CN109817757A - 一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器及其制备方法，该光电探测器为纳米材料结型场效应晶体管光电探测器，具体是指将p型的二硒化钨(WSe2)薄片和n型的氧化锌(ZnO)纳米带接触形成p‑n结，同时WSe2薄片作为感光材料连接在顶栅电极与ZnO纳米带导电沟道之间。WSe2薄片受光激发产生光生载流子形成导电通道，顶栅电压通过该导电通道施加到p‑n结处，调节ZnO纳米带中耗尽区的宽度来实现沟道电导的调节，提高器件的光增益和响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器及其制备方法，该光电探测器为纳米材料结型场效应晶体管光电探测器，具体是指将p型的二硒化钨(WSe2)薄片和n型的氧化锌(ZnO)纳米带接触形成p-n结，同时WSe2薄片作为感光材料连接在顶栅电极与ZnO纳米带导电沟道之间。WSe2薄片受光激发产生光生载流子形成导电通道，顶栅电压通过该导电通道施加到p-n结处，调节ZnO纳米带中耗尽区的宽度来实现沟道电导的调节，提高器件的光增益和响应速度。
背景技术
低维材料因其独特的光学性质(例如宽带响应以及较快的载流子动力学过程)展示出其作为光敏元件的巨大潜力。但低维材料较薄的原子层级的厚度也使得其不能像体材料那样对光实现完全吸收，因此光的利用效率很低，进而抑制了器件的光响应率。近几年，研究人员尝试将不同的低维材料结合形成复合结构，以提高光电探测器的性能。其中，通过引入缺陷辅助的响应机制延长光生载流子的寿命获得超高的响应增益。然而，这种器件的缺点是载流子寿命较长导致响应时间较慢，即增益-响应时间相互制约的问题。解决这个问题的关键是需要开发一种新的器件结构实现增益机制与载流子寿命的解耦，同时提高增益并缩短响应时间。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服增益-响应时间相互制约的问题，提出一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器及其制备方法。
本发明的技术解决方案是：
一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器，该光电探测器包括ZnO纳米带、WSe2薄片、Si/SiO2衬底、源电极、漏电极和顶栅电极；
所述的ZnO纳米带、WSe2薄片、源电极、漏电极、顶栅电极均位于Si/SiO2衬底上，ZnO纳米带的一端与源电极相连，ZnO纳米带的另一端与漏电极相连；WSe2薄片的一端压在ZnO纳米带上，另一端压在顶栅电极上；
所述的ZnO纳米带为结型场效应晶体管的导电沟道，源电极和漏电极用于收集ZnO纳米带的电信号，WSe2薄片为感光材料，用于在顶栅电极和ZnO沟道之间形成一个受光照调节的导电通道。
一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)采用化学气相传输的方法生长ZnO纳米带；
(2)将步骤(1)制备的ZnO纳米带物理转移到Si/SiO2(285nm)衬底上；
(3)在步骤(2)得到的带有ZnO纳米带的Si/SiO2(285nm)衬底上利用电子束光刻技术制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形，并对源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形进行热蒸镀后得到源电极、漏电极和顶栅电极；
源电极压在ZnO纳米带的一端，漏电极压在ZnO纳米带的另一端，顶栅电极不与ZnO纳米带接触；
(4)采用机械剥离的方法在PDMS膜(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)上制备WSe2的薄片；
(5)将步骤(4)制备的WSe2薄片转移到步骤(3)制备的顶栅电极和ZnO纳米带上，且WSe2薄片一端压在ZnO纳米带上，WSe2薄片另一端压在顶栅电极上，得到二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器。
所述的步骤(4)的详细做法为：首先在载玻片的上表面贴附表面平滑的PDMS膜，并准备好通过机械剥离获得的带有WSe2样品的胶带，将胶带紧密粘附在PDMS膜上使WSe2样品接触PDMS膜；取下胶带，WSe2薄片即附着在PDMS膜上；
所述的步骤(5)中，将WSe2薄片转移到顶栅电极和ZnO纳米带上的具体方法为：
旋转载玻片，使载有WSe2薄片的PDMS膜朝向下，并将载玻片安装在三维位移平台上；通过显微镜观察，将WSe2薄片对准将要转移的目标，目标即ZnO纳米带和顶栅电极；通过三维位移平台将PDMS膜逐渐靠近并使WSe2薄片一端接触ZnO纳米带、WSe2薄片另一端接触顶栅电极，同时对Si/SiO2衬底加热并逐渐升起载玻片，使WSe2薄片与PDMS膜分离，WSe2薄片一端压在ZnO纳米带上，WSe2薄片另一端压在顶栅电极上；转移过程中要确保WSe2薄片的一端接触顶栅电极，另一端接触ZnO纳米带。
得到的二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器中宽带隙(～3.3eV)的ZnO纳米带为导电材料，具有相对窄带隙(～1.2eV)的WSe2薄片为感光材料响应光信号，顶栅电极用于施加外部电压来调控ZnO沟道电导以影响漏极电流。当无入射光照射时，WSe2薄片没有光响应并形成较大的电阻，使得顶栅电压无法通过WSe2薄片施加到ZnO纳米带导电沟道，沟道内电流不受顶栅电压影响；当有入射光照射时，WSe2薄片被激发产生光生载流子使得电阻减小，WSe2薄片在顶栅电极与ZnO纳米带沟道之间形成导电通路，顶栅电压通过WSe2薄片施加到ZnO纳米带导电沟道，对WSe2薄片与ZnO纳米带形成的p-n结产生偏置效果，从而影响p-n结的耗尽区宽度，调节ZnO沟道的电导实现高增益。同时，WSe2薄片中光生载流子快速的产生复合速率可实现器件的快速响应。
本发明的优点是：
本发明提出了一种针对增益-响应时间两者相互制约问题的解决方案，本发明中增益由结型场效应晶体管的顶栅电压调制决定，响应时间由结型场效应晶体管的顶栅开关速度决定，通过这样的方法将增益机制与载流子寿命两个关键参数解耦，器件同时获得了高增益和快速响应时间。
附图说明
图1a为本发明的探测器的结构示意图；
图1b为本发明的探测器光照条件下的工作过程示意图
图2为本发明的制备方法示意图；
图3为本发明探测器响应率测试结果示意图；
图4为本发明探测器响应时间测试结果示意图。
具体实施方式
一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器，该光电探测器包括ZnO纳米带、WSe2薄片、Si/SiO2衬底、源电极、漏电极和顶栅电极；
所述的ZnO纳米带、WSe2薄片、源电极、漏电极、顶栅电极均位于Si/SiO2衬底上，ZnO纳米带的一端与源电极相连，ZnO纳米带的另一端与漏电极相连；WSe2薄片的一端压在ZnO纳米带上，另一端压在顶栅电极上；
所述的ZnO纳米带为结型场效应晶体管的导电沟道，源电极和漏电极用于收集ZnO纳米带的电信号，WSe2薄片为感光材料，用于在顶栅电极和ZnO沟道之间形成一个受光照调节的导电通道。
一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)采用化学气相传输的方法生长ZnO纳米带；
(2)将步骤(1)制备的ZnO纳米带物理转移到Si/SiO2(285nm)衬底上；
(3)在步骤(2)得到的带有ZnO纳米带的Si/SiO2(285nm)衬底上利用电子束光刻技术制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形，并对源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形进行热蒸镀后得到源电极、漏电极和顶栅电极；
源电极压在ZnO纳米带的一端，漏电极压在ZnO纳米带的另一端，顶栅电极不与ZnO纳米带接触；
(4)采用机械剥离的方法在PDMS膜(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)上制备WSe2的薄片；
(5)将步骤(4)制备的WSe2薄片转移到步骤(3)制备的顶栅电极和ZnO纳米带上，且WSe2薄片一端压在ZnO纳米带上，WSe2薄片另一端压在顶栅电极上，得到二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器。
所述的步骤(4)的详细做法为：首先在载玻片的上表面贴附表面平滑的PDMS膜，并准备好通过机械剥离获得的带有WSe2样品的胶带(图2a)，将胶带紧密粘附在PDMS膜上使WSe2样品接触PDMS膜(图2b)；取下胶带，WSe2薄片即附着在PDMS膜上(图2c)；
所述的步骤(5)中，将WSe2薄片转移到顶栅电极和ZnO纳米带上的具体方法为：
旋转载玻片，使载有WSe2薄片的PDMS膜朝向下，并将载玻片安装在三维位移平台上(图2d)；通过显微镜观察，将WSe2薄片对准将要转移的目标，目标即ZnO纳米带和顶栅电极(图2e)；通过三维位移平台将PDMS膜逐渐靠近并使WSe2薄片一端接触ZnO纳米带、WSe2薄片另一端接触顶栅电极(图2f)，同时对Si/SiO2衬底加热并逐渐升起载玻片，使WSe2薄片与PDMS膜分离，WSe2薄片一端压在ZnO纳米带上，WSe2薄片另一端压在顶栅电极上(图2g)；转移过程中要确保WSe2薄片的一端接触顶栅电极，另一端接触ZnO纳米带(图2h，俯视图)。
得到的二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器中宽带隙(～3.3eV)的ZnO纳米带为导电材料，具有相对窄带隙(～1.2eV)的WSe2薄片为感光材料响应光信号，顶栅电极用于施加外部电压来调控ZnO沟道电导以影响漏极电流。当无入射光照射时，WSe2薄片没有光响应并形成较大的电阻，使得顶栅电压无法通过WSe2薄片施加到ZnO纳米带导电沟道，沟道内电流不受顶栅电压影响；当有入射光照射时，WSe2薄片被激发产生光生载流子使得电阻减小，WSe2薄片在顶栅电极与ZnO纳米带沟道之间形成导电通路，顶栅电压通过WSe2薄片施加到ZnO纳米带导电沟道，对WSe2薄片与ZnO纳米带形成的p-n结产生偏置效果，从而影响p-n结的耗尽区宽度，调节ZnO沟道的电导实现高增益。同时，WSe2薄片中光生载流子快速的产生复合速率可实现器件的快速响应。
实施例
1.采用化学气相传输的方法生长ZnO纳米带，并将其物理转移到Si/SiO2(285nm)衬底上，利用电子束光刻技术、热蒸镀沉积源(S)、漏(D)、顶栅(TG)金属电极(铬/金)，制备ZnO纳米带的背栅晶体管器件，重掺杂p型Si衬底作为背栅电极；
2.采用机械剥离的方法在PDMS膜(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)上制备WSe2薄片，并将WSe2薄片转移到ZnO纳米带的背栅晶体管器件上，并保证WSe2薄片其中一端接触顶栅电极，另一端接触ZnO纳米带，如图1所示；
3.转移WSe2薄片过程：首先在载玻片的上表面贴附表面平滑的PDMS膜，并准备好通过机械剥离获得的带有WSe2样品的胶带(图2a)；将胶带紧密粘附在PDMS膜上使胶带上的WSe2样品接触PDMS膜(图2b)；取下胶带，WSe2薄片即附着在PDMS膜上(图2c)；旋转载玻片，使载有WSe2薄片的PDMS膜朝向下，并将载玻片安装在三维位移平台上(图2d)；通过显微镜观察，将PDMS膜上的WSe2薄片对准将要转移的目标，即ZnO纳米带及其顶栅电极(图2e)；通过三维位移平台将PDMS膜逐渐靠近并使WSe2薄片一端接触ZnO纳米带另一端接触顶栅电极(图2f)，同时对Si/SiO2衬底加热并逐渐升起载玻片，使WSe2薄片与PDMS膜分离，PDMS膜上的WSe2薄片即被同时搭建在ZnO纳米带和顶栅电极上(图2g和图2h俯视图)；
4.p型的WSe2薄片与n型的ZnO纳米带接触构成p-n结形成空间耗尽区。在无光照条件下，WSe2薄片的高电阻使得顶栅电压无法通过WSe2薄片施加到ZnO纳米带上，因此顶栅电压不能调节ZnO纳米带的沟道电导(图1a)。在光照条件下，WSe2薄片受光激发产生光生载流子电阻降低，顶栅电压通过WSe2薄片施加到ZnO纳米带上，以改变ZnO纳米带的耗尽区宽度进而调制其电导(图1b)。图3给出了405nm光波长下的响应率随光功率的变化曲线，可以看到响应率高于103A W-1，对应的增益约为104。图4给出了器件在单个光照调制周期的时间响应，上升时间为10μs，下降时间为30μs。
Claims (10)
1.一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器，其特征在于：该光电探测器包括ZnO纳米带、WSe2薄片、Si/SiO2衬底、源电极、漏电极和顶栅电极；
所述的ZnO纳米带、WSe2薄片、源电极、漏电极、顶栅电极均位于Si/SiO2衬底上，ZnO纳米带的一端与源电极相连，ZnO纳米带的另一端与漏电极相连；WSe2薄片的一端压在ZnO纳米带上，另一端压在顶栅电极上。
2.一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)制备ZnO纳米带；
(2)将步骤(1)制备的ZnO纳米带物理转移到Si/SiO2衬底上；
(3)在步骤(2)得到的带有ZnO纳米带的Si/SiO2衬底上制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形，并对源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形进行热蒸镀后得到源电极、漏电极和顶栅电极；
(4)在PDMS膜上制备WSe2的薄片；
(5)将步骤(4)制备的WSe2薄片转移到步骤(3)制备的顶栅电极和ZnO纳米带上，得到二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器。
3.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，采用化学气相传输的方法制备ZnO纳米带。
4.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，Si/SiO2(285nm)衬底中SiO2的厚度为285nm。
5.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，在带有ZnO纳米带的Si/SiO2衬底上利用电子束光刻技术制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形。
6.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，源电极压在ZnO纳米带的一端，漏电极压在ZnO纳米带的另一端，顶栅电极不与ZnO纳米带接触。
7.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，采用机械剥离的方法在PDMS膜上制备WSe2的薄片。
8.根据权利要求7所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：采用机械剥离的方法在PDMS膜上制备WSe2的薄片的方法为：首先在载玻片的上表面贴附表面平滑的PDMS膜，并准备好通过机械剥离获得的带有WSe2样品的胶带，将胶带紧密粘附在PDMS膜上使WSe2样品接触PDMS膜，取下胶带，WSe2薄片即附着在PDMS膜上。
9.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，WSe2薄片一端压在ZnO纳米带上，WSe2薄片另一端压在顶栅电极上。
10.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，将WSe2薄片转移到顶栅电极和ZnO纳米带上的具体方法为：
旋转载玻片，使载有WSe2薄片的PDMS膜朝向下，并将载玻片安装在三维位移平台上；通过显微镜观察，将WSe2薄片对准将要转移的目标，通过三维位移平台将PDMS膜逐渐靠近并使WSe2薄片一端接触ZnO纳米带、WSe2薄片另一端接触顶栅电极，同时对Si/SiO2衬底加热并逐渐升起载玻片，使WSe2薄片与PDMS膜分离，WSe2薄片一端压在ZnO纳米带上，WSe2薄片另一端压在顶栅电极上；转移过程中要确保WSe2薄片的一端接触顶栅电极，另一端接触ZnO纳米带。
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