CN109904248A - 一种层状半导体超快光探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种层状半导体超快光探测器及其制备方法，属于光检测技术技术领域，其包括：栅电极；栅介质，作为所述栅电极的绝缘层，设置在所述栅电极的上表面；层状半导体纳米片，为平铺在所述栅介质上的少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片；源电极和漏电极，为分别覆盖在所述层状半导体纳米片的两端的金属薄膜。本发明提供的一种层状半导体超快光探测器及其制备方法，其具备超快的光检测速率，响应速度小于1毫秒。

Description

一种层状半导体超快光探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光检测技术技术领域，特别是涉及一种层状半导体超快光探测器及其制备方法。

背景技术

自从石墨烯2004年被成功制备，并于2010年这一发现使它的发现人英国两名科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得诺贝尔物理学奖以来，二维层状材料因其奇异的性质得到了人们的广泛关注。二维层状材料又被称为范德瓦尔斯晶体，其特点是分子层间靠较弱的范德瓦尔斯作用力结合在一起，所以二维材料容易形成单层或者少层的纳米结构。譬如，石墨烯是一种二维碳材料，是单层、双层和少层石墨烯的统称。单层石墨烯是指由一层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料；两层为“双层石墨烯”；3-10层的为“少层石墨烯”。

石墨烯有优异的光学，电学，力学，热学性质，但是因其禁带宽度为0，限制了其在半导体电子学和光电子学领域的应用。如何制备具有高的光响应开关比，极快的响应速率的光检测微纳米器件，在微电子和光电子领域有着极大的应用意义。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种层状半导体超快光探测器及其制备方法，其具备超快的光检测速率，响应速度小于1毫秒。

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种层状半导体超快光探测器，包括：

栅电极；

栅介质，作为所述栅电极的绝缘层，设置在所述栅电极的上表面；

层状半导体纳米片，为平铺在所述栅介质上的少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片；

源电极和漏电极，为分别覆盖在所述层状半导体纳米片的两端的金属薄膜。

可选地，所述栅电极由导电材料或半导体材料构成。

可选地，所述栅电极为重掺杂低阻硅。

可选地，所述栅介质为氧化物薄膜构成的栅绝缘膜。

可选地，所述栅介质为氧化硅薄膜，氮化硅薄膜，氧化铝薄膜，氧化铪薄膜，氧化锆薄膜、氧化钽薄膜，氧化钛薄膜中的一种。

可选地，所述过渡金属硫硒基化合物为由过渡金属和硫、硒或碲形成的二元及多元的具有层状结构以及具有一定带隙的半导体材料；

可选地，所述过渡金属为锡，铟，钼，镉，锆，铪中的一种或多种；

可选地，所述过渡金属硫硒基化合物为二硫化锡纳米薄片。

可选地，所述层状半导体纳米片的厚度在1-2000纳米之间。

本发明还提供了一种层状半导体超快光探测器的制备方法，包括以下步骤：

s1、通过化学气相沉积法制备少层过渡金属硫硒基化合物的薄膜；

s2、采用机械剥离法将过渡金属硫硒基化合物的薄膜剥离，制备出过渡金属硫硒基化合物的少层的层状纳米片；

s3、在由导电材料或半导体材料构成的栅电极上制备栅介质绝缘层；

s4、将少层的层状纳米片转移至所述栅电极的栅介质绝缘层上；

s5、在所述少层的层状纳米片上制备源电极和漏电极。

可选地，所述制备源电极和漏电极时，包括以下步骤：

s51、涂覆PMMA光刻胶；

s52、利用电子束曝光所述PMMA光刻胶，得到所述源电极和漏电极需要的图形结构；

s53、蒸镀导电金属；

s54、去除所述PMMA光刻胶，得到所述源电极和漏电极；

其中，所述源电极和漏电极的材料为金、银、铬、钛中的一种或多种。

可选地，机械剥离法为通过超声震荡使少层过渡金属硫硒基化合物的薄膜脱落。

本发明提供的一种层状半导体超快光探测器，采用带有绝缘层的导电基底，例如含氧化层的重掺杂低阻硅，低阻硅作为栅电极，氧化介质层作为栅极绝缘层，在二维层状半导体纳米片两端设有源电极和漏电极，所述源电极和漏电极为贵金属电极。所述二维层状半导体纳米片可在光照射下产生大量光生载流子，通过栅电压的控制非光激发的载流子浓度，提高光检测分辨率。本发明提供的层状半导体超快光探测器具有检验速度快(可达到小于1ms)，体积小，灵敏度高等优点。

本发明提供的一种层状半导体超快光探测器及其制备方法，至少存在以下技术优势：

1)光检测性能好，光开关比可达23倍，响应时间小于1毫秒。

2)结构简单，可重复性好。

3)制备工艺简单，可重复性好。

4)源材料简单易得，制备成本低。

5)二硫化锡无毒无污染。

6)易于大规模制备，有商业应用前景。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的一种层状半导体超快光探测器的结构示意图；

图2是根据图1所示的层状半导体超快光探测器的俯视图；

图3是根据本发明一个实施例的一种层状半导体超快光探测器的制备方法的流程示意图；

图4是根据本发明一个实施例的一种层状半导体超快光探测器的源电极和漏电极的制备方法的流程示意图；

图5是根据本发明一个实施例的基于二硫化锡纳米片的层状半导体超快光探测器的光开关检测图；

图6是根据本发明一个实施例的基于二硫化锡纳米片的层状半导体超快光探测器的光响应时间曲线；

图7是根据本发明一个实施例的基于二硫化锡纳米片的层状半导体超快光探测器的光激发载流子浓度衰减曲线。

具体实施方式

近年来，二维层状金属二硫化物作为二维材料的重要组成成分，得到了人们的大量研究和探索。本发明的发明人发现：相比于石墨烯来说，二硫化锡有着2.3eV的禁带宽度，而且其制备相对简单，材料廉价，这使其在微电子和光电子领域有着极大的应用前景。二硫化锡纳米片有着高的光响应开关比，极快的响应速率，是理想的光检测材料。

图1是根据本发明一个实施例的一种层状半导体超快光探测器的结构示意图；图2是根据图1所示的层状半导体超快光探测器的俯视图。如图1和图2所示，本发明提供的一种层状半导体超快光探测器，一般性地可以包括：栅电极1、栅介质2、层状半导体纳米片3、源电极4和漏电极5。栅电极1为由导电材料或半导体材料构成的基底。栅介质2作为栅电极1的绝缘层，设置在栅电极1的上表面。层状半导体纳米片3为平铺在栅介质2上的少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片。源电极4和漏电极5分别为覆盖在层状半导体纳米片3的两端的导电金属薄膜电极。

其工作原理为：栅电极1和栅介质2为带有绝缘层的导电基底，例如含氧化层的重掺杂低阻硅，重掺杂低阻硅作为栅电极1，氧化介质层作为栅介质2的栅极绝缘层，由少层过渡金属硫硒基化合物构成的层状纳米片可在光照射下产生大量光生载流子，通过栅电压控制非光激发的载流子浓度，提高光检测分辨率。

具体地，栅电极1为由导电材料或半导体材料构成的基底。譬如，栅电极1可以是硅片、合金片、金属片、PCB电路板等等。栅介质2为栅电极1上的绝缘层，其可以是构成栅电极1的材料的绝缘氧化物薄膜，或者是采用其他方法在栅电极1的表面制备或者转移的绝缘层。可选地，在一个具体的实施例中，栅电极1为重掺杂低阻硅，栅介质2为氧化硅薄膜。当然地，栅介质2还可以是其他材质的绝缘层，例如：氮化硅薄膜，氧化铝薄膜，氧化铪薄膜，氧化锆薄膜、氧化钽薄膜，氧化钛薄膜等等。

构成少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片3的过渡金属硫硒基化合物为由过渡金属和硫、硒或碲形成的二元及多元的具有层状结构以及具有一定带隙的半导体材料。可选地，过渡金属为锡，铟，钼，镉，锆，铪中的一种或多种。在一个具体的实施方式中，过渡金属硫硒基化合物为二硫化锡纳米薄片。相比于石墨烯来说，二硫化锡有着2.3eV的禁带宽度，而且其制备相对简单，材料廉价。发明人发现，二硫化锡纳米片有着高的光响应开关比，极快的响应速率，是理想的光检测材料。需要理解的是，层状纳米片3还可以是其他的过渡金属硫硒基化合物。其他的过渡金属硫硒基化合物与二硫化锡的禁带宽度有些差异，但是它们的性质相似，同样具有一定的光响应开关比，以及一定的响应速率，能够在光照射下产生大量光生载流子，应用于光检测的微电子和光电子领域。

层状半导体纳米片3可以是通过化学气相沉积的方法，以及机械剥离方法制备获得的具有少层的层状结构的、厚度在1-2000纳米之间的过渡金属硫硒基化合物的薄片。例如二硫化锡纳米薄片。

本发明提供的一种层状半导体超快光探测器，采用带有绝缘层的导电基底，例如含氧化层的重掺杂低阻硅，低阻硅作为栅电极1，氧化介质层作为栅极绝缘层，在二维层状半导体纳米片两端设有源电极4和漏电极5，所述源电极4和漏电极5为贵金属电极。所述二维层状半导体纳米片可在光照射下产生大量光生载流子，通过栅电压的控制非光激发的载流子浓度，提高光检测分辨率。本发明提供的层状半导体超快光探测器具有检验速度快(可达到小于1ms)，体积小，灵敏度高等优点。

图3是根据本发明一个实施例的一种层状半导体超快光探测器的制备方法的流程示意图。如图3所示，本发明还提供了一种层状半导体超快光探测器的制备方法，包括以下步骤：

s1、通过化学气相沉积法制备少层过渡金属硫硒基化合物的薄膜；

s2、采用机械剥离法将过渡金属硫硒基化合物的薄膜剥离，制备出过渡金属硫硒基化合物的少层的层状纳米片3；

s3、在由导电材料或半导体材料构成的栅电极1上制备栅介质2绝缘层；

s4、将少层的层状纳米片3转移至所述栅电极1的栅介质2绝缘层上；

s5、在所述少层的层状纳米片3上制备源电极4和漏电极5。

具体地，在步骤s1中，通过化学气相沉积法制备少层过渡金属硫硒基化合物的薄膜。采用CVD的方法在衬底上制备少层过渡金属硫硒基化合物的薄膜。衬底可以是Si，SiO₂，石英片、玻璃或云母片等等。衬底以能够满足过渡金属硫硒基化合物在其表面沉积生长即可。例如，以二硫化锡单晶纳米片为例，以碘化亚锡粉末，升华硫粉末，作为反应源，置入管式炉，加热用CVD法得到二硫化锡单晶纳米片。

在步骤s2中，采用机械剥离法将过渡金属硫硒基化合物的薄膜剥离，制备出过渡金属硫硒基化合物的少层的层状纳米片3。将沉积有少层过渡金属硫硒基化合物的薄膜的衬底放置入含有乙醇，乙二醇或者丙酮的溶液中，通过超声震荡使其从衬底上脱落，并分散于乙醇，乙二醇或者丙酮的溶液中。通过控制超声震荡的时间间接控制制备出的少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片3的大小。超声震荡的时间过长时，会导致少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片3碎裂变小。超声震荡的时间过短时，会导致少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片3不能完全脱落。优选地，在制备二硫化锡纳米片时，超声震荡的时间为2秒。

在步骤s3中，在由导电材料或半导体材料构成的栅电极1上制备栅介质2绝缘层。可以是通过化学或者其他方法使构成栅电极1的材料发生氧化、氮化等反应，以制备出覆盖在栅电极1上表面的栅介质2绝缘层。也可以是通过化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积之类的方法在栅电极1上制备出栅介质2绝缘层。或者可以是现成的具有绝缘氧化层的导电材料或半导体材料。例如，含氧化层的重掺杂低阻硅，其中低阻硅作为栅电极1，氧化介质层作为栅介质2的绝缘层。

需要注意的是，步骤s3并无确定的先后顺序。步骤s3可以在步骤s1和步骤s2之后，也可以是在步骤s1和步骤s2之前或者之间。

在步骤s4中，将少层的层状纳米片3转移至栅电极1的栅介质2绝缘层上。将含有少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片3的乙醇，乙二醇或者丙酮的溶液，利用滴管吸取后，滴在栅电极1的栅介质2绝缘层上，并在氮气或其它惰性气体的气氛中吹干，即可将少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片3转移至栅介质2绝缘层上。

在步骤s5中，在少层的层状纳米片3上制备源电极4和漏电极5。可以是采用本领域技术人员所熟知的制备方法制备电极，以使得源电极4和漏电极5能够分别电接触层状纳米片3的两端即可。

图4是根据本发明一个实施例的一种层状半导体超快光探测器的源电极4和漏电极5的制备方法的流程示意图。如图4所示，在本发明中提供了一种制备源电极4和漏电极5的方法，包括以下步骤：

s51、涂覆PMMA光刻胶；

s52、利用电子束曝光所述PMMA光刻胶，得到所述源电极4和漏电极5需要的图形结构；

s53、蒸镀导电金属；

s54、去除所述PMMA光刻胶，得到所述源电极4和漏电极5；

其中，源电极4和漏电极5的材料为金、银、铬、钛等贵金属中的一种或多种。在步骤s53中蒸镀导电金属的厚度为50-100纳米，其可以使用电子束蒸发设备或热蒸发设备蒸镀。

本发明提供的一种层状半导体超快光探测器，由于其采用的上述制备方法，使得其结构简单，可重复性好；且其体积很小，可以控制在几百纳米-几微米；源材料简单易得，制备成本低。通过气相沉积和机械剥离法，使得其易于大规模制备，有商业应用前景。

下面结合具体的实施例进行详细说明。

实施例一：

用CVD方法生长二硫化锡纳米片。所述CVD方法生长二硫化锡纳米片接受衬底可为Si，SiO₂，石英片或云母片。

将制备得到的二硫化锡纳米片连同衬底放入含有乙醇，乙二醇或者丙酮的烧杯中，超声振荡使其从衬底上脱落分散于乙醇中。优选的，超声时间为2秒，时间过长会导致二硫化锡纳米片碎裂变小。

使用滴管吸取少量二硫化锡分散液，滴到含有坐标标记的正表面为300纳米二氧化硅薄膜的硅片上。优选的，所选硅片为重掺杂低阻硅。用氮气枪将乙醇吹干挥发。

将含有二硫化锡纳米片的SiO₂/Si表面涂覆一层PMMA光刻胶。优选的，光刻胶厚度为400纳米。

对二硫化锡纳米片进行定位。用电子束曝光设备对选定位置进行曝光。

将该样品片依次放入显影液和定影液进行显影和定影。显影定影时间分别为40秒和30秒。

用电子束蒸发设备或热蒸发设备对其沉积上一层金属。所述沉积的金属可为金，银，钛，铬的一种或多种。所述沉积的金属层为50-100纳米。

将样片依次置入丙酮，乙醇，去离子水中去胶。

连接上外接电路即可进行光检测。

本实施例中采用的二硫化锡纳米片，有着高的光响应开关比，极快的响应速率，使得其制备的层状半导体超快光探测器的光检测性能好，光开关比可达23倍，响应时间小于1毫秒。

图5是根据本发明一个实施例的基于二硫化锡纳米片的层状半导体超快光探测器的光开关检测图。如图5所示，可以看出，在0.0675mW/cm²功率密度的405激光交替照射下，二硫化锡纳米片光电传感器开关比达到500％，而且漂移很小，室温下激光照射10个循环，暗电流漂移小于10％。

图6是根据本发明一个实施例的基于二硫化锡纳米片的层状半导体超快光探测器的光响应时间曲线，从光电导可以看出，载流子浓度从光激发到饱和只需要0.4ms；图7是根据本发明一个实施例的基于二硫化锡纳米片的层状半导体超快光探测器的光激发载流子浓度衰减曲线，当激光被遮挡后，光激发载流子迅速迁移并与空穴复合，光激发的载流子浓度从饱和衰减到0只需要0.6ms。如图6和图7所示，可以看出，基于二硫化锡纳米片的层状半导体超快光探测器的响应时间小于1毫秒。

实施例二：

用CVD方法生长二硫化钼纳米薄膜。所述CVD方法生长二硫化钼纳米片接受衬底可为Si，SiO₂，石英片、云母片、蓝宝石。

将含有二硫化钼纳米片的SiO₂/Si表面涂覆一层PMMA光刻胶。优选的，光刻胶厚度为400纳米。

对二硫化钼纳米片进行定位。用电子束曝光设备对选定位置进行曝光。

将该样品片依次放入显影液和定影液进行显影和定影。显影定影时间分别为40秒和30秒。

用电子束蒸发设备或热蒸发设备对其沉积上一层金属。所述沉积的金属可为金，银，钛，铬的一种或多种。沉积的金属层为50-100纳米。

将样片依次置入丙酮，乙醇，去离子水中去胶。

连接上外接电路即可进行光检测。

实施例三：

用机械剥离法分离二硒化钼纳米薄膜，所述机械剥离法分离的二硒化钼纳米片接受衬底可为Si，SiO₂，石英片、云母片、蓝宝石。

将含有二硒化钼纳米片的SiO₂/Si表面涂覆一层PMMA光刻胶。优选的，光刻胶厚度为400纳米。

对二硒化钼纳米片进行定位。用电子束曝光设备对选定位置进行曝光。

将该样品片依次放入显影液和定影液进行显影和定影。显影定影时间分别为40秒和30秒。

用电子束蒸发设备或热蒸发设备对其沉积上一层金属。沉积的金属可为金，银，钛，铬的一种或多种。沉积的金属层为50-100纳米。

将样片依次置入丙酮，乙醇，去离子水中去胶。

连接上外接电路即可进行光检测。

本发明提供的一种层状半导体超快光探测器及其制备方法，至少存在以下技术优势：

1)光检测性能好，光开关比可达23倍，响应时间小于1毫秒。

2)结构简单，可重复性好。

3)制备工艺简单，可重复性好。

4)源材料简单易得，制备成本低。

5)二硫化锡无毒无污染。

6)易于大规模制备，有商业应用前景。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种层状半导体超快光探测器，其特征在于，包括：

栅电极；

栅介质，作为所述栅电极的绝缘层，设置在所述栅电极的上表面；

层状半导体纳米片，为平铺在所述栅介质上的少层过渡金属硫硒基化合物的层状纳米片；

源电极和漏电极，为分别覆盖在所述层状半导体纳米片的两端的金属薄膜。

2.根据权利要求1所述的层状半导体超快光探测器，其特征在于，所述栅电极由导电材料或半导体材料构成。

3.根据权利要求2所述的层状半导体超快光探测器，其特征在于，所述栅电极为重掺杂低阻硅。

4.根据权利要求1所述的层状半导体超快光探测器，其特征在于，所述栅介质为氧化物薄膜构成的栅绝缘膜。

5.根据权利要求1所述的层状半导体超快光探测器，其特征在于，所述栅介质为氧化硅薄膜，氮化硅薄膜，氧化铝薄膜，氧化铪薄膜，氧化锆薄膜、氧化钽薄膜，氧化钛薄膜中的一种。

6.根据权利要求1所述的层状半导体超快光探测器，其特征在于，所述过渡金属硫硒基化合物为由过渡金属和硫、硒或碲形成的二元及多元的具有层状结构以及具有一定带隙的半导体材料；

可选地，所述过渡金属为锡，铟，钼，镉，锆，铪中的一种或多种；

可选地，所述过渡金属硫硒基化合物为二硫化锡纳米薄片。

7.根据权利要求1所述的层状半导体超快光探测器，其特征在于，所述层状半导体纳米片的厚度在1-2000纳米之间。

8.一种层状半导体超快光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、通过化学气相沉积法制备少层过渡金属硫硒基化合物的薄膜；

s2、采用机械剥离法将过渡金属硫硒基化合物的薄膜剥离，制备出过渡金属硫硒基化合物的少层的层状纳米片；

s3、在由导电材料或半导体材料构成的栅电极上制备栅介质绝缘层；

s4、将少层的层状纳米片转移至所述栅电极的栅介质绝缘层上；

s5、在所述少层的层状纳米片上制备源电极和漏电极。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备源电极和漏电极时，包括以下步骤：

s51、涂覆PMMA光刻胶；

s52、利用电子束曝光所述PMMA光刻胶，得到所述源电极和漏电极需要的图形结构；

s53、蒸镀导电金属；

s54、去除所述PMMA光刻胶，得到所述源电极和漏电极；

其中，所述源电极和漏电极的材料为金、银、铬、钛中的一种或多种。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，机械剥离法为通过超声震荡使少层过渡金属硫硒基化合物的薄膜脱落。