CN107221575B - 基于二维材料垂直肖特基结近红外探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二维材料垂直肖特基结近红外探测器及制备方法。器件制备步骤是将二硫化钼大片晶体运用机械剥离的方法，通过胶带转移到PDMS,然后利用定点转移技术，把PDMS上的二硫化钼转移到金底电极的正上方，然后使用电子束曝光和磁控溅射等工艺制作ITO顶电极，制备成具有垂直结构的二维材料近红外探测器。利用二硫化钼和金形成的肖特基结，从而显著降低了探测器的暗电流和加速光生载流子的分离来增强了器件的响应速度，大幅提高了器件的零偏压的情况下信噪比和探测能力。二硫化钼垂直肖特基结近红外探测器在近红外及可见光波段均显示了超高的探测能力。本发明的优点是响应速度快，暗电流低和功耗小。
Description
技术领域
本发明设计了一种基于二硫化钼和金垂直肖特基结的近红外探测器和相关的测试方法，具体是指利用这种独特的垂直肖特基结构，在不影响光照入射的情况下，通过金和二硫化钼形成的肖特基结来抑制沟道中因缺陷热电离产生的本征载流子，从而大大降低探测器在零偏压的暗电流，加速光生载流子的分离效率，提高器件的信噪比和探测能力。
背景技术
二维材料由于独特的层状结构，从而在光、电、磁等物理化学领域具有一系列的奇特现象，引起了研究者们的广泛关注，被认为是发展下一代纳米光电器件的潜力候选者，成为当今纳米材料研究领域的热门前沿。其中二硫化钼(MoS2)作为典型的二维材料，层与层之间通过范德瓦尔斯力连接；带隙随着层数的减少可由多层的间接带隙(1.2eV)变为单层的直接带隙(1.8eV)。其高迁移率(184cm2·V-1·s-1)和高响应率(2570A/W)可作为高速电子器件、光电子器件和光电探测器等诸多技术领域的潜力取代者(Nano Letter 13100-105(2013).Advanced Materials 27 6575(2015))。
然而，基于MoS2的光电探测器因其丰富的表面态和晶格缺陷会产生高的本征载流子浓度，在一定程度上导致器件具有较大的暗电流并且降低器件的响应速度，从而严重影响了器件的光探测性能。因此，迫切需要研究一种独特的器件结构来降低暗电流，提高器件的响应速度从而提高器件的信噪比和探测能力。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于MoS2垂直肖特基结的近红外探测器及其制备方法。该方法是利用金的高功函数和MoS2形成肖特基结光电二极管。利用肖特基结的负向整流，来抑制MoS2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的暗电流，另外一方面MoS2和金形成的内建电场能提高光生电子和空穴对的分离，同时提高了器件的信噪比和响应速度。
发明内容
本发明提供了基于二硫化钼垂直肖特基结的近红外探测器及其制备方法。该探测器利用二硫化钼和金形成的肖特基结来抑制沟道中的本征载流子降低暗电流，同时加快光生电子和空穴的分离，大幅提高了探测器的灵敏度和响应速度。
所述的探测器的结构：带有SiO2氧化层的P型Si衬底1、在SiO2氧化层制作金底电极2，金底电极正上方是通过定点转移的二硫化钼层3、在二硫化钼的正上方是ITO的顶电极4，并且保证ITO顶电极和金底电极没有接触区域；
所述的P型Si衬底1是硼重掺杂，SiO2氧化层厚度是300nm，电阻率小于0.05Ω·cm；
所述的底电极2是Cr和Au，厚度分别是15和50nm，并且金和二硫化钼直接接触；
所述的二硫化钼层3的的厚度是50～100nm,长宽分别是20～50um；
所述的顶电极4是ITO，厚度是100～200nm；
本发明提供了一种基于二硫化钼垂直肖特基结的近红外探测器的制备方法步骤如下：
1.利用电子束曝光EBL技术，热蒸镀和剥离等技术沉积铬和金作为底电极；
2.采用机械剥离的方法将胶带上的二硫化钼转移到PDMS上，然后通过定点转移的设备，在PDMS上挑选合适厚度的样品转移到金底电极的正上方，样品的厚度可以通过二硫化钼在硅片上的反射光初步确定，最后通过Raman,AFM和SEM来确定材料的微观形貌和准确的厚度。
3.利用电子束曝光EBL技术，磁控溅射和剥离等技术在预先转移的二硫化钼的正上方准确定位沉积ITO的顶电极，从而制备成具有垂直肖特基结的MoS2近红外探测器。
二硫化钼因缺陷或非故意性掺杂引入高的热激发本征载流子浓度，在一定的偏压下，这些本征载流子被电极收集形成较大的沟道电流即暗电流。光照下，当入射光子的能量大于二硫化钼的禁带宽度时，产生的光生电子-空穴对在外加偏压下分离，从会形成光生电流，此时收集的电流为暗电流与光生电流的总和。引入垂直肖特基结光电二极管，利用肖特基的负向整流来抑制沟道中因缺陷或非故意性的掺杂所产生的本征载流子，使得探测器的暗电流能降至pA，达到抑制暗电流的目的。同时光生电子和空穴在肖特基结的内建电场下快速分离，提高器件的响应速速。由于垂直的肖特基势垒的存在，光照下的沟道电流主要是由光生电子和空穴所产生的光生电流形成，暗电流得到了有效的抑制，并且产生的光生电子和空穴可以快速的分离，从而大大提高了器件的信噪比和响应速度。
本发明专利的优点在于：
本发利用金和二硫化钼形成的垂直肖特基结来抑制沟道中因缺陷或非故意性的掺杂产生的本征载流子，从而大大降低了探测器的暗电流并且加速光生电子和空穴的分离，提高了器件的信噪比和响应速度。基于该方法，二硫化钼形成的垂直肖特基结近红外探测器的响应速度上升沿64μs，下降沿51μs，暗电流可以到10-12A,响应率和探测率可以稳定的保持在～1A/W和～1010Jones。
附图说明
图1是基于二硫化钼垂直肖特基结近红外探测器的结构示意图。
图1中：1Si衬底，2金底电极，3多层二硫化钼，4ITO顶电极。
图2是垂直肖特基近红外探测器在零偏压下光照前后的能带图。图2(a)是光照前的能带图，图2(b)是光照后的能带图。
图3是垂直肖特基近红外探测器分别在无光和有光照下的输出特性曲线。
图4是垂直肖特基近红外探测器在不同入射光功率下的响应率和探测率。图4(a)是响应率，图4(b)探测率
图5是垂直肖特基近红外探测器的响应速度曲线。图5(a)是上升沿的时间，图5(b)是下降沿时间。
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：
本发明研制了垂直肖特基近红外探测器。通过金和二硫化钼形成的肖特基结来抑制二硫化钼沟道中的本征载流子，从而大大降低了探测器的暗电流并且加速光生电子和空穴的提高了器件的探测性能。
具体步骤如下：
1.选用重掺杂p型硅做为衬底，电阻率小于0.05Ω·cm，SiO2氧化层厚度是300nm；
2.利用DesignCAD2000软件设计制备底电极的图形，用匀胶机先后旋涂MMA和PMMA并150度烘干时间分别大于1分钟和5分钟；利用电子束曝光(扫描电镜JEOL 6510与微图形发生系统NPGS的组装)，对电极图形进行精准定位曝光，然后显影；利用热蒸发技术制备金属电极，铬15纳米，金50纳米；结合传统的剥离方法，剥离金属膜，获得金底电极，电极引出线宽度为10μm。
3.用胶带将过渡金属硫族化合物MoS2晶体机械剥离，然后把其转移到PDMS的衬底上。
4.利用定点转移设备上的显微镜，在PDMS衬底上通过颜色对比选取合适厚度范围内的多层二硫化钼的原材料。然后运用定点转移技术把PDMS上的二硫化钼转到金底电极的正上方，转移的误差范围小于2μm。
5.在硅片上用显微镜寻找与金底电极正上方类似反射光的二硫化钼原材料，并且利用原子力显微镜(AFM)，Raman光谱和扫描电子显微镜(SEM，JEOL6510)准确的确定特定二硫化钼的厚度和微观形貌，避免表征对材料的损伤。
6.利用DesignCAD2000软件设计出电子束曝光的顶电极的图形；用匀胶机先后旋涂光刻胶MMA和PMMA并150度烘干时间分别大于1分钟和5分钟；利用电子束曝光(扫描电镜JEOL 6510与微图形发生系统NPGS的组装)，对电极图形进行精准定位，在二硫化钼正上方的曝光，然后显影；利用磁控溅射生长透明电极ITO，生长时间半小时，温度为100度；生长完毕后，在丙酮中进行ITO的剥离，形成垂直肖特基结的可见光到近红外探测器。
7.图1是器件结构示意图。
8.图2是探测器在零偏下光照前后下的能带图。其中，图2a是光照前的能带图，MoS2中因缺陷或非故意掺杂的本征载流子被金属和二硫化钼形成的肖特基结所抑制，探测器在零偏压附近形成极小的暗电流；而图2b在光照情况下，当入射光子的能量大于MoS2的禁带宽度时，价带的电子激发到导带并且在肖特基内建电场区域内快速分离形成光生电动势同时驱动外电路形成较大的光电流。
9.图3是探测器分别在无光和有光照下的输出特性曲线。光照前，由于金和二硫化钼形成良好的肖特基势垒，抑制了探测器的暗电流，使器件的暗电流在零偏下可以达到10-12A。光照后，肖特基势垒形成的光生电动势驱动外电路从而得到极大的光电流，光开关比Iph与Idark之比达106，信噪比得到大大地提高。
10.图4是光电探测器在不同入射光功率下的响应率和探测率的曲线。图4(a)是光电探测器在不同入射光功率下的响应率。入射光的波长为637nm,光功率由3.38mW/mm2衰减到0.00338mW/mm2跨度3个数量级，响应率符合理想光电二极管的特性保持不变达到～1A/W；如图4(b)是由公式D*＝RA1/2/(2eI)1/2得到探测率，维持在～1010Jones。
11.图5是垂直肖特基结近红外探测器的响应速度曲线。上升沿的时间定义为光电流从百分十增加到百分之九十，下降沿的时间定义为光电流从百分九十减少到百分之十。图5(a)和图5(b)是探测器上升沿的时间64μs，下降沿时间51μs；这打破了以前二硫化钼光电探测器毫秒级别的响应速度。这要归功于较短的垂直沟道，缩短了载流子的渡越时间和载流子能在肖特基的内建电场区域内快速的分离。同时二硫化钼垂直肖特基结近红外探测器显示了超高的光响应性能，相应的波长可以到1000nm。
二硫化钼垂直肖特基结近红外探测器(厚度50nm)光电探测器在波段(λ＝637nm)的响应速度上升沿42μs；
二硫化钼垂直肖特基结近红外探测器(厚度70nm)光电探测器在波段(λ＝637nm)的响应速度上升沿51μs；
二硫化钼垂直肖特基结近红外探测器(厚度90nm)光电探测器在波段(λ＝637nm)的响应速度上升沿64μs。
结果说明本发明提供的利用肖特基结结构作为光电探测器来降低暗电流、提高器件的信噪比和响应速度的方法是合理的、有效的。
Claims (2)
1.一种基于二维材料垂直肖特基结的近红外探测器，其特征在于：
所述的探测器的结构为：带有SiO2氧化层的P型Si衬底(1)、在SiO2氧化层制作金底电极(2)，金底电极正上方是通过定点转移的二硫化钼层(3)、在二硫化钼的正上方是ITO的顶电极(4)，并且保证ITO顶电极和金底电极没有接触区域；
所述的P型Si衬底(1)是硼重掺杂，SiO2氧化层厚度是300nm，电阻率小于0.05Ω·cm；
所述的底电极(2)是Cr和Au，厚度分别是15和50nm，并且金和二硫化钼直接接触；
所述的二硫化钼层(3)的的厚度是50～100nm,长宽分别是20～50um；
所述的顶电极(4)是ITO，厚度是100～200nm。
2.一种制备如权利要求1所述的二维材料垂直肖特基结的近红外探测器的方法，其特征在于方法步骤如下：
1).利用电子束曝光EBL技术，热蒸镀和剥离技术沉积铬和金作为底电极；
2).采用机械剥离的方法将胶带上的二硫化钼转移到PDMS上，然后通过定点转移的设备，在PDMS上挑选合适厚度的样品转移到金底电极的正上方，样品的厚度通过二硫化钼在硅片上的反射光初步确定，最后通过Raman,AFM和SEM来确定材料的微观形貌和准确的厚度；
3).利用电子束曝光EBL技术，磁控溅射和剥离技术在预先转移的二硫化钼的正上方准确定位沉积ITO的顶电极，从而制备成具有垂直肖特基结的MoS2近红外探测器。
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