CN107611215A - 硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法 - Google Patents

硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法。该光电探测器由下至上依次层叠的硅材料层、绝缘介质层、二维半导体材料层和金属电极；绝缘介质层中心开有通孔，二维半导体材料通过通孔与硅材料形成异质结，通过结区电流变化检测外界光的变化。该光电检测器制备方法简单，其制备过程均与半导体工艺兼容，适合大规模工业生产；制得的光电检测器拥有硅基易集成的特点，结构简单，可控性强，同时具有光响应度高、响应速度快的特点，对可见光的响应度优于普通的硅光探测器件，光探测响应时间为微妙量级。

Description

硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法
技术领域
本发明属于二维半导体材料制备技术领域，具体涉及一种硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法。
背景技术
在光电子系统中，光探测器件是最重要最关键的部件之一。原则上所有对光响应的材料都可以被用于光电探测器，光电探测器包括真空光电探测器如光电管、光电倍增管等，这类光电器件是基于外光电效应制成的，即光照射到器件阴极，材料中电子吸收光能从而克服材料逸出逃离材料表面并在阳极被收集进而产生光电流的过程。这类器件受光面积较大，高频特性好，但同时体积庞大易破损且要求外部工作电压要及其稳定。与之相对的是光敏电阻、光电二极管这类光电探测器。这类光电探测器用到了材料的内光电效应。详细来说，当光入射到材料表面时，材料中电子吸收光能发生能级跃迁，从而改变材料的某种物理特性，通过对这类特性的检测可以反映光信号的信息。此类器件由于结构简单所以造价较低，且灵敏度高，特别是光电二极管响应时间一般在微秒量级。
基于以上特性，通信领域信号转换一般都用半导体光电探测器。硅光电二极管是现代最为成熟的半导体光探测器件，但由于硅禁带宽度(Eg)为1.1eV的特征，硅光电二极管的探测范围有限，且响应度不高。另外广泛用于光信号转化的磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)等材料与硅的晶格不匹配，要在硅上集成这类材料并制作器件难度很大。硫化钨这类二维半导体材料的出现改善了这一现状。二维半导体材料具有以下特征：(1)单层原子之间以共价键形式结合；(2)单层分子形成晶体结构；(3)原子层与层之间以范德华力结合，硫化后形成的硫化钨材料除了拥有二维半导体材料共有的特性，即表面无悬挂键，可以与几乎所有衬底材料复合外，还具有禁带宽度匹配于可见光的特点。现急需将硅材料与过渡金属硫化物结合，制备一种结构简单，适合大规模工业生产的高响应度光电探测器。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法，其结构简单，可控性强，具有响应度高和响应快的特点。
一种硅/二维半导体异质结型光电探测器，包括由下至上依次层叠的硅材料层、绝缘介质层、二维半导体材料层和金属电极；绝缘介质层中心开有通孔，二维半导体材料通过通孔与硅材料形成异质结。
进一步地，硅材料层为n掺杂或p掺杂，其与二维半导体材料层构成n-n结、p-p结或p-n结。
进一步地，绝缘介质层为二氧化硅等普通材料或三氧化二铝、氧化铪等高K材料。
进一步地，二维半导体材料层为过渡金属硫化物或硒化物。
进一步地，金属电极为与二维半导体材料层形成欧姆接触的材料。
进一步地，金属电极为Ti/Au电极，其中Ti层厚度为3-6nm，Au层厚度大于50nm。
上述硅/二维半导体异质结型光电探测器的制备方法，采用光刻技术在硅材料上制作胶块结构，再采用原子层沉积技术在胶块结构上沉积绝缘介质层，并用丙酮洗去残余光刻胶，制得中心开孔的绝缘介质层，通过开孔，使硅基材料与二维半导体材料形成异质结；
再通过热蒸发方式制备金属电极，将其附于二维半导体材料层上，制得硅/二维半导体异质结型光电探测器。
进一步地，绝缘介质层的制备方法为：利用光刻技术，在硅材料上制作胶块结构，再利用原子层沉积技术在胶块结构上沉积绝缘介质层，并用丙酮洗去残余光刻胶，制得中心开孔的绝缘介质层。
进一步地，二维半导体材料层的制备方为：
(1)在硅基底上磁控溅射一层2～5nm的金属薄膜，得镀膜基底；溅射条件为80～150W，通入氩气60～100sccm，溅射时间为20～40s；
(2)将镀膜基底置于管式炉中，在管式炉上端放置硫粉或硒粉后将管式炉气压降至0.1Pa，再通入氩气，对管式炉上端的硫粉或硒粉进行加热，加热温度为120～150℃，进行硫化或硒化反应，反应条件为600～700℃，150～200Pa，保持40～60min，得二维半导体材料层。
进一步地，步骤(1)中金属薄膜为钨膜或钼膜。
本发明的有益效果为：
1、过渡金属硫化物是一种新型的二维半导体材料，本发明利用该材料无表面态，可以与任何半导体材料形成异质结，即本发明制备光电探测器可以在任何衬底上完成，并且可以与衬底达到很好的接触。
2、采用本发明方法制备得到的光电探测器中，硅与二维半导体材料接触形成异质结，通过结区电流变化检测外界光的变化，该光电探测器制作工艺简单，对可见光的相应度优于普通的硅光探测器件，光探测响应时间达到8s左右，另外其拥有硅基易集成的特点，光探测效率较高。
3、本发明所得光电探测器结构简单，造价低廉；拥有两倍于纯硅光电探测器的光响应度，且易于与硅基芯片集成，同时，光电探测器的制备过程均与半导体工艺兼容，易于大规模生产，可以较大规模的应用在光成像与光探测领域。
附图说明
图1为光电探测器制备过程示意图；
图2为光电探测器不同面积不同形状光镜照片；
图3为不同厚度二维材料制备的光电探测器的光响应测试曲线图；其中a、b分别对应圆形与方形器件直径(边长)500m的光响应曲线图，圆形器件WS2厚度为2.3nm，方形器件二维材料厚度为4.5nm；
图4为光电探测器对不同光波长的响应曲线图；
图5为光电探测器对光波的响应时间测试曲线图；
图6为光电探测器光响应与入射光强度线性关系曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，该硅/二维半导体异质结型光电探测器，包括由下至上依次层叠的硅材料、绝缘介质层、二维半导体材料层和金属电极。
为使硅材料与二维半导体材料层相接触，形成异质结，绝缘介质层利用光刻技术完成，即在选好的硅基底上制作形状、面积可控的胶块结构(胶块位置就是后面异质结位置)，利用原子层沉积(ALD)技术制作绝缘介质层，并用丙酮洗去残余光刻胶，从而制得中心开有通孔的介质层结构；绝缘介质层开孔图案取决于光刻掩膜图案结构，材料种类取决于ALD源瓶材料；绝缘介质层选用二氧化硅(SiO2)等普通绝缘材料或三氧化二铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)等绝高K材料。
通过绝缘介质层中心部位的通孔，硅材料即可与二维半导体材料层接触，形成异质结；其中，硅材料为n掺杂或p掺杂，与二维半导体材料可构成n-n结、p-p结或p-n结。
同时，采用以下方法制备得到能与衬底很好接触的二维半导体材料层：
(1)以SiO2/Si为基底，以80sccm的流量通入Ar气，在140W的条件下，在其上利用射频磁控溅射的方式沉积一层厚度为2nm的金属钨薄膜，溅射时间为40s，得镀膜基底；
(2)将镀膜基底置于管式炉中，并在管式炉的前端放置200mg硫粉，再通过机械泵，将系统气压降至0.1Pa，以50sccm的流量通入氩气，控制管式炉内气压为180Pa，再通过外接加热装置，加热前端硫粉，加热温度为120℃，管式炉内加热镀膜基底30min，炉内温度由室温升至650℃，然后保持40min，管式炉内加热的同时，硫粉也在加热，一直持续到管式炉内温度保持时间结束，最后自然降温，再采用石墨烯量子点对硫化钨薄膜进行修饰，得具有2.3nm硫化钨薄膜的二维半导体材料。
另外，金属电极为环形结构，通过热蒸发方式制备金属电极，金属电极材料为能与二维半导体材料层形成欧姆接触的金属材料，优选金属电极为Ti/Au电极，其中Ti层厚度为3-6nm，Au层厚度大于50nm。
实施例2
如图1所示，该硅/二维半导体异质结型光电探测器，包括由下至上结合的硅材料、绝缘介质层、二维半导体材料层和金属电极。
为使硅材料与二维半导体材料层相接触，形成异质结，绝缘介质层利用光刻技术完成，即在选好的硅基底上制作形状、面积可控的胶块结构(胶块位置就是后面异质结位置)，利用原子层沉积(ALD)技术制作绝缘介质层，并用丙酮洗去残余光刻胶，从而制得中心开有通孔的介质层结构；绝缘介质层开孔图案取决于光刻掩膜图案结构，材料种类取决于ALD源瓶材料；绝缘介质层选用二氧化硅(SiO2)等普通绝缘材料或三氧化二铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)等高K材料。
通过绝缘介质层中心部位的通孔，硅材料即可与二维半导体材料层接触，形成异质结；其中，硅材料为n掺杂或p掺杂，与二维半导体材料层可构成n-n结、p-p结或p-n结。
同时，采用以下方法制备得到能与衬底很好接触的二维半导体材料层：
(1)以SiO2/Si为基底，以100sccm的流量通入Ar气，在150W的条件下，在其上利用射频磁控溅射的方式沉积一层厚度为4nm的金属钨薄膜，溅射时间为40s，得镀膜基底；
(2)镀膜基底置于管式炉中，并在管式炉的前端放置200mg硫粉，再通过机械泵，将系统气压降至0.1Pa，以50sccm的流量通入氩气，控制管式炉内气压为180Pa，再通过外接加热装置，加热前端硫粉，加热温度为120℃，管式炉内加热镀膜基底30min，炉内温度由室温升至650℃，然后保持40min，管式炉内加热的同时，硫粉也在加热，一直持续到管式炉内温度保持时间结束，最后自然降温，再采用石墨烯量子点对硫化钨薄膜进行修饰，得具有4.6nm硫化钨薄膜的二维半导体材料。
另外，金属电极为环形结构，通过热蒸发方式制备金属电极，金属电极材料为能与二维半导体材料层形成欧姆接触的金属材料，优选金属电极为Ti/Au电极，其中Ti层厚度为3-6nm，Au层厚度大于50nm。
图2为实施例1制备得到的不同大小、形状的光电探测器光镜照片。
图3本发明所制作的不同厚度二维材料制备的光电探测器的光响应测试曲线，可得本发明系异质结型光电探测器，整个器件相当于一个二极管，对应二极管在正向偏压下光照对电流影响可以小到忽略，反向偏压下电流随入射光强的增加而增加；其中a组为实施例1制备得到的二维半导体材料层，其硫化钨层2.3nm，为圆形器件，对650nm波长的光的响应度为1.21A/W；b组为实施例2制备得到的二维半导体材料层，其为方形器件，硫化钨层厚度为4.6nm，对波长为650nm的入射光响应度为0.77A/W。
图4为实施例1制备得到的光电探测器探测光波范围，其涵盖了从400nm到1000nm的广阔波段，几乎包括所有常用的可见、红外波段，并且通过石墨烯量子点的修饰可以显著增加其光响应。
图5为实施例1制备得到的光电探测器对光波的响应时间测试曲线图，根据图5可知，其响应时间既由电流的10％上升至90％所用的时间为8μs。
图6为实施例1制备得到的光电探测器光响应与入射光强度线性关系曲线，根据图6可知，光响应与入射光功率呈现良好的线性关系。

Claims (10)

1.一种硅/二维半导体异质结型光电探测器，其特征在于，包括由下至上依次层叠的硅材料层、绝缘介质层、二维半导体材料层和金属电极；所述绝缘介质层中心开有通孔，二维半导体材料通过通孔与硅材料形成异质结。
2.根据权利要求1所述的硅/二维半导体异质结型光电探测器，其特征在于，所述硅材料层为n掺杂或p掺杂，其与二维半导体材料层构成n-n结、p-p结或p-n结。
3.根据权利要求1所述的硅/二维半导体异质结型光电探测器，其特征在于，所述绝缘介质层为二氧化硅、三氧化二铝或氧化铪。
4.根据权利要求1所述的硅/二维半导体异质结型光电探测器，其特征在于，所述二维半导体材料层为过渡金属硫化物或硒化物。
5.根据权利要求1所述的硅/二维半导体异质结型光电探测器，其特征在于，所述金属电极为与二维半导体材料层形成欧姆接触的材料。
6.根据权利要求5所述的硅/二维半导体异质结型光电探测器，其特征在于，所述金属电极为Ti/Au电极，其中Ti层厚度为3-6nm，Au层厚度大于50nm。
7.权利要求1～6任一项所述的硅/二维半导体异质结型光电探测器的制备方法，其特征在于：
采用光刻技术在硅材料上制作胶块结构，再采用原子层沉积技术在胶块结构上沉积绝缘介质层，并用丙酮洗去残余光刻胶，制得中心开孔的绝缘介质层，通过开孔，使硅材料与二维半导体材料形成异质结；
再通过热蒸发方式制备金属电极，将其附于二维半导体材料层上，制得硅/二维半导体异质结型光电探测器。
8.根据权利要求7所述的硅/二维半导体异质结型光电探测器的制备方法，其特征在于，所述绝缘介质层的制备方法为：利用光刻技术，在硅材料上制作胶块结构，再利用原子层沉积技术在胶块结构上沉积绝缘介质层，并用丙酮洗去残余光刻胶，制得中心开孔的绝缘介质层。
9.根据权利要求7所述的硅/二维半导体异质结型光电探测器的制备方法，其特征在于，所述二维半导体材料层的制备方为：
(1)在硅基底上磁控溅射一层2～5nm的金属薄膜，得镀膜基底；溅射条件为80～150W，通入氩气60～100sccm，溅射时间为20～40s；
(2)将镀膜基底置于管式炉中，在管式炉上端放置硫粉或硒粉后将管式炉气压降至0.1Pa，再通入氩气，对管式炉上端的硫粉或硒粉进行加热，加热温度为120～150℃，进行硫化或硒化反应，反应条件为600～700℃，150～200Pa，保持40～60min，得二维半导体材料层。
10.根据权利要求9所述的硅/二维半导体异质结型光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属薄膜为钨膜或钼膜。
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