电探测器时，暗电流偏高，响应率和探测率偏低，距离器件的实用性有较大的差距。
近年来，一类以二硫化钼(MoS2)为代表的过渡金属硫族物化合物的出现，为二维材料的广泛应用提供了机遇。过渡金属硫族物化合物这类二维半导体材料与石墨烯相比，具有带隙，常温下的禁带宽度从1eV-2eV范围，禁带宽度与其厚度关联。且这类半导体亦具有较高迁移率、可以通过化学气相沉积或机械剥离等方法制备获得较大面积等特性。以MoS2为例，单层MoS2的场效应迁移率可达到几十至上百cm2·V-1·s-1[NatureNanotechnology6,147(2011)]。以上优异性能为这类二维半导体材料的应用提供了可能，这类材料可应用于作为光电子器件，如发光器件、光纤通讯、高速电子器件、光电子器件、生物传感器、光电探测器等诸多技术领域。近年来，MoS2二维半导体的光电探测器已经广泛开展，也获得了具有高灵敏的光电探测器件[NatureNanotechnology8,497(2013)；ACSNano6,74(2012)；NanoLetter12,3695(2012).]
然而，基于过渡金属硫族化合物二维半导体的光电探测器因其大的比表面积、表面态和缺陷会产生高的本征载流子浓度，该类材料应用于光电探测器件上，一定程度上会导致器件暗电流较高，从而严重制约了器件的光探测性能。另外，传统过渡金属硫族物化合物光电探测器件工作时需要施加一恒定栅压，一方面会造成器件的功耗很高，另一方面也对器件的稳定性造成一定的影响(如在电极区域会形成热点，严重影响器件的寿命或性能)，此外，过渡金属硫族化合物二维半导体的带隙，恰好落在了紫外至可见波段，一定程度制约了探测器的应用领域。基于上述分析，针对二维半导体光电探测器的应用，迫切需要通过结构及工艺改进，耗尽这些因缺陷或陷阱所产生的本征载流子以降低暗电流，从而提高这类器件探测性能。
为了解决上述问题，本发明提出了一种新型的全耗尽纳米线光电探测器的方法。该方法是将聚偏氟乙烯基铁电聚合物材料引入，将其作为二维半导体场效应管结构光电探测器中栅介质材料。利用施加一负向电压给聚偏氟乙烯基铁电聚合物形成向上的极化状态，并通过聚偏氟乙烯基铁电聚合物材料负向极化所产生的超强静电场来完全耗尽二维半导体沟道中因缺陷或陷阱所产生的本征载流子，从而大大降低了探测器在无栅压下的暗电流，提高了器件的信噪比和探测能力。
发明内容
本发明提出了一种铁电局域场增强型二维半导体光电探测器及制备方法，实现了二维半导体铁电场效应结构在光电探测领域的应用。
上述发明将铁电材料引入过渡金属硫族化合物二维半导体光电探测器件，该探测器结构基于铁电场效应，利用铁电极化形成的局域电场，耗尽二维半导体沟道的背景载流子，可实现器件的高灵敏、低功耗宽波段探测。
本发明指一种铁电局域场增强型二维半导体高灵敏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、
-二维半导体3、
-金属源极4、金属漏极5、
-铁电功能层6
-半透金属上电极或透明导电电极7，
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为过渡金属硫族化合物，厚度从2层至10层分子；
其中金属源极4、金属漏极5为Cr和Au电极，Cr厚度为5-10纳米，Au厚度为30-50纳米；
其中铁电功能层6为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜，厚度为200-300纳米；
其中半透金属上电极或透明导电电极7为铝金属电极，厚度为15-30nm，透明导电电极为银纳米线，厚度为100-200nm。
本发明指一种铁电局域场增强型二维半导体高灵敏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)过渡金属硫族化合物二维半导体制备及转移
采用机械剥离转移方法将过渡金属硫族化合物二维半导体转移至氧化物层SiO2表面。
3)过渡金属硫族化合物二维半导体源漏电极的制备
采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发及lift-off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；电极为铬、金，厚度分别为5-10纳米，30-50纳米。
4)聚偏氟乙烯基铁电功能层的制备
在制备好的背栅器件上运用旋涂方法制备聚偏氟乙烯基铁电功能层，并在135℃温度下退火4小时保证功能层的结晶特性，聚偏氟乙烯基铁电功能层薄膜的厚度200-300纳米。
5)半透金属顶栅电极的制备
在铁电功能层6上制备半透金属上电极或透明导电电极7，通过光刻及刻蚀方法获得特定图形结构电极图形。半透金属电极为铝，厚度为15-20纳米。
在漏极和栅极间施加负向偏压，使得聚偏氟乙烯基铁电功能层处于极化向下状态，耗尽二维半导体沟道的背景载流子。器件工作时，源极漏极间通入微小恒定电压，检测电极两端电流。不同波长、辐射能量光照下，当入射光子的能量大于纳米线的禁带宽度时，产生的光生电子空穴对会形成光生电流，实现二维半导体光电探测器，器件工作的状态示意图如图2所示，二维半导体光电探测器沟道，不同状态下的能带图如图3所示。
本发明专利的优点在于：本发明基于铁电场效应结构，利用P(VDF-TrFE)铁电聚合物材料负向极化所产生的超强局域电场来完全耗尽二维半导体沟道中因缺陷或陷阱所产生的本征载流子，从而大大降低了探测器在无栅压下的暗电流，提高了探测器件的信噪比和探测能力。此外，器件还具有宽波段探测、响应快、稳定性好、低功耗等特点。
附图说明
图1为铁电局域场增强型二维半导体光电探测器结构截面示意图。
图中：1衬底，2氧化物层、3二维半导体、4金属源极、5金属漏极、6铁电功能层、7半透金属上电极或透明导电电极。
图2铁电局域场增强型二维半导体光电探测器工作状态示意图。
图中：1衬底，2氧化物层、3二维半导体、4金属源极、5金属漏极、6铁电功能层、7半透金属上电极或透明导电电极。
图3二维半导体光电探测器在利用铁电极化场耗尽前后工作能带图，(a)耗尽前，(b)耗尽后。
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：
本发明研制了铁电局域场增强型二维半导体高灵敏光电探测器。通过P(VDF-TrFE)铁电聚合物材料负向极化所产生的超强局域电场完全耗尽了渡金属硫族化合物二维半导体沟道中的本征载流子，从而显著降低了探测器在无栅压下的暗电流，提高了器件的探测性能。
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。
3.二维半导体转移制备
用胶带将过渡金属硫族化合物MoS2晶体机械剥离，后将其转移至SiO2/Si衬底上，MoS2厚度3个分子层。
4.源极、漏极制备
利用紫外光刻方法制备源极、漏极电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬5纳米，金30纳米；结合lift-off方法，剥离金属膜，获得源极、漏极电极，沟道宽度为5微米。
5.铁电功能层制备
在制备好的背栅器件上运用旋涂方法制备P(VDF-TrFE)铁电功能层，并在135℃温度下退火4小时保证功能层的结晶特性，P(VDF-TrFE)铁电功能层薄膜的厚度300纳米。
6.半透金属顶栅电极制备
通过光刻及刻蚀方法获得特定图形结构电极图形。半透金属电极为Al，运用热蒸发方法制备，厚度为15-20纳米。
在漏极和栅极间施加负向偏压50伏，使得P(VDF-TrFE)铁电功能层处于极化向下状态，耗尽二维半导体沟道的背景载流子。器件工作时，源极漏极间通入微小恒定电压0.1伏，检测电极两端电流。测量了635纳米波长、不同辐射能量光照下的光电响应特性，产生的光生电子空穴对会形成光生电流，实现二维半导体光电探测器高灵敏探测。
结果说明本发明铁电局域场增强型二维半导体高灵敏光电探测器及其制备方法，该结构器件，可有效降低暗电流、提高器件的信噪比和进而提高二维半导体探测器件的实用性。

Claims (2)

1.一种铁电局域场增强型二维半导体光电探测器，其特征在于，器件结构自下而上依次为：衬底(1)，氧化物层(2)、过渡金属硫族化合物二维半导体(3)、金属源极(4)、金属漏极(5)、铁电功能层(6)和半透金属上电极或透明导电电极(7)，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；
所述的二维半导体(3)为过渡金属硫族化合物，厚度从2层至10层分子；
所述的金属源极(4)、金属漏极(5)为Cr和Au电极，Cr厚度为5-10纳米，Au厚度为30-50纳米；
所述的铁电功能层(6)为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜，厚度为100-300纳米；
所述的半透金属上电极或透明导电电极(7)为铝金属电极，厚度为15-30纳米，透明导电电极为银纳米线，厚度为100-200纳米。
2.一种制备如权利要求1所述铁电局域场增强型二维半导体高灵敏光电探测器的方法，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)采用机械剥离转移方法将过渡金属硫族化合物二维半导体(3)转移至氧化物层(2)表面；
3)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；
4)在制备好的背栅器件上运用旋涂方法制备P(VDF-TrFE)铁电功能层(6)，并在135℃温度下退火4小时保证功能层的结晶特性；
5)在铁电功能层(6)上制备半透金属上电极或透明导电电极(7)，通过光刻及刻蚀方法获得特定图形结构电极图形。
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