CN109817808A - 一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法 - Google Patents

一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光电探测技术领域，且公开了一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，包括衬底和所述衬底的顶部固定安装有与底栅电极顶部连接的介质层。因为N型半导体MoS2、P型有机半导体薄膜材料和石墨烯薄膜在可见光波段到近红外波段有直接吸收保障器件宽光谱探测；而N型半导体MoS2具有较大电阻有效抑制器件暗电流，同时N型半导体MoS2与P型有机半导体薄膜材料形成的异质结区能够有效分离光生载流子，从而实现器件高响应率，而表面层石墨烯作为高速透明电荷传输通道提高器件响应速度，从而本发明中光电器件相比已有MoS2光电探测器具有响应波段宽、响应率高、响应速度较快等特点。

Description

一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体为一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法。
背景技术
多年来，块体形式过渡金属硫化物(TMDCs)的性质已经被广泛的研究，而二维TMDCs的制备也从Frindt和Yoffe在1963年的开创性工作就开始了。单层二硫化钼(MoS2)的结构和光学性质在20世纪80年代就被研究过了，但是，随着石墨烯引发的研究热潮，对其他二维材料的研究才得以恢复。现在无可争议的是这些二维材料在光电探测领域有着巨大的潜力。
与传统直接带隙的半导体相比，TMDCs因它们的机械柔软性和易加工性，可以在光电子学领域带来更多的优势。TMDCs的性质很大程度上取决于他们的厚度，例如块体二硫化钼有着1.3eV的间接带隙，而单层二硫化钼却具有1.8eV的直接带隙。这一改变带来了光学性质上的变化，例如光学吸收谱和光致发光特性上的改变。在文献中，与块体二硫化钼相比，单层硫化钼发光量子效率取得了1000倍的增强，通过改变层数来调节带隙的能力使得TMDCs可以应对不同波段的光探测，然而这些器件也有局限性，那就是吸收带窄、可选材料较少、生产成本高，而有机半导体材料在近些年被广泛研究与应用在提高太阳能电池效率的领域里，他们有很多优势，比如造价低廉、使用简单、高的光吸收率，但是由于其能带宽度的限制，他们的吸收光谱也被限制在可见光波段。
发明内容
(一)解决的技术问题
目前关于MoS2和小分子有机物的范德瓦尔斯异质结光电探测器较少，而二硫化钼具有高开关比的优势，但是缺点是响应速度较慢，本发明中将二硫化钼与高灵敏度和响应速度的有机小分子组合成范德瓦尔斯异质结有良好的互补作用，在光电子领域有较好的前景。
(二)技术方案
为实现上述的目的，本发明提供如下技术方案：一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，包括衬底和所述衬底的顶部固定安装有与底栅电极顶部连接的介质层，而所述介质层的顶部固定安装有一侧位于P型有机半导体薄膜材料内部的N型半导体MoS2，且另一侧位于P型有机半导体薄膜材料的外部，所述P型有机半导体薄膜材料的上表面固定安装有石墨烯，所述N型半导体MoS2和石墨烯的顶部分别固定安装有金属电极，从而构成了本装置的结构。
优选的，所述N型半导体MoS2的层数数量为单层、双层或多层，根据生产需要选择，且所述N型半导体MoS2的厚度大小低于10nm，而所述P型有机半导体薄膜材料的厚度大小在5nm于20nm之间。
优选的，所述石墨烯是烯附着P型有机半导体薄膜材料的上表面，用于增加了光激发载流子的收集与传输速度。
优选的，所述底栅电极、介质层、N型半导体MoS2、P型有机半导体薄膜材料、石墨烯和金属电极共同构成场效应管结构，通过对所述底栅电极电压的调节可以使得N型半导体MoS2和P型有机半导体薄膜材料的势垒高度会升高或者降低，从而使得光电流的大小发生变化。
优选的，所述N型半导体MoS2和P型有机半导体薄膜材料组成的异质结有效分离光生载流子，用于提高探测器外量子效率。
优选的，所述N型半导体MoS2、P型有机半导体薄膜材料、石墨烯的材质为复合薄膜材质，用于实现探测器宽波段响应。
优选的，其制备流程包括以下步骤：
1)、首先将覆盖有介质层和底栅电极的衬底进行清洗，清洗时依次使用去污剂、丙酮、乙醇和去离子水超声进行清洗，保证清洗的清洁性；
2)、然后将清洗好的带有介质层的衬底，采用机械剥离法将制备单层、双层或多层的N型半导体MoS2转移衬底的顶部；
3)、继续将完成的步骤二中的衬底蒸镀上P型有机半导体薄膜材料，完成装置的进一步安装；
4)、然后将石墨烯转移到步骤三中的P型有机半导体薄膜材料的顶部进行安装；
5)、分别进行光刻、去胶和刻蚀对对步骤四中的P型有机半导体薄膜材料，从而完成图形化；
6)、最后将完成的步骤五中基片光刻并镀上金属电极，然后去胶，最终完成制作。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，具备以下有益效果：
1、该范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，单层N型半导体MoS2具有1.8eV的直接带隙，块体MoS2具有1.3eV的间接带隙，P型有机半导体薄膜材料对可见光到近红外波段可直接吸收，使探测器具有宽光谱的特性。
2、该范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，表面层石墨烯的特点是具有非常高的载流子迁移率和透明，作为非常高效的载流子传输通道，使器件获得较高的响应速度。
3、该范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，通过调节栅极电压可以升高或者降低N型半导体MoS2与P型有机半导体薄膜材料势垒高度从而使得光电流的大小发生变化，使器件具有栅极可调谐性。
4、该范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，光照射在器件上时，材料吸收并产生光生电子空穴对，这对激子扩散到两种材料的界面处，在电场的作用下，电子空穴对激子有效分离，使器件具有高响应的特性。
附图说明
图1为本发明结构外观示意图；
图2为本发明光响应载流子注入传示意图；
图3为本发明光响应示意图。
图中：1、底栅电极；2、介质层；3、N型半导体MoS2；4、P型有机半导体薄膜材料；5、石墨烯；6、金属电极；7、衬底。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，包括衬底7和衬底7的顶部固定安装有与底栅电极1顶部连接的介质层2，介质层2的顶部固定安装有一侧位于P型有机半导体薄膜材料4内部的N型半导体MoS23，而N型半导体MoS23的层数数量为单层、双层或多层，且N型半导体MoS23的厚度大小低于10nm，P型有机半导体薄膜材料4的厚度大小在5nm—20nm之间，同时，探测器上的N型半导体MoS23和P型有机半导体薄膜材料4组成的异质结区能够有效分离光生载流子，从而提高探测器外量子效率，而P型有机半导体薄膜材料4的上表面附着有石墨烯5，其目的在于用于增加探测器的光激发载流子的收集与传输速度，而N型半导体MoS23和石墨烯5的顶部分别固定安装有金属电极6，如图1所示，通过上述的材料共同构成场效应管结构，借助对底栅电极1电压的调节可以使得N型半导体MoS23和P型有机半导体薄膜材料4的势垒高度会升高或者降低，从而使得光电流的大小发生变化。
具体的制备流程步骤如下：
1、对覆盖有介质层2和底栅电极1的衬底7进行清洗，清洗的方法依次使用去污剂、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；
2、采用机械剥离法制备单层、双层或多层的N型半导体MoS23转移到步骤一中清洗好的带有介质层2的衬底7的顶部；
3、对步骤二中的衬底7蒸镀上P型有机半导体薄膜材料4；
4、将石墨烯5转移到步骤三中的P型有机半导体薄膜材料4的顶部；
5、对步骤四中的P型有机半导体薄膜材料4分别进行光刻、去胶和刻蚀完成图形化；
6、最后将完成的步骤五中基片光刻并镀上金属电极6，并去胶，完成器件制作。
综上所述，该范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，N型的半导体材料是MoS2，P型有机半导体材料4可以是酞菁铜薄膜，衬底7是高掺杂硅，介质层2是氧硅层，如图2和图3所示，当基片上转移机械剥离的MoS2，蒸镀P型有机物半导体薄膜酞菁铜，进行第一次紫外光刻和刻蚀完成图形化，再进行第二次电子束光刻后镀上金属电极，用丙酮清洗多余的光刻胶之后最终完成器件制作。本发明中的探测器主要是利用N型半导体MoS23和P型有机半导体薄膜材料4都对光具有良好的吸收系数，并且对可见光到近红外波段直接吸收，所以探测器具有宽光谱探测的功效；当光照射在器件上时，因为N型半导体MoS23和P型有机半导体薄膜材料4吸收并产生光生电子空穴对，这对激子扩散到N型半导体MoS23和P型有机半导体薄膜材料4的界面处，在内建电场的作用下，从而让电子空穴对激子有效分离，这种反应速度是非常快，能够保证器件的高响应率，电子进入N型受主MoS23，而空穴则被束缚在酞菁铜之中，从而产生电信号；而石墨烯5具有高载流子迁移率的特性，作为高速电荷传输通道有效提高器件响应速度，并且石墨烯5的光透过率约为97.7％，作为透明电极不会影响构成异质结的N型半导体MoS23和P型有机半导体薄膜材料4对光的吸收。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，包括衬底(7)和所述衬底(7)的顶部固定安装有与底栅电极(1)顶部连接的介质层(2)，其特征在于：所述介质层(2)的顶部固定安装有一侧位于P型有机半导体薄膜材料(4)内部的N型半导体MoS2(3)，所述P型有机半导体薄膜材料(4)的上表面固定安装有石墨烯(5)，所述N型半导体MoS2(3)和石墨烯(5)的顶部分别固定安装有金属电极(6)。
2.根据权利要求1所述的一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，其特征在于：所述N型半导体MoS2(3)的层数数量可以为单层、双层或多层，且所述N型半导体MoS2(3)的厚度大小低于10nm，所述P型有机半导体薄膜材料(4)的厚度大小在5nm—20nm之间。
3.根据权利要求1所述的一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，其特征在于：所述石墨烯(5)烯附着P型有机半导体薄膜材料(4)的上表面。
4.根据权利要求1所述的一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，其特征在于：所述底栅电极(1)、介质层(2)、N型半导体MoS2(3)、P型有机半导体薄膜材料(4)、石墨烯(5)和金属电极(6)共同构成场效应管结构，通过对所述底栅电极(1)电压的调节可以使得N型半导体MoS2(3)和P型有机半导体薄膜材料(4)的势垒高度会升高或者降低。
5.根据权利要求1所述的一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，其特征在于：所述N型半导体MoS2(3)和P型有机半导体薄膜材料(4)组成的异质结区。
6.根据权利要求1所述的一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，其特征在于：所述N型半导体MoS2(3)、P型有机半导体薄膜材料(4)、石墨烯(5)的材质为复合薄膜材质。
7.根据权利要求1所述的一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，其特征在于：其制备流程包括以下步骤：
1)、对覆盖有介质层(2)和底栅电极(1)的衬底(7)进行清洗，清洗的方法依次使用去污剂、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；
2)、采用机械剥离法制备单层、双层或多层的N型半导体MoS2(3)转移到步骤一中清洗好的带有介质层(2)的衬底(7)的顶部；
3)、对步骤二中的衬底(7)蒸镀上P型有机半导体薄膜材料(4)；
4)、将石墨烯(5)转移到步骤三中的P型有机半导体薄膜材料(4)的顶部；
5)、对步骤四中的P型有机半导体薄膜材料(4)分别进行光刻、去胶和刻蚀完成图形化；
6)、最后将完成的步骤五中基片光刻并镀上金属电极(6)，并去胶，完成器件制作。
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