CN108987525A - 一种msm光电探测器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MSM光电探测器及其制作方法，该MSM光电探测器包括衬底以及设置在衬底上的二维半导体材料薄片和两个金属电极，所述二维半导体材料薄片的厚度均匀且具有不对称的几何结构，所述两个金属电极相对地设置在二维半导体材料薄片的两个边缘上，且两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同。本发明的MSM光电探测器具有自驱动的功能、较低的探测极限以及较高可靠性，而且本探测器结构优良，制作工艺简单，生产成本低，可广泛应用于半导体行业中。

Description

一种MSM光电探测器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件及制造领域，特别是涉及一种不对称结构的MSM光电探测器及其制作方法。

背景技术

光电探测器是一类重要的光电传感器，在工业、国防、医学以及日常生活中有着广泛的应用。在我们的日常生活与研究中出现的大量光电探测器中，每种光电探测器都必须针对特定应用场合的要求。在过去的几年中，新兴的二维层状材料给光电探测器的研究指出了新的方向。不同的二维材料通常具有不同的带隙，因此几乎涵盖了目前所有不能通过传统的半导体材料来实现探测的波长范围。二维材料每一层的光吸收比传统材料硅高出一个数量级，因此利用很薄的二维材料就可以得到较大的光学吸收实现有效的光电探测器。此外，二维材料光电探测器与当前半导体制造工艺兼容，使其具有替代传统光电探测器的潜力。

早期的基于二维材料的光电探测器使用了具有不同二维材料(如石墨烯，MoS₂，WSe₂等)作为沟道、硅衬底作为背栅场效应晶体管的结构。石墨烯光电探测器虽然在红外区域具有高响应度的优点，但是石墨烯的零带隙能带结构带来的较大暗电流限制了石墨烯光电探测器的探测能力。另一方面，由于金属电极和半导体材料之间的肖特基势垒较大，基于过渡金属二硫族化合物(TMD)和黑磷等二维半导体材料实现的光电探测器具有低暗电流的优点，不过这类探测器需要电源提供偏置才能产生光电流。对于许多应用环境，如无线传感器网络的室外环境感应、可穿戴医疗监控等，不可能为每个设备提供电源或者无法频繁替换电源，因此只有自驱动或超低功率光电检测器才能满足这些类型的应用。

目前技术中，已经提出了各种器件结构来实现自驱动光电探测器。由于光伏效应，PN结是最受关注的一种，它可以在没有外部偏压的情况下获得一定光电流，而且暗电流比较小。现有技术采用一些化学物质通过高温处理来进行二维材料的掺杂，或者通过基于不同二维半导体材料的异质结来制造含有PN结的光电探测器，但是，这两种技术均存在制作工艺复杂、无法大批量制作等问题，因此总的来说，目前光电探测器存在的可靠性低、成本高、暗电流高以及无法自驱动的问题，仍然无法解决。

名词解释：

MSM：全称metal-semiconductor-metal，金属-半导体-金属。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种MSM光电探测器及其制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种MSM光电探测器，包括衬底以及设置在衬底上的二维半导体材料薄片和两个金属电极，所述二维半导体材料薄片的厚度均匀且具有不对称的几何结构，所述两个金属电极相对地设置在二维半导体材料薄片的两个边缘上，且两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同。

进一步，所述衬底采用的材料为SiO₂、Si、玻璃、GaN或SiC。

进一步，所述二维半导体材料薄片采用过渡金属二硫化物半导体材料或单元素半导体材料，所述过渡金属二硫化物半导体材料包括MoS₂、WSe₂、MoSe₂和/或WS₂，所述单元素半导体材料包括石墨烯、黑磷和/或硅烯。

进一步，所述两个金属电极采用相同的金属材料构成，且所述两个金属电极与半导体材料薄片之间的接触处形成肖特基势垒。

进一步，所述金属材料采用Ti、Cr、Cu、Au、Pt、Pd和Sc中的至少一种。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种MSM光电探测器的制作方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上制备厚度均匀的二维半导体材料；

S2、对二维半导体材料进行加工，形成呈不对称几何结构的薄片；

S3、在二维半导体材料薄片的两侧制备金属电极，形成MSM光电探测器；其中，两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同；

S4、在形成的MSM光电探测器上制备钝化层。

进一步，所述步骤S1中，所述二维半导体材料通过机械剥离法或化学气相淀积法制备获得，且二维半导体材料的层数为1-100层。

进一步，所述步骤S2中，通过以下方式对二维半导体材料进行加工：

采用光刻和反应离子刻蚀技术，去除多余的二维半导体材料，使其形成不对称几何结构的薄片。

进一步，所述步骤S3中，通过电子束蒸发方法或溅射方法将两个金属电极沉积在衬底上。

进一步，所述步骤S4，其具体为：

采用稳定性钝化材料，使用等离子体化学气相淀积方法或旋涂方法在形成的MSM光电探测器上制备钝化层。

本发明的有益效果是：本发明所获得的MSM光电探测器，具有自驱动的功能、较低的探测极限以及较高可靠性，而且本探测器结构优良，制作工艺简单，生产成本低。

附图说明

图1是本发明的MSM光电探测器的一具体实施例的俯视图；

图2是本发明的MSM光电探测器的一具体实施例的剖视图；

图3是本发明的MSM光电探测器的一具体实施例的光学照片；

图4是本发明的MSM光电探测器的一具体实施例中制备的二维半导体材料薄片的厚度测试图；

图5是本发明的MSM光电探测器的输出曲线示意图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明提供了一种MSM光电探测器，包括衬底101以及设置在衬底101上的二维半导体材料薄片103和两个金属电极104，所述二维半导体材料薄片103的厚度均匀且具有不对称的几何结构，所述两个金属电极104相对地设置在二维半导体材料薄片103的两个边缘上，且两个金属电极104与二维半导体材料薄片103的接触长度不同。

本发明中，二维半导体材料薄片103的厚度均匀是指各处厚度相等，偏差不超过1％。

本实施例中，衬底101上还设有用于保护衬底101的绝缘介质层102，因此图1的俯视图中，二维半导体材料薄片103设置在绝缘介质层102上。本实施例中，二维半导体材料薄片103的不对称几何结构可以采用各种不对称结构，包括规则结构、不规则结构等，例如可以采用不对称的多边形结构，包括不对称的三角形、梯形等，从而可以使得两个金属电极104与二维半导体材料薄片103的接触长度不同。

对于金属-半导体-金属光电探测器，即本发明所称的MSM光电探测器，在光照条件下，半导体材料吸收一部分光能并且产生电子空穴对，金属-半导体接触两端不施加任何电压的情况下，该金属-半导体接触的光电流大小为：

I_sc＝J_sc×W·t

其中，J_sc为短路状态下的电流密度，与光照强度和肖特基势垒高度等参数有关；W为金属-半导体材料的接触宽度；t为半导体材料的厚度。MSM结构由两个金属-半导体接触相对连接组成，因此在光照时，短路状态下两个金属-半导体接触所形成的电流方向相反。假设这两个金属-半导体接触的接触宽度分别为W₁和W₂，以电极一作为参考电极，MSM的短路光电流为：

I_sc＝J_sc×(W₁-W₂)·t

因为二维半导体材料薄片103的厚度均匀，两侧的肖特基势垒一致，若两个金属电极104与二维半导体材料薄片103的接触长度W₁和W₂相同，在零偏压下，产生的光电流I_SC为0，因此本发明方案设定二维半导体材料薄片103为不对称几何结构，使得两个金属电极104与二维半导体材料薄片103的接触长度W₁和W₂不同，从而在零偏压下，可以产生一个不为0的净电流。

总的来说，本实施例通过以上结构构建的MSM光电探测器，在没有外加电压下仍可以输出相应的光电流，因而具有自驱动的功能，而且由于本探测器在零偏压下具有非常小的暗电流，可以具有较低的探测极限，具有较高可靠性，而且本探测器结构优良，在实现自驱动的前提下，仅需要较低的成本，便于推广应用。

进一步作为优选的实施方式，所述二维半导体材料薄片103为1-100层的二维半导体材料层叠构成。本实施例中，二维半导体材料薄片103的层数由薄片的厚度以及制作工艺决定。制作工艺关系到每层材料的单层厚度，结合薄片的具体需要的厚度，可以得到制作的层数。

进一步作为优选的实施方式，所述衬底101采用的材料为SiO₂、Si、玻璃、GaN或SiC。

进一步作为优选的实施方式，所述二维半导体材料薄片103采用过渡金属二硫化物半导体材料或单元素半导体材料，所述过渡金属二硫化物半导体材料包括MoS₂、WSe₂、MoSe₂和/或WS₂，所述单元素半导体材料包括石墨烯、黑磷和/或硅烯。

进一步作为优选的实施方式，所述两个金属电极104采用相同的金属材料构成，且所述两个金属电极104与半导体材料薄片之间的接触处形成肖特基势垒。

进一步作为优选的实施方式，所述金属材料采用Ti、Cr、Cu、Au、Pt、Pd和Sc中的至少一种。即采用Ti、Cr、Cu、Au、Pt、Pd和Sc中的任一种，或者采用Ti、Cr、Cu、Au、Pt、Pd和Sc中的至少两种组合构成。

优选的，本实施例中采用SiO₂或Si制作衬底101，采用WSe₂制作二维半导体材料薄片103，采用Ni\Au两种金属制作金属电极，所制作得到的MSM光电探测器的光学图片如图3所示，图3中，呈三角形的片状材料为二维半导体材料薄片103，左右两边黄色块状材料为Ni\Au金属电极104，由图3中可看出本结构的两个金属电极与二维半导体材料薄片103的接触长度具有较大的差别。

图4所示为通过机械剥离法所制备的二维半导体材料WSe₂薄片，具有这种特殊形状的薄片可用来制备两边接触长度差异很大的MSM结构。薄片的厚度均匀一致，根据需求其厚度可以为单层到100层。本实施例中，图4所示为通过原子力显微镜测试得出的材料厚度为30nm，对应材料的层数约为40-50层。图4中横坐标处的英文词语“height sensor”为使用厚度测量仪器进行测量所自带的显示结果，表示用于进行厚度测量的高度传感器。

图5所示为本实施例制备的MSM光电探测器在光照条件下的电流-电压的关系。对于该器件，在外加电压为0时的光电流Isc约为40nA，即发明所提出的MSM光电探测器具有自驱动功能。

本发明还提供了一种MSM光电探测器的制作方法，包括以下步骤：

S1、在衬底101上制备厚度均匀的二维半导体材料；

S2、对二维半导体材料进行加工，形成呈不对称几何结构的薄片；

S3、在二维半导体材料薄片103的两侧制备金属电极104，形成MSM光电探测器；其中，两个金属电极104与二维半导体材料薄片103的接触长度不同；

S4、在形成的MSM光电探测器上制备钝化层。

优选的，步骤S1中采用SiO₂/Si晶片作为衬底，优选采用厚度为270-300nm的SiO₂/Si晶片，其中，晶片的最佳厚度为300nm，便于进行加工。

本发明的MSM光电探测器的制作方法，具有非常简单的制造工艺，仅需一到两步光刻工艺即可实现，且生产成本低，克服了现有技术实现自驱动光电探测器所需的掺杂技术和多种材料精确转移技术的复杂工艺。

此外，本发明所实现的MSM光电探测器为平面器件结构，该结构可以与标准集成电路制造工艺兼容，因此可进一步实现集成光电探测器。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1中，所述二维半导体材料通过机械剥离法或化学气相淀积法制备获得，且二维半导体材料的层数为1-100层。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S2中，通过以下方式对二维半导体材料进行加工：

采用光刻和反应离子刻蚀技术，去除多余的二维半导体材料，使其形成不对称几何结构的薄片。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3中，通过电子束蒸发方法或溅射方法将两个金属电极104沉积在衬底101上。

优选的，沉积的金属电极为Au(50nm)/Ni(10nm)，即金属电极由两种金属材料组合构成。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4，其具体为：

采用稳定性钝化材料，使用等离子体化学气相淀积方法或旋涂方法在形成的MSM光电探测器上制备钝化层。

本发明制作方法的一详细实施例如下所示：

步骤(1)、使用SiO₂/Si晶片作为衬底材料。

步骤(2)、通过机械剥离法将二维半导体材料WSe₂薄片转移到SiO₂/Si晶片上。

步骤(3)、检查转移后的薄片并选择具有非对称形状的WSe₂薄片，例如三角形、梯形等，用于制造具有非对称接触形状的MSM器件。

步骤(4)、通过旋涂光刻胶和光刻技术制备电极图形，将电极图案与选定的WSe₂薄片对齐，使得两个电极与WSe₂薄片具有明显不同的接触长度。

步骤(5)、通过电子束蒸发方法或溅射方法将金属电极沉积在衬底上。

步骤(6)、在丙酮中剥离以形成MSM光电探测器。

以上是具体制作获得MSM光电探测器的一详细实例，通过该方法制作获得的MSM光电探测器具有前述实施例的特征组合，具备该MSM光电探测器的功能与效果。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种MSM光电探测器，其特征在于，包括衬底以及设置在衬底上的二维半导体材料薄片和两个金属电极，所述二维半导体材料薄片的厚度均匀且具有不对称的几何结构，所述两个金属电极相对地设置在二维半导体材料薄片的两个边缘上，且两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同。

2.根据权利要求1所述的一种MSM光电探测器，其特征在于，所述衬底采用的材料为SiO₂、Si、玻璃、GaN或SiC。

3.根据权利要求1所述的一种MSM光电探测器，其特征在于，所述二维半导体材料薄片采用过渡金属二硫化物半导体材料或单元素半导体材料，所述过渡金属二硫化物半导体材料包括MoS₂、WSe₂、MoSe₂和/或WS₂，所述单元素半导体材料包括石墨烯、黑磷和/或硅烯。

4.根据权利要求1所述的一种MSM光电探测器，其特征在于，所述两个金属电极采用相同的金属材料构成，且所述两个金属电极与半导体材料薄片之间的接触处形成肖特基势垒。

5.根据权利要求4所述的一种MSM光电探测器，其特征在于，所述金属材料采用Ti、Cr、Cu、Au、Pt、Pd和Sc中的至少一种。

6.一种MSM光电探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在衬底上制备厚度均匀的二维半导体材料；

S2、对二维半导体材料进行加工，形成呈不对称几何结构的薄片；

S3、在二维半导体材料薄片的两侧制备金属电极，形成MSM光电探测器；其中，两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同；

S4、在形成的MSM光电探测器上制备钝化层。

7.根据权利要求6所述的一种MSM光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述二维半导体材料通过机械剥离法或化学气相淀积法制备获得，且二维半导体材料的层数为1-100层。

8.根据权利要求6所述的一种MSM光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过以下方式对二维半导体材料进行加工：

采用光刻和反应离子刻蚀技术，去除多余的二维半导体材料，使其形成不对称几何结构的薄片。

9.根据权利要求6所述的一种MSM光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过电子束蒸发方法或溅射方法将两个金属电极沉积在衬底上。

10.根据权利要求6所述的一种MSM光电探测器的制作方法，其特征在于，所述步骤S4，其具体为：

采用稳定性钝化材料，使用等离子体化学气相淀积方法或旋涂方法在形成的MSM光电探测器上制备钝化层。