CN105932091A - 一种自驱动二维碲化钼同型异质结近红外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二维碲化钼同型异质结近红外光电探测器及其制备方法，其特征在于：是在N型半导体衬底的下表面设置有与N型半导体衬底呈欧姆接触的底电极，上表面覆盖有掩膜层；掩膜层为绝缘材料，在掩膜层的中央预留有通孔，在通孔内沉积有二维碲化钼薄膜，其与N型导体衬底接触，形成N‑N同型异质结；在碲化钼薄膜上表面设置有与碲化钼呈欧姆接触的顶电极。本发明的近红外光电探测器，制备工艺简单、技术成熟可靠，易于控制；所得器件具有高灵敏度、高速率、高探测率、自驱动等优异性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电探测半导体器件及其制备方法，具体涉及一种基于二维碲化钼的同型异质结近红外光探测器。
背景技术
光电探测是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，其在军事和国民经济的各个领域有广泛用途，如光电通信、红外成像、激光制导等。近年来，随着科学技术的飞速发展，以纳米光电探测为代表的二维过渡金属硫属化物的探测器因具有超快速的响应速度、高探测率和高灵敏度等优越特性而备受关注。例如，硫化钼(MoS2)与硅所构成的异质结在0V偏压的条件下探测率高达1013J，其上升时间达到3微秒[Liu Wang,Jiansheng Jie,et.Advanced Functional Materials.2015,25(19):2910–2919]。但是根据之前的报道中可以了解到诸多器件由于器件的尺寸较小、响应速度慢或者制备工艺复杂等各种缺点难以满足现实应用的要求。此外，目前基于新型光电探测器的二维半导体薄膜制作方法主要有以下几种方法：1、利用分子间微弱的范德华力的机械剥离获取二维半导体薄膜；2、利用化学沉积法(CVD)获取；3、利用水热合成法。第一种方法获取的薄膜层数不可控制，具有很大随机性并且不可以大面积生产；而后两种方式的产量不高且制作过程需要高温环境，制作工艺复杂、所用设备昂贵。另外通过以上方法制备的近红外光电探测器普遍存在着灵敏度相对较低、探测速度相对较慢、探测率相对较小以及不可自驱动等缺陷，严重制约了二维材料在光电探测领域的广泛应用。
因此发展一种技术简单可靠、制作成本廉价且可以大面积生产的方法，来制备具有高灵敏度、超快响应速度、超高探测率及自驱动等优越特性的光电探测器具有重要的意义。
发明内容
本发明针对上述现有技术所存在的不足之处，提供一种自驱动二维碲化钼同型异质结近红外光探测器及其制备方法，旨在简化探测器制备方法的同时实现探测器的高灵敏度、高速度、高探测率。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明自驱动二维碲化钼同型异质结近红外光电探测器，其特点在于：所述近红外光探测器是在N型半导体衬底的下表面设置有与N型半导体衬底呈欧姆接触的底电极，上表面覆盖有掩膜层；所述掩膜层为绝缘材料，在所述掩膜层的中央预留有通孔，在所述通孔内沉积有二维碲化钼薄膜；所述碲化钼薄膜与所述N型半导体衬底接触，形成N-N同型异质结；在所述碲化钼薄膜上表面设置有与所述碲化钼呈欧姆接触的顶电极。
所述N型半导体衬底(4)为N型轻掺杂硅片(Si)、N型轻掺杂锗片(Ge)或N型轻掺杂砷化镓(GaAs)。
所述碲化钼(3)薄膜为多层本征碲化钼薄膜(MoTe2)，厚度为1-10nm。由于本征缺陷，使本征碲化钼薄膜呈现N型，因此可以与N型半导体衬底形成N-N同型异质结。
所述底电极(5)为In/Ga电极、Au电极、Ti/Au电极或者Ag电极；所述底电极(5)的厚度为20nm-300nm。
所述顶电极(1)为石墨烯电极。
所述掩膜层(2)为氧化硅层或氧化铝层。
上述同型异质结近红外光探测器的制备方法，包括以下步骤：
a、通过电子束溅射技术在N型半导体衬底(4)上表面沉积绝缘材料，形成中央预留有通孔的掩膜层(2)；
或选用上表面带有掩膜层(2)的N型半导体衬底(4)，并通过刻蚀去除中央的掩膜层形成通孔，使通孔内的N型半导体衬底暴露；
b、使用电子束溅射技术或磁控溅射技术在N型半导体衬底(4)的下表面蒸镀底电极(5)；
c、使用脉冲激光沉积技术或者磁控溅射技术在掩膜层中央的通孔内沉积二维碲化钼薄膜(3)，使其与底部的N型半导体衬底接触，从而形成N-N同型异质结；
d、将器件在Ar氛围下，以800℃的退火温度，退火5分钟；
e、将顶电极(1)设置在二维碲化钼薄膜(3)上，使顶电极完全覆盖通孔且不超出掩膜层的边界，即获得自驱动二维碲化钼同型异质结近红外光电探测器。
其中，步骤c中脉冲激光沉积技术的工艺条件为：激光功率为20～500mJ、激光波长为248nm、脉冲频率为1～20Hz、气压为0.1～10-5Pa、沉积时间为10～50分钟。利用脉冲激光沉积自身的特点，使所沉积的薄膜保留了靶的化学计量成分，沉积速率高、试验周期短、衬底温度要求低，所得薄膜均匀且结晶性能良好；此外通过控制脉冲的功率与数量，可以精密控制所沉积薄膜的厚度，以便于所沉积的薄膜与N型半导体衬底构造同型异质结。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明通过由N型轻掺杂的硅片、锗片或砷化镓与二维碲化钼薄膜构成N-N同型异质结，制得了近红外光电探测器，工艺简单、技术成熟可靠，易于控制；所得器件具有高灵敏度、高速率、高探测率、自驱动等优异性能。
附图说明
图1为本发明同型异质结近红外光探测器的结构示意图；
图2为实施例1所制备的光电探测器在光源波长980nm的不同光功率下的电流-电压曲线；
图3为实施例1所制备的光电探测器在光源频率2MHz下的输出电流强度波形；
图4为实施例1所制备的光电探测器在光源频率达到5MHz的条件下的输出电流波形所对应的上升时间及下降时间；
图5为实施例1所制备的光电探测器在偏压为0V和-1V条件下测得的电流-时间曲线；
图6为实施例1所制备的光电探测器在极弱的白光条件下，对应不同光照强度的输出电流曲线图；
图7为实施例1所制备的光电探测器的输出线性动态范围(LDR)；
图8为实施例2所制备的光电探测器在光源波长1550nm的不同光功率下的电流-电压曲线；
图9为实施例2所制备的光电探测器件在光源频率1MHz下的电流输出波形；
图10为实施例2所制备的光电探测器件在偏压分别为0V和-1V条件下测得的电流-时间曲线；
图11为实施例2所制备的光电探测器件在不同光功率下功率-响应度和功率-探测率的曲线图；
图中标号：1为顶电极；2为掩膜层；3为二维碲化钼薄膜；4为N型半导体衬底；5为底电极。
具体实施方式
实施例1
参见图1，本实施例的近红外光探测器是在N型半导体衬底4的下表面设置有与N型半导体衬底呈欧姆接触的底电极5，上表面覆盖有掩膜层2；掩膜层2为绝缘材料，在掩膜层2的中央预留有通孔，在通孔内沉积有二维碲化钼薄膜3；碲化钼薄膜与N型半导体衬底接触，形成N-N同型异质结；在碲化钼薄膜3上表面设置有与N型碲化钼薄膜呈欧姆接触的顶电极1。
其中，本实施例的N型半导体衬底4为N型轻掺杂硅片，掩膜层2为氧化硅层，本实施例直接采用氧化硅片(其基底为1-10Ω.cm的N型轻掺杂硅片，氧化硅厚度为280nm)作为上表面带有掩膜层(2)的N型半导体衬底(4)。
本实施例的近红外光探测器按如下方法进行制备：
(1)室温下，将尺寸为1.5cm×1.5cm的氧化硅片分别使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗5分钟，然后使用氮气枪吹干；
利用匀胶机在氧化硅层的表面旋涂光刻胶，再使用光刻机对光刻胶中央直径1cm的区域进行曝光处理，最后将样品浸泡在显影液中8-10s；
由3mL氟化氢、6g氟化铵和10mL水配得氟化氢刻蚀液；
将显影后样品在氟化氢刻蚀液中进行刻蚀，由于中央直径1cm的区域经曝光、显影后氧化硅掩膜层直接裸露于刻蚀液中而被刻蚀，从而在该区域形成通孔，暴露出该区域下方的N型轻掺杂硅。
使用去离子水清洗刻蚀后样品表面去除残留的刻蚀液，然后使用丙酮去除残留的光刻胶，再依次使用无水酒精和去离子水清洗样品。
(2)使用电子束溅射技术在N型轻掺杂硅的下表面溅镀厚度约为50nm Au电极作为底电极；
(3)使用脉冲激光沉积技术(PLD)在掩膜层中央的通孔内沉积10nm本征碲化钼薄膜，使其与底部的N型轻掺杂硅接触，从而形成N-N同型异质结；脉冲激光沉积技术的工艺条件为：激光功率为40mJ、激光波长为248nm、脉冲频率为10Hz，气压为10-5Pa，溅镀时间30分钟。
(4)将器件在Ar氛围下，以800℃的退火温度，退火5分钟；
(5)通过湿法转移将石墨烯薄膜转移到本征碲化钼薄膜上，使顶电极完全覆盖通孔且不超出掩膜层的边界，即获得自驱动二维碲化钼同型异质结近红外光电探测器。
利用KEITHLEY 4200－SCS半导体特性测试仪、Keithley 3401信号发生器及示波器测试本实施例所制备的近红外光电探测器的性能。
图2为器件在光源波长980nm的不同光功率下的电流-电压曲线。从图中可以明显看出光电探测器件在无光照的环境下具有良好整流特性，随着光照强度的增加，反向偏压下的光电流增加明显，突显出光电探测器具有优越的光伏特性。
图3为器件在光源频率2MHz的条件下的输出电流强度波形，从图中可以看出光电探测器具有较快的响应速度。
图4为器件在光源频率达到5MHz的条件下的输出电流的一个周期的波形，通过测量计算可知器件的上升时间和下降时间分别为52ns和91ns，明显优越于先前报道的光电探测器。
图5为器件分别在0V和-1V偏压下的电流-时间曲线，通过计算可知探测器在0V偏压下的开关比达到106；
图6为器件在极弱的白光环境下，对应不同光照强度所测得的输出电流曲线图，由图可知在5nW/cm2光照下器件的输出电流约为0.4nA，可见探测器对弱光仍然拥有较好的光伏响应。
图7为器件的输出线性动态范围(LDR)，可以看出其呈现线性变化。
实验例2
参见图1，本实施例的近红外光探测器与实施例1具有相同的器件结构，区别仅仅在于：N型半导体衬底为N型轻掺杂砷化镓，掩膜层为氧化铝层。
本实施例的近红外光探测器按如下方法进行制备：
(1)室温下，将N型轻掺杂砷化镓(电阻为1-10Ω)分别使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗5分钟后，然后使用氮气枪吹干。通过电子束沉积技术在砷化镓的上表面蒸镀一层厚度约为200nm左右的氧化铝层作为掩膜层，并使氧化铝层的中央位置留有一个直径为1cm的通孔作为碲化钼的沉积区；
(2)使用电子束溅射技术在N型轻掺杂砷化镓的下表面溅镀厚度约为50nm Au电极作为底电极；
(3)使用脉冲激光沉积技术(PLD)在掩膜层中央的通孔内沉积10nm本征碲化钼薄膜，使其与底部的N型轻掺杂砷化镓接触，从而形成N-N同型异质结；脉冲激光沉积技术的工艺条件为：激光功率为40mJ，脉冲频率为10Hz，气压为10-5Pa，溅镀时间30分钟。
(4)将器件在Ar氛围下，以800℃的退火温度，退火5分钟；
(5)通过湿法转移将石墨烯薄膜转移到本征碲化钼薄膜上，使顶电极完全覆盖通孔且不超出掩膜层的边界，即获得自驱动二维碲化钼同型异质结近红外光电探测器。
利用KEITHLEY 4200－SCS半导体特性测试仪、Keithley 3401信号发生器及示波器测试本实施例所制备的近红外光电探测器的性能。
图8为器件在光源波长1550nm的不同光功率下的电流-电压曲线。从图中可以明显看出光电探测器件在无光照的环境下具有良好整流特性，随着光照强度的增加，反向偏压下的光电流增加明显，突显出光电探测器具有优越的光伏特性。
图9为器件在1MHz光脉冲下，示波器所测得的电流信号，可以看出器件具有较快的响应速。
图10为器件分别在0V和-1V偏压下的电流-时间曲线，通过计算可知探测器在0V偏压下的开关比达到104。
图11是器件在极弱光下测得的探测率与响应度分别在不同光功率下的曲线图，从图中可以看出随着光功率的逐渐增加探测率和响应度逐渐下降，其中当光功率为5nW/cm2时探测率和响应度分别高达6.8×1013J和0.19A/W。
Claims (8)
1.一种自驱动二维碲化钼同型异质结近红外光电探测器，其特征在于：所述近红外光探测器是在N型半导体衬底(4)的下表面设置有与N型半导体衬底呈欧姆接触的底电极(5)，上表面覆盖有掩膜层(2)；所述掩膜层(2)为绝缘材料，在所述掩膜层(2)的中央预留有通孔，在所述通孔内沉积有二维碲化钼薄膜(3)；所述碲化钼薄膜与所述N型半导体衬底接触，形成N-N同型异质结；在所述碲化钼薄膜(3)上表面设置有与碲化钼呈欧姆接触的顶电极(1)。
2.根据权利要求1所述的同型异质结近红外光电探测器，其特征在于：所述N型半导体衬底(4)为N型轻掺杂硅片、N型轻掺杂锗片或N型轻掺杂砷化镓。
3.根据权利要求1所述的同型异质结近红外光电探测器，其特征在于：所述碲化钼薄膜(3)的厚度为1-10nm。
4.根据权利要求1所述的同型异质结近红外光电探测器，其特征在于：所述底电极(5)为In/Ga电极、Au电极、Ti/Au电极或者Ag电极；所述底电极(5)的厚度为20nm-300nm。
5.根据权利要求1所述的同型异质结光电探测器，其特征在于：所述顶电极(1)为石墨烯电极。
6.根据权利要求1所述的同型异质结光电探测器，其特征在于：所述掩膜层(2)为氧化硅层或氧化铝层。
7.一种权利要求1～6中任意一项所述的同型异质结近红外光探测器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a、通过电子束溅射技术在N型半导体衬底(4)的上表面沉积绝缘材料，形成中央预留有通孔的掩膜层(2)；
或选用上表面带有掩膜层(2)的N型半导体衬底(4)，并通过刻蚀去除中央的掩膜层形成通孔，使通孔内的N型半导体衬底暴露；
b、使用电子束溅射技术或磁控溅射技术在N型半导体衬底(4)的下表面蒸镀底电极(5)；
c、使用脉冲激光沉积技术或者磁控溅射技术在掩膜层中央的通孔内沉积二维碲化钼薄膜(3)，使其与底部的N型半导体衬底接触，从而形成N-N同型异质结；
d、将器件在Ar氛围下，以800℃的退火温度，退火5分钟；
e、将顶电极(1)设置在碲化钼薄膜(3)上，使顶电极完全覆盖通孔且不超出掩膜层的边界，即获得自驱动二维碲化钼同型异质结近红外光电探测器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤c中脉冲激光沉积技术的工艺条件为：激光功率为20～300mJ、激光波长为248nm、脉冲频率为1～20Hz、气压为0.1～10-5Pa、沉积时间为10～50分钟。
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