CN107026217A - 一种双波段薄膜光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微纳制造与光电子器件领域，并公开了一种双波段薄膜光探测器，包括基底薄片、第一电极层、第一WSe2层、石墨烯层、第一MoS2层、第二电极层、介质层、第二WSe2层、第三电极层、第二MoS2层和第四电极层,第一电极层设置在基底薄片上；第一WSe2层铺设在基底薄片和第一电极层上；石墨烯层设置在第一WSe2层上；第一MoS2层设置在石墨烯层上；第二电极层设置在第一MoS2层上；介质层铺设在第一MoS2层和第二电极层上；第二WSe2层设置在介质层上；第三电极层和第二MoS2层设置在第二WSe2层上；第四电极层设置在第二MoS2层上。本发明所采用的载流子迁移率高，在可见光波段的光吸收特性好。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造与光电子器件领域，更具体地，涉及一种双波段薄膜光探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器在国民经济以及军事等各个领域有广泛的用途。基于不同波段探测的光电探测器，对不同领域的探测有着重要作用。在可见光以及近红外波段，光电探测器主要应用于射线测量和探测、工业自动控制、光度测量等方面；在红外波段，其主要的用途有导弹制导、红外成像、红外遥感等；在紫外波段，主要用途有紫外制导、紫外告警、紫外通讯、紫外对抗等军事化应用。
传统的基于IV族和II1-V族半导体(例如硅和砷化镓)的光探测器的波谱范围和探测带宽受到其能带和载流子渡越时间的限制，难以实现超快宽带吸收的光探测器，不适用于某些对器件性能要求更加严格的应用场合。同时，传统基于IV族和II1-V族半导体的器件尺寸已经接近其极限，难以满足逐渐提高的器件集成度要求。
另一方面，二维层状原子晶体材料通常体现出其相应的体材料中所没有的性质，典型代表如MoS2和WSe2,为直接带隙半导体材料，具有一定的能带带隙和极高的载流子迁移率，并且在可见光区具有很强的光吸收特性。石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料，和硅接触可以形成肖特基结，制备工艺简单，在光电探测领域有广泛应用。
然而，基于单一的二维材料的光探测器的性能有待提高。目前有些直接采用以石墨烯为代表的材料构建的光探测器，体现出独特的零带隙能带结构和近弹道输运的电学性质，传统半导体光探测器相比，具有探测波谱范围宽、超快响应速度和高截止频率的工作特性。然而其缺陷在于器件的光响应度低，光生载流子的提取难。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双波段薄膜光探测器及其制备方法，该双波段薄膜光探测器利用二维材料异质结解决单一的二维材料的光探测器响应率受限、探测波段有限等一系列问题。既能保证器件具有快速宽带响应特性，同时采用纵向垂直器件结构，又可以提高器件的单片集成度，该制备方法工艺简单。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，包括基底薄片、第一电极层、第一WSe2层、石墨烯层、第一MoS2层、第二电极层、介质层、第二WSe2层、第三电极层、第二MoS2层和第四电极层，其中，
所述第一电极层设置在所述基底薄片的上表面上；
所述第一WSe2层同时铺设在所述基底薄片的上表面和所述第一电极层的上表面上，且所述第一电极层上表面包裹一层石墨烯薄膜；
所述石墨烯层设置在所述第一WSe2层的上表面上；
所述第一MoS2层设置在所述石墨烯层的上表面上，并且其上端具有缺口；
所述第二电极层设置在所述第一MoS2层的缺口处，两者之间设置有石墨烯薄膜，而且两者的上表面平齐；
所述介质层同时铺设在所述第一MoS2层和所述第二电极层的上表面上；
所述第二WSe2层设置在所述介质层的上表面上；
所述第三电极层和第二MoS2层并排设置在所述第二WSe2层的上表面上，并且两者之间存在间隙；
所述第四电极层设置在所述第二MoS2层的上表面上。
优选地,所述基底薄片为硅片、玻璃片、PET塑料片或PDMS片。
优选地,所述第一电极层～第四电极层的材料选自金、铂、银或铜，厚度分别为10-200nm。
优选地,第一WSe2层上表面的石墨烯层替换为黑磷层。
优选地,所述第一WSe2层和第二WSe2层的厚度分别为5-300nm。
优选地,，所述第一MoS2层和第二MoS2层的厚度分别为5-300nm。
优选地,所述介质层的材料选自SiO2、Si3N4或Al2O3，其厚度为30-200nm。
按照本发明的另一个方面,还提供了一种双波段薄膜光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在基底薄片的上表面涂布光刻胶，然后采用光刻工艺去除部分光刻胶，以在基底薄片上为形成第一电极层预留位置；
2)通过镀膜工艺在步骤1)所预留的位置镀上第一电极层；
3)去除基底薄片上剩下的光刻胶；
4)在第一电极层的上表面覆盖石墨烯薄膜；
5)制备第一WSe2层，而且使第一WSe2层覆盖第一电极层的上表面和基底薄片的上表面；
6)采用化学气相沉积法在一铜箔上生长一层石墨烯，然后将这层石墨烯转移到第一WSe2的上表面上形成石墨烯层；
7)在石墨烯层上制备第一MoS2层，其中第一MoS2层的上端存在缺口；
8)在第一MoS2的缺口处的表面覆盖石墨烯薄膜，然后在缺口处的表面旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺去除部分光刻胶，在去除光刻胶的部位镀上第二电极层，并使第二电极层的上表面与第一MoS2层的上表面平齐；
9)利用磁控溅射工艺镀上一层介质层，并且介质层同时铺设在第二电极层和第一MoS2层的上表面；
10)在介质层的上表面制备第二WSe2层；
11)在第二WSe2层的上表面上制备第二MoS2层；
12)在第二WSe2层的上表面旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺去除部分光刻胶，在去除光刻胶的部位镀上第三电极层，并且使第三电极层与第二MoS2层之间存在间隙，然后再去除剩余的光刻胶；
13)在第二MoS2层的上表面旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺去除部分光刻胶，在去除光刻胶的部位镀上第四电极层，然后再去除剩余的光刻胶，从而形成所述双波段薄膜光探测器。
优选地,步骤4)中第一电极层表面的石墨烯薄膜采用转移方法形成，转移的具体步骤如下：采用化学气相沉积的方法在一铜箔基底上制备石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4～5h以腐蚀去除铜箔基底，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；然后将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到第一电极层的表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯。
优选地,所述刻蚀溶液由CuSO4和HCl分别加入水中形成，并且三者的比例为CuSO4：HCl：H2O＝1g：5ml：5ml。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明所采用的WSe2和MoS2层的载流子迁移率高，在可见光波段的光吸收特性好。采用纵向垂直的WSe2/石墨烯/MoS2异质结结构可提高器件响应度，可解决基于单一的二维材料的光探测器光响应度低、光生载流子提取难等问题。本发明的制备方法所采用的技术制备工艺相对简单，具有快速实现、宽光谱光探测等巨大潜力。
附图说明
图1是本发明中双波段光探测器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
1)选择硅片、玻璃或PET塑料作为基底薄片1，清洗干净，在其表面旋涂光刻胶，通过光刻工艺，图1中电极位置的光刻胶被曝光后洗去，形成凹槽。
2)利用电子束蒸发工艺在上述样品表面沉积第一电极层2，其厚度为10nm。
3)将上述样品使用丙酮浸泡，去除剩下的光刻胶。
4)采用化学气相沉积法在一铜箔上制备石墨烯薄膜，其可为单层或数层，并转移至步骤(2)所得的第一电极层2的表面；其中石墨烯薄膜的转移方法为：将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到第一电极层2的表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4:HCl:H2O＝1g:5ml:5ml。
5)对步骤(4)中转移后的石墨烯薄膜光刻出与第一电极层2形状一致的电极图形：将光刻好的石墨烯薄膜放入反应离子刻蚀系统真空腔室，通入氧气对石墨烯薄膜进行刻蚀，获得第一电极层2上表面的石墨烯薄膜。
6)将样品右侧金属接线盘部分滴上光刻胶保护起来。
7)在上述样品的上表面利用化学气相沉积的方式生长出第一WSe2层3，第一WSe2层3厚度为5nm。
8)采用化学气相沉积法在一铜箔上生长一层石墨烯，并转移到步骤(7)中的WSe2上面形成石墨烯层4。
9)在步骤(8)所得样品的上表面利用化学气相沉积的方式生长第一MoS2层5，第一MoS2层5厚度为300nm。
10)在步骤(9)基础上按照与步骤(1)-(5)中制备第一电极层2类似的方法得到第二电极层6，并将金属接线盘部分滴上光刻胶保护起来。
11)在上述样品表面利用电子束蒸发、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积的方法镀一层SiO2、Si3N4或Al2O3作为介质层7，介质层7厚度为150nm。
12)在上述样品表面利用化学气相沉积的方式生长第二WSe2层8，第二WSe2层8厚度为5nm。
13)在上述样品的第二WSe2层8表面旋涂光刻胶，进行光刻并去除部分光刻胶。
14)利用电子束蒸发工艺在上述样品表面沉积一层金属层作为第三电极层9，第三电极层9厚度为10nm。
15)将上述样品使用丙酮浸泡，去除剩余的光刻胶。
16)在上述样品的第二WSe2层8表面利用化学气相沉积的方式生长第二MoS2层10，第二MoS2层10厚度为5nm，第二MoS2层10与第三电极层9不存在任何交叠的区域。
17)按照与步骤(13)-(15)中制备第一MoS2层5类似的方法，在步骤(16)所得样品的第二MoS2层10的上表面制备一层金属层作为第四电极层11，第四电极层11厚度为10nm；上述的第一电极层2～第四电极层11可以选自金、银、铂、铜等。
18)去除接线盘上的光刻胶，并引线封装。
实施例2
1)选择硅片、玻璃或PET塑料作为基底薄片1，清洗干净，在其表面旋涂光刻胶，通过光刻工艺，图1中电极位置的光刻胶被曝光后洗去，形成凹槽。
2)利用电子束蒸发工艺在上述样品表面沉积第一电极层2，其厚度为100nm。
3)将上述样品使用丙酮浸泡，去除剩下的光刻胶。
4)采用化学气相沉积法在一铜箔上制备石墨烯薄膜，其可为单层或数层，并转移至步骤(2)所得的第一电极层2的表面；其中石墨烯薄膜的转移方法为：将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中5h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到第一电极层2的表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4:HCl:H2O＝1g:5ml:5ml。
5)对步骤(4)中转移后的石墨烯薄膜光刻出与第一电极层2形状一致的电极图形：将光刻好的石墨烯薄膜放入反应离子刻蚀系统真空腔室，通入氧气对石墨烯薄膜进行刻蚀，获得第一电极层2上表面的石墨烯薄膜。
6)将样品右侧金属接线盘部分滴上光刻胶保护起来。
7)在上述样品的上表面利用化学气相沉积的方式生长出第一WSe2层3，第一WSe2层3厚度为300nm。
8)采用化学气相沉积法在一铜箔上生长一层石墨烯，并转移到步骤(7)中的WSe2上面形成石墨烯层4。
9)在步骤(8)所得样品的上表面利用化学气相沉积的方式生长第一MoS2层5，第一MoS2层5厚度为150nm。
10)在步骤(9)基础上按照与步骤(1)-(5)中制备第一电极层2类似的方法得到第二电极层6，并将金属接线盘部分滴上光刻胶保护起来。
11)在上述样品表面利用电子束蒸发、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积的方法镀一层SiO2、Si3N4或Al2O3作为介质层7，介质层7厚度为30nm。
12)在上述样品表面利用化学气相沉积的方式生长第二WSe2层8，第二WSe2层8厚度为100nm。
13)在上述样品的第二WSe2层8表面旋涂光刻胶，进行光刻并去除部分光刻胶。
14)利用电子束蒸发工艺在上述样品表面沉积一层金属层作为第三电极层9，第三电极层9厚度为90nm。
15)将上述样品使用丙酮浸泡，去除剩余的光刻胶。
16)在上述样品的第二WSe2层8表面利用化学气相沉积的方式生长第二MoS2层10，第二MoS2层10厚度为120nm，第二MoS2层10与第三电极层9不存在任何交叠的区域。
17)按照与步骤(13)-(15)中制备第一MoS2层5类似的方法，在步骤(16)所得样品的第二MoS2层10的上表面制备一层金属层作为第四电极层11，第四电极层11厚度为100nm；上述的第一电极层2～第四电极层11可以选自金、银、铂、铜等。
18)去除接线盘上的光刻胶，并引线封装。
实施例3
1)选择硅片、玻璃或PET塑料作为基底薄片1，清洗干净，在其表面旋涂光刻胶，通过光刻工艺，图1中电极位置的光刻胶被曝光后洗去，形成凹槽。
2)利用电子束蒸发工艺在上述样品表面沉积第一电极层2，其厚度为200nm。
3)将上述样品使用丙酮浸泡，去除剩下的光刻胶。
4)采用化学气相沉积法在一铜箔上制备石墨烯薄膜，其可为单层或数层，并转移至步骤(2)所得的第一电极层2的表面；其中石墨烯薄膜的转移方法为：将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4.5h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到第一电极层2的表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4:HCl:H2O＝1g:5ml:5ml。
5)对步骤(4)中转移后的石墨烯薄膜光刻出与第一电极层2形状一致的电极图形：将光刻好的石墨烯薄膜放入反应离子刻蚀系统真空腔室，通入氧气对石墨烯薄膜进行刻蚀，获得第一电极层2上表面的石墨烯薄膜。
6)将样品右侧金属接线盘部分滴上光刻胶保护起来。
7)在上述样品的上表面利用化学气相沉积的方式生长出第一WSe2层3，第一WSe2层3厚度为100nm。
8)采用化学气相沉积法在一铜箔上生长一层石墨烯，并转移到步骤(7)中的WSe2上面形成石墨烯层4。
9)在步骤(8)所得样品的上表面利用化学气相沉积的方式生长第一MoS2层5，第一MoS2层5厚度为5nm。
10)在步骤(9)基础上按照与步骤(1)-(5)中制备第一电极层2类似的方法得到第二电极层6，并将金属接线盘部分滴上光刻胶保护起来。
11)在上述样品表面利用电子束蒸发、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积的方法镀一层SiO2、Si3N4或Al2O3作为介质层7，介质层7厚度为200nm。
12)在上述样品表面利用化学气相沉积的方式生长第二WSe2层8，第二WSe2层8厚度为300nm。
13)在上述样品的第二WSe2层8表面旋涂光刻胶，进行光刻并去除部分光刻胶。
14)利用电子束蒸发工艺在上述样品表面沉积一层金属层作为第三电极层9，第三电极层9厚度为200nm。
15)将上述样品使用丙酮浸泡，去除剩余的光刻胶。
16)在上述样品的第二WSe2层8表面利用化学气相沉积的方式生长第二MoS2层10，第二MoS2层10厚度为300nm，第二MoS2层10与第三电极层9不存在任何交叠的区域。
17)按照与步骤(13)-(15)中制备第一MoS2层5类似的方法，在步骤(16)所得样品的第二MoS2层10的上表面制备一层金属层作为第四电极层11，第四电极层11厚度为200nm；上述的第一电极层2～第四电极层11可以选自金、银、铂、铜等。
18)去除接线盘上的光刻胶，并引线封装。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，包括基底薄片、第一电极层、第一WSe2层、石墨烯层、第一MoS2层、第二电极层、介质层、第二WSe2层、第三电极层、第二MoS2层和第四电极层，其中，
所述第一电极层设置在所述基底薄片的上表面上；
所述第一WSe2层同时铺设在所述基底薄片的上表面和所述第一电极层的上表面上，且所述第一电极层上表面包裹一层石墨烯薄膜；
所述石墨烯层设置在所述第一WSe2层的上表面上；
所述第一MoS2层设置在所述石墨烯层的上表面上，并且其上端具有缺口；
所述第二电极层设置在所述第一MoS2层的缺口处，两者之间设置有石墨烯薄膜，而且两者的上表面平齐；
所述介质层同时铺设在所述第一MoS2层和所述第二电极层的上表面上；
所述第二WSe2层设置在所述介质层的上表面上；
所述第三电极层和第二MoS2层并排设置在所述第二WSe2层的上表面上，并且两者之间存在间隙；
所述第四电极层设置在所述第二MoS2层的上表面上。
2.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述基底薄片为硅片、玻璃片、PET塑料片或PDMS片。
3.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述第一电极层～第四电极层的材料选自金、铂、银或铜，厚度分别为10-200nm。
4.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，第一WSe2层上表面的石墨烯层替换为黑磷层。
5.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述第一WSe2层和第二WSe2层的厚度分别为5-300nm。
6.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述第一MoS2层和第二MoS2层的厚度分别为5-300nm。
7.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述介质层的材料选自SiO2、Si3N4或Al2O3，其厚度为30-200nm。
8.一种双波段薄膜光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在基底薄片的上表面涂布光刻胶，然后采用光刻工艺去除部分光刻胶，以在基底薄片上为形成第一电极层预留位置；
2)通过镀膜工艺在步骤1)所预留的位置镀上第一电极层；
3)去除基底薄片上剩下的光刻胶；
4)在第一电极层的上表面覆盖石墨烯薄膜；
5)制备第一WSe2层，而且使第一WSe2层覆盖第一电极层的上表面和基底薄片的上表面；
6)采用化学气相沉积法在一铜箔上生长一层石墨烯，然后将这层石墨烯转移到第一WSe2的上表面上形成石墨烯层；
7)在石墨烯层上制备第一MoS2层，其中第一MoS2层的上端存在缺口；
8)在第一MoS2的缺口处的表面覆盖石墨烯薄膜，然后在缺口处的表面旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺去除部分光刻胶，在去除光刻胶的部位镀上第二电极层，并使第二电极层的上表面与第一MoS2层的上表面平齐；
9)利用磁控溅射工艺镀上一层介质层，并且介质层同时铺设在第二电极层和第一MoS2层的上表面；
10)在介质层的上表面制备第二WSe2层；
11)在第二WSe2层的上表面上制备第二MoS2层；
12)在第二WSe2层的上表面旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺去除部分光刻胶，在去除光刻胶的部位镀上第三电极层，并且使第三电极层与第二MoS2层之间存在间隙，然后再去除剩余的光刻胶；
13)在第二MoS2层的上表面旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺去除部分光刻胶，在去除光刻胶的部位镀上第四电极层，然后再去除剩余的光刻胶，从而形成所述双波段薄膜光探测器。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中第一电极层表面的石墨烯薄膜采用转移方法形成，转移的具体步骤如下：采用化学气相沉积的方法在一铜箔基底上制备石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4～5h以腐蚀去除铜箔基底，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；然后将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到第一电极层的表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀溶液由CuSO4和HCl分别加入水中形成，并且三者的比例为CuSO4：HCl：H2O＝1g：5ml：5ml。
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| CN101586985A (zh) * | 2008-05-23 | 2009-11-25 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 单片集成非制冷红外/紫外双色探测器及其制造方法 |
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