CN107527968A - 一种石墨烯‑二硫化钼侧向异质结光电探测器结构 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯‑二硫化钼侧向异质结光电探测器结构，属于光电探测技术领域。光电探测器至少包括硅/二氧化硅衬底，薄层石墨烯材料以及薄层二硫化钼材料组成的沟道材料，还包括必要的金属电极及电极黏附层。在硅衬底上为二氧化硅层，二氧化硅层上为石墨烯‑二硫化钼异质结，其中石墨烯‑二硫化钼异质结中石墨烯和二硫化钼并行在二氧化硅层上，一侧为石墨烯一侧为二硫化钼，形成侧向连接石墨烯‑二硫化钼结型二维材料；在石墨烯和二硫化钼上分别通过电极黏附层粘结有金属电极，形成源漏电极。石墨烯‑二硫化钼侧向异质结光电探测器具有良好整流及光电特性。
Description
技术领域
一种基于石墨烯-二硫化钼侧向异质结的光电探测器结构，减小了沟道材料制备难度，具有高整流比以及高栅压开关调控比，及与硅探测器相比较高响应度的侧向异质结光电探测器，属于光电探测技术领域。
背景技术
当代社会，微电子、半导体领域最根基的就是集成电路，而集成电路的组成基础又是PN结。以石墨烯为代表的二维材料的发现，开启了一个新型的微电子领域的科研道路，就是二维材料在微电子领域的应用。二维材料由于Z方向相对于其他两个方向的长度可以忽略不计，因此，不受短沟道效应的影响，成为未来电子器件微小化发展的一个有希望的突破点。由于单独的二维材料在某些场合可能会受到一定的约束和限制，比如石墨烯虽然具有较高的载流子迁移率，但是其零带隙的特点却制约了其在微电子领域的发展，无法利用栅压的调控进行电学上开关的调控；又比如石墨烯虽然因为零带隙而具有理论上高达25um的光谱响应范围，但是由于吸光率只有2.3％，因此，极大的限制了其对光的响应程度。因此，异质结探测器的出现成为了必然。类比于传统块体材料，二维材料的异质结器件也具有单独材料所不具有的一些独特优势。而如今处于科研起步阶段的二维材料异质结探测器，器件结构以及制备工艺等都尚不成熟。传统的器件结构一般采用多种材料转移堆叠的方法来获得器件的沟道有源层，由于所述的材料、器件都是微纳级别的，因此，就会带来很大的操作难度，延长制备器件的周期，并且成功率较低，由于制备工艺的影响，器件的结构没有达到最优化的情况下，所展现的光电性能也会受到影响。
发明内容
本发明的目的是公开一种所述的侧向异质结光电探测器结构，其能产生的光、电性能较为良好，并且器件制备难度相对较低，制备周期相对较短，适合大规模制备，量化生产。
一种石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器结构，所述光电探测器至少包括硅/二氧化硅衬底(硅为高掺杂硅)，薄层石墨烯材料以及薄层二硫化钼材料组成的沟道材料，还包括必要的金属电极及电极黏附层。在硅衬底上为二氧化硅层，二氧化硅层上为石墨烯-二硫化钼异质结，其中石墨烯-二硫化钼异质结中石墨烯和二硫化钼并行在二氧化硅层上，一侧为石墨烯一侧为二硫化钼，形成侧向连接石墨烯-二硫化钼结型二维材料；在石墨烯和二硫化钼上分别通过电极黏附层粘结有金属电极，形成源漏电极。
所述硅衬底，二氧化硅层为垂直堆叠结构，二氧化硅层为栅极介质层。
在上述硅/二氧化硅衬底上，沟道材料为通过先制备石墨烯再制备二硫化钼的方法形成的侧向连接石墨烯-二硫化钼结型二维材料。
探测器的源漏电极分别压在石墨烯材料上和二硫化钼材料上面。
优选的，前述的二氧化硅层为在衬底上原位热氧化所得，厚度为280～300nm。
优选的，源漏电极之间的沟道材料线宽为5～12μm。
优选的，金属电极均为具有高功函数的金电极，电极黏附层为5～10nm的Ti粘附层。
本发明中侧向异质结结构的制备工艺顺序具体有以下步骤：
(1)，用丙酮、异丙醇、去离子水等清洗具有原位热氧化层的硅衬底；
(2)，利用机械剥离的办法，在硅衬底上获得二维石墨烯材料，二维石墨烯材料为5层以下；
(3)，利用CVD法在前述具有薄层石墨烯的硅衬底上原位生长异质结中的另一组成部分二硫化钼；所长出的二硫化钼，是以石墨烯边缘为形核点，随时间变化而侧向长成异质结材料。
(4)，采用包括旋涂光刻胶、紫外曝光、显影等的工艺获得探测器电极图案；
(5)，通过电子束蒸镀实现5～10nm厚的Ti粘附层以及高功函数的金电极的沉积并进行lift-off工艺，获得所述侧向异质结探测器。
进一步优选步骤中(1)中还包括氧等离子体对衬底表面的亲水性处理过程。
上述制备方法中长出的二硫化钼后形成所述的异质结为两种材料侧向无缝连接的异质结，并非垂直叠加的异质结。
本发明的石墨烯-二硫化钼侧向异质结构探测器的有益效果如下：
本发明中的侧向异质结探测器件结构，具有很好的整流特性，具有较大的正反向电流开关比，以及较大的栅压调控电流开关比，还具有与传统硅探测器相比较高的光响应度，综合利用石墨烯的高迁移率以及二硫化钼的吸光特性。
本发明中的异质结材料直接在硅/二氧化硅层衬底上原位制备，方法简易，但是具有创新性，沟道材料制备时间周期短。与转移制备异质结探测器沟道材料的方法相比，可以获得更加洁净的界面，免去了转移过程带来的机械应力以及人为操作损伤，并且缩短了制备的周期，降低了制备难度。
本发明所述的探测器性能良好，结构简易，有希望进行大规模阵列制备，量化生产。
附图说明
图1为石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器的结构示意图
图2为石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器的电路接线以及光探测示意图
附图中的标记：1-重掺杂的硅衬底；2-原位热氧化的二氧化硅层；3-薄层石墨烯材料；4-薄层二硫化钼材料；5-探测器沟道；6-金属电极；7-金属电极的Ti粘附层；8-光照入射示意。
图3为石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器在正反偏置下的开关测试图
图4为石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器转移曲线测试图
图5为石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器光电流开关测试图
具体实施方式
下面结合附图以及实施例，对本发明的具体实施方式进行进一步详细说明。
实施例1：
图1所示为本发明中所述的石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器的结构示意图。所述光电探测器至少包括硅1/二氧化硅衬底2(硅为高掺杂硅)，薄层石墨烯材料3以及薄层二硫化钼材料4组成的异质结沟道材料5，还包括必要的金属电极6及电极粘附层7。所述的硅1/二氧化硅2衬底厚度约为400微米，其中热氧化层2的厚度为285～290nm。在制备石墨烯材料3之前，所述的衬底要用常规的硅衬底清洗方法进行衬底表面洁净处理，并且进行氧等离子体表面处理进行亲水化。所述的薄层石墨烯材料3通过机械剥离法获得，使用思高隐形胶带，将高定向热解石墨薄片贴伏于胶带上并轻轻按压，随后将胶带对折覆盖石墨薄片另外一面，撕开，重复进行10～12次即可，将清洗完成的硅1/二氧化硅2衬底氧化层那一面贴合于撕完的胶带上进行按压，使胶带将石墨紧紧贴合在衬底表面。然后，要将前述贴合物置于恒温加热板加热数分钟，取下凉至室温，撕下胶带。所述二硫化钼材料4的制备：在上述制备好石墨烯材料3的前提下，将上述衬底置于化学气相沉积反应炉的高温区，利用CVD快速生长法调整好硫源和钼源的位置，从而获得沿着石墨烯边缘侧向外延长大的二维层状二硫化钼材料，形成异质结沟道5。通过施以光学照射，即可对外来光源产生响应。所述的带有粘附层7的高功函数金电极6分别沉积于石墨烯材料3和二硫化钼材料4之上，分别通过标准光刻工艺、显影工艺、电子束蒸镀工艺、Lift-off工艺获得最终的侧向异质结光电探测器。将前述探测器外接引线，源表等装置，即可进行电学性能测试提取。衬底中的硅1层由于是重掺杂型，能够实现背栅电压施加的作用，从而实现对石墨烯3以及二硫化钼4费米能级的调控。
图2所示为本发明中石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器的电路接线以及光探测示意图。以二硫化钼端的金电极6为源极Source，石墨烯端的金电极6为漏极Drain，其中源极为接地端，以衬底的高掺杂硅层1为背栅极电极Gate。所述的探测器的光敏探测区域为沟道材料34区域，光束照射区域也为上述区域。
按上述探测器的电路接线示意图的方法，外接到具有输入、输出信号及源表于一体半导体参数分析仪B1500A。首先在暗态下，漏极端加以从负压到正压逐点步进的规律变化的电压信号，测试探测器的电学特性，获得正向与反向的电流值，得到较大整流比的特性，见附图，可达105。在前述同等条件下，施加从负到正不同的栅极电压，证明探测器在栅压变化下具有调控能力，可达106。随后在暗态下，漏极端加以恒定的电压，测试探测器通过沟道的电流随着栅极电压的从负到正的变化的实时数据，获得探测器的转移特性曲线，得到较大的栅压调控的开关比特性。在具有恒定的源漏间电压降的的情况下，根据器件在暗态和打开光照的条件下的电流差值，获得在特定波长及光功率入射条件下的光电流值，进而算得光响应率，偏压为5V时光响应度可以达到约100A/W。
实施例中的石墨烯材料为2～3层，二硫化钼为单层。
本发明中的侧向异质结探测器实施例仅用于说明本发明的探测器结构的优势特点，不用来限制本发明的范围。
本发明较为巧妙地制备了具有较好光电特性的异质结探测器件，对二维材料在半导体微电子领域的应用拓展了新的思路。
Claims (9)
1.一种石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器结构，其特征在于，所述光电探测器至少包括硅/二氧化硅衬底，薄层石墨烯材料以及薄层二硫化钼材料组成的沟道材料，还包括必要的金属电极及电极黏附层。在硅衬底上为二氧化硅层，二氧化硅层上为石墨烯-二硫化钼异质结，其中石墨烯-二硫化钼异质结中石墨烯和二硫化钼并行在二氧化硅层上，一侧为石墨烯一侧为二硫化钼，形成侧向连接石墨烯-二硫化钼结型二维材料；在石墨烯和二硫化钼上分别通过电极黏附层粘结有金属电极，形成源漏电极。
2.按照权利要求1所述的一种石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器结构，其特征在于，二氧化硅层为垂直堆叠结构，二氧化硅层为栅极介质层。
3.按照权利要求1所述的一种石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器结构，其特征在于，在上述硅/二氧化硅衬底上，沟道材料为通过先制备石墨烯再制备二硫化钼的方法形成的侧向连接石墨烯-二硫化钼结型二维材料。
4.按照权利要求1所述的一种石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器结构，其特征在于，二氧化硅层为在衬底上原位热氧化所得，厚度为280～300nm。
5.按照权利要求1所述的一种石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器结构，其特征在于，源漏电极之间的沟道材料线宽为5～12μm。
6.按照权利要求1所述的一种石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器结构，其特征在于，金属电极均为具有高功函数的金电极，电极黏附层为5～10nm的Ti粘附层。
7.权利要求1-6任一项所述的石墨烯-二硫化钼侧向异质结光电探测器结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)，用丙酮、异丙醇、去离子水等清洗具有原位热氧化层的硅衬底；
(2)，利用机械剥离的办法，在硅衬底上获得二维石墨烯材料，二维石墨烯材料为5层以下；
(3)，利用CVD法在前述具有薄层石墨烯的硅衬底上原位生长异质结中的另一组成部分二硫化钼；所长出的二硫化钼，是以石墨烯边缘为形核点，随时间变化而侧向长成异质结材料。
(4)，采用包括旋涂光刻胶、紫外曝光、显影等的工艺获得探测器电极图案；
(5)，通过电子束蒸镀实现5～10nm厚的Ti粘附层以及高功函数的金电极的沉积并进行lift-off工艺，获得所述侧向异质结探测器。
8.按照权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤中(1)中还包括氧等离子体对衬底表面的亲水性处理过程。
9.按照权利要求7所述的制备方法，其特征在于，长出的二硫化钼后形成所述的异质结为两种材料侧向无缝连接的异质结，并非垂直叠加的异质结。
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