CN109950403A - 一种铁电场调控的二维材料pn结光电探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器及制备方法。器件结构自下而上依次为是绝缘衬底、双极性二维半导体，金属电极、铁电功能层。器件制备步骤是：利用机械剥离法在衬底上制备双极性二维半导体，利用紫外光刻或电子束光刻的方法结合热蒸发、剥离工艺制备金属电极，然后在该结构上用旋涂法制备铁电薄膜，随后利用压电力显微镜使二维材料上方两侧的铁电材料极化方向相反，利用铁电局域场调控二维半导体两侧分别为电子和空穴导电，形成面内PN结，并用于光电探测。器件工作时无需外加电压，通过测量光照下的电流信号变化，实现光电探测，也可用于光伏能源转换。该探测器具有高灵敏、低暗电流、快速响应、稳定性好、低功耗等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维半导体光电探测器件，具体指一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器及制备方法。
背景技术
过去十几年中，二维材料由于其独特性能在各个领域受到广泛关注和研究。以石墨烯、黑磷以及二硫化钼为代表的二维材料在生物、医学、化学以及物理等不同领域都有重大突破。由于大多数二维材料都具有半导体特性，并且其带隙各不相同，足以覆盖整个光谱，因此在光电探测领域也表现出巨大潜力。如石墨烯在太赫兹波段的探测研究以及其它二维材料对紫外到红外波段的探测研究等都为光电探测领域提供了新途径。
由于二维材料种类丰富，能带结构多样，且表面不存在悬挂键，因此可不受限于晶格匹配的限制而形成各种不同的异质结。PN结作为一种重要的异质结是现代电子和光电器件的基础元件，并广泛应用于二极管，双极型晶体管，发光二极管，太阳能电池，光电探测器等等。传统PN结结区通常通过化学掺杂的方式形成，而很多二维材料本身具有双极性，例如WSe2,MoTe2,黑磷等，因此可以通过静电掺杂在同一块二维材料内形成PN结，即通过栅电极施加不同电压使一块二维材料内的载流子是电子或者空穴，从而形成面内PN结。两个距离很近的栅电极分别施加不同电压，加负电压一侧使WSe2的费米能级向价带顶移动，从而实现空穴注入，另一侧加正电压使费米能级向导带底移动，实现电子注入，这样就在同一块二维材料中实现了PN结。二极管有良好的整流特性，理想因子和整流因数分别是1.9和105，对可见光有明显的光响应，响应率达到210mA/W[Nature nanotechnology,2014,9(4):262]。另外，这个器件具有光伏特性和电致发光特性，可用于光伏太阳能电池和发光二极管，其光电转化效率和发光效率分别达到0.5％和0.1％[Nature nanotechnology,2014,9(4):257]。
虽有上述优点，但此器件要求栅电极在空间上间隔很小(约三百纳米)，对工艺要求极高，且工作时需不断施加两个栅极电压，极大增加了能耗。为了规避这些不足，我们提出用铁电材料剩余极化调控同一块二维材料内的载流子类型从而形成PN结的方法。铁电材料是具有极化特性的一类电介质材料，施加外加电压使铁电材料极化，撤去外加电压后，其内部电偶极子整齐排列，可以产生巨大的内建电场。因此将铁电材料与二维材料相结合，利用铁电材料的剩余极化产生的强局域电场来调控二维材料的内部特性。通过压电力显微镜(PFM)针尖给有机铁电聚合物聚偏氟乙烯(P(VDF-TrFE))施加一个大于其矫顽场的扫描电压，并且两端的电压方向相反，保证二维材料上方的P(VDF-TrFE)完全极化且铁电畴方向恰好相反。在铁电材料剩余极化场的作用下，双极性二维材料的两边分别是空穴和电子注入，形成PN结，从而实现光电探测。由于单一二维材料的光电流主要源于光电导效应，因此光响应慢，响应率低。而P(VDF-TrFE)极化电场调控下形成的PN结，其光伏特性不仅可以实现快响应，高响应率，而且不用在工作时一直加着电压，极大降低能耗。
本发明利用铁电材料极化所产生的强局域场来调控二维材料的内部载流子形成PN结，将该器件应用于光电探测，可以有效提高二维材料的光响应率、响应时间等性能，且无需施加外加栅压。在极大程度上开发和利用了二维材料在光电探测上的潜力，同时加速了其在光电探测领域走向应用的步伐。
发明内容
本发明提出了一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器及制备方法，拓宽了二维半导体光电探测领域的应用。
上述发明利用铁电材料调控二维材料形成面内PN结，并用于光电探测器。该探测器结构利用铁电极化形成的局域电场，使双极性二维材料的一边电子导电，一边空穴导电，形成面内PN结，可实现器件的高灵敏、低功耗及快速度探测。
本发明指一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器及制备方法，其特征在于，器件结构自下而上依次为：
-衬底1，
-二维半导体2、
-金属电极3、
-铁电功能层4、
其中衬底1为具有二氧化硅层的硅衬底；
其中二维半导体2为双极性过渡金属化合物，厚度10-15纳米；
其中金属源极3为为铬/金电极，铬厚度为10纳米，金厚度为20纳米；
其中铁电功能层4为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜；
本发明指一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器及制备方法，其特征在于器件制备包括以下步骤：
1)衬底准备
衬底为硅衬底。
2)双极性过渡金属化合物二维半导体制备及转移
采用机械剥离转移方法将双极性过渡金属化合物二维半导体转移至衬底。
3)电极制备
采用紫外光刻或者电子束曝光技术，结合热蒸发及lift-off工艺制备金属电极3。电极为铬/金，厚度分别为10/20纳米。
4)聚偏氟乙烯基铁电功能层的制备
在制备好的器件上运用旋涂方法制备聚偏氟乙烯基铁电功能层，并在135℃温度下退火2小时保证功能层的结晶特性。
5)利用压电力显微镜极化铁电功能层
压电力显微镜(PFM)即是在原子力显微镜(AFM)基础上利用导电探针检测样品在外加激励电压下电致形变量的显微镜，PFM的探针以接触模式对样品进行扫描，信号发生器所产生电压施加于PFM探针与样品电极之间，利用PFM微悬臂背面所反射的激光束来监测电致形变量。此发明正是利用PFM针尖施加在样品上的电压来极化P(VDF-TrFE)。经摸索后发现，扫描电压和扫描频率分别控制为±25V，1Hz较合适。扫描过程中，材料左侧P(VDF-TrFE)施加-25V扫描电压，右侧施加+25V扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料，进而利用铁电场调控二维材料形成面内PN结，并将其用于光电探测器。
器件工作时，既不需要外加栅极电压，也无需在电极间施加电压，其工作状态示意图如图1所示。不同波长、辐射能量光照下，当入射光子的能量大于二维材料的禁带宽度时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子(电子-空穴对)。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能通过结区。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡PN结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负，此时费米能级分离，因而产生压降，如图2所示。光伏效应表现在电流-电压关系上就是曲线整体向下移动，产生开路电压和短路电流，如图3所示。这个结构既可以用于光电探测，也可用于光伏太阳能电池。图4是器件在520nm波长光照下的实际测试结果(半对数坐标)，有明显的光响应，且开路电压和短路电流随着入射光功率增加而变大。
本发明专利的优点在于：利用极化方向相反的铁电材料所产生的强局域场调控二维材料内部载流子形成PN结，并将其应用于光电探测，不同于传统背栅场管器件需外加栅压来调节二维材料费米能级从而形成电子或者空穴注入，本发明通过PFM针尖极化铁电材料，使其两端的极化一边向上，一边向下，利用铁电材料剩余极化形成的强局域场在同一块二维材料上实现面内PN结，铁电材料的剩余极化能稳定保持，即探测器在工作时无需加外加栅压，降低能耗。且铁电畴的空间宽度在10纳米以内，摆脱了栅电极的空间尺寸限制。另外，二维半导体PN结的实现往往需要两种材料叠加在一起，这个过程伴随着转移，去胶等繁琐的工艺过程，可能导致器件的性能退化，而利用铁电材料可在同一块二维材料上实现PN结，基于光伏效应的探测原理，相对于没有铁电层时有响应速度快，响应率高，灵敏度高等优点。
附图说明
图1为铁电材料调控二维材料形成的面内PN结光电探测器结构的截面示意图。
图中：1绝缘衬底、2双极性二维半导体、3金属电极、4铁电功能层。
图2为铁电材料调控二维材料形成的面内PN结光电探测器在工作时的能带结构示意图。
图中：Ef为费米能级，Ec为导带底，Ev是价带顶，qVbi为PN结内建电势差，qVoc为光生电动势。
图3为铁电材料调控二维材料形成的面内PN结光电探测器在光照下的电流-电压关系示意图。
图中：V和I分别为两个电极间的电压和电流。Voc为开路电压，Isc为短路电流。
图4为实施例1中铁电材料调控二维材料形成的面内PN结光电探测器在光照下的电流-电压关系。
图5为实施例2中铁电材料调控二维材料形成的面内PN结光电探测器在光照下的电流-电压关系。。
图6为实施例3中铁电材料调控二维材料形成的面内PN结光电探测器在光照下的电流-电压关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
本发明研制了铁电局域场调控下的二维半导体面内PN结高灵敏光电探测器。通过两侧极化方向相反的P(VDF-TrFE)铁电聚合物材料，使双极性二维半导体材料一边空穴导电，一边电子导电，形成面内PN结用于光电探测，实现了高响应率，快响应速度，低功耗。
具体步骤如下：
1.衬底选择
衬底为硅/二氧化硅衬底。
2.二维半导体转移制备
用胶带将双极性过渡金属化合物MoTe2晶体机械剥离，后将其转移至衬底上，MoTe2厚度为10-15纳米。
3.电极制备
利用电子束光刻的方法制备电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬10纳米，金20纳米；结合lift-off方法，剥离金属膜，获得金属电极，沟道宽度为5微米。
4.铁电功能层制备
运用旋涂法制备P(VDF-TrFE)铁电功能层，并在135℃温度下退火2小时保证其结晶特性。
5.利用压电力显微镜极化铁电功能层
压电力显微镜(PFM)即是在原子力显微镜(AFM)基础上利用导电探针检测样品在外加激励电压下电致形变量的显微镜，PFM的探针以接触模式对样品进行扫描，信号发生器所产生电压施加于PFM探针与样品电极之间，利用PFM微悬臂背面所反射的激光束来监测铁电材料电致形变量。利用PFM针尖施加在样品上的电压来极化P(VDF-TrFE)，扫描电压和扫描频率分别控制为±25V，1Hz较合适。扫描过程中，材料左侧P(VDF-TrFE)施加-25V扫描电压，右侧施加+25V扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料，进而利用铁电场调控二维材料形成面内PN结。测量了520纳米波长光照下的光电响应特性，观测到了明显的光伏效应，如图4所示。实现二维半导体光电探测器高灵敏探，快响应速度，低功耗。
实施例1：
本实施例中提供一种铁电畴调控的MoTe2面内PN结，所述器件的结构截面如图1所示。
所述探测器自下而上依次为衬底1，二维半导体2、金属电极3、铁电功能层4。
实施例1中衬底1为硅/二氧化硅衬底，二氧化硅厚度为285纳米；二维半导体2为二维材料MoTe2，其厚度为10纳米；金属电极3为铬/金电极，铬10纳米，金20纳米；铁电功能层4为铁电聚合物P(VDF-TrFE)，其厚度为50纳米。
图4为铁电材料调控二维材料形成的面内PN结光电探测器在光照下的电流-电压关系，零偏压下有明显的光电流，开路电压为0.12伏特，短路电流为12皮安。
实施例2：
本实施例中提供一种铁电畴调控的MoTe2面内PN结，所述器件的结构截面如图1所示。
所述探测器自下而上依次为衬底1，二维半导体2、金属电极3、铁电功能层4。
实施例2中衬底1为硅/二氧化硅衬底，二氧化硅厚度为285纳米；二维半导体2为二维材料MoTe2，其厚度为12纳米；金属电极3为铬/金电极，铬10纳米，金20纳米；铁电功能层4为铁电聚合物P(VDF-TrFE)，其厚度为50纳米。
图5为铁电材料调控二维材料形成的面内PN结光电探测器在光照下的电流-电压关系，零偏压下有明显的光电流，开路电压为0.14伏特，短路电流为24皮安。
实施例3：
本实施例中提供一种铁电畴调控的MoTe2面内PN结，所述器件的结构截面如图1所示。
所述探测器自下而上依次为衬底1，二维半导体2、金属电极3、铁电功能层4。
实施例3中衬底1为硅/二氧化硅衬底，二氧化硅厚度为285纳米；二维半导体2为二维材料MoTe2，其厚度为15纳米；金属电极3为铬/金电极，铬10纳米，金20纳米；铁电功能层4为铁电聚合物P(VDF-TrFE)，其厚度为50纳米。
图6为铁电材料调控二维材料形成的面内PN结光电探测器在光照下的电流-电压关系，零偏压下有明显的光电流，开路电压为0.16伏特，短路电流为37皮安。
本发明指铁电场调控的二维材料PN结光电探测器，该结构器件可有效降低暗电流、提高器件的信噪比，明显改善器件的响应速度，降低了功耗。极大程度上开发和利用了二维材料在光电探测应用上的潜力，同时加速了其在光电探测领域走向应用的步伐。
Claims (2)
1.一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器，包括绝缘衬底(1)，二维半导体(2)、金属电极(3)、铁电功能层(4)，其特征在于：
所述的光电探测器的结构为：自下而上依次为：绝缘衬底(1)，二维半导体(2)、金属电极(3)、铁电功能层(4)；其中：
所述的衬底(1)为具有二氧化硅层的硅衬底；
所述的二维半导体(2)为双极性过渡金属化合物，厚度在10-15纳米；
所述的金属电极(3)为铬金复合电极，铬厚度为10纳米，金厚度为20纳米；
所述的铁电功能层(4)为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜。
2.一种制备如权利要求1所述一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用机械剥离转移方法将双极性过渡金属化合物二维半导体(2)转移至衬底(1)表面；
2)采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发及剥离工艺制备金属电极(3)；
3)运用旋涂方法制备P(VDF-TrFE)铁电功能层(4)，并在135℃温度下退火2小时保证功能层的结晶特性；
4)利用压电力显微镜极化铁电功能层
压电力显微镜(PFM)即是在原子力显微镜基础上利用导电探针检测样品在外加激励电压下电致形变量的显微镜，PFM的探针以接触模式对样品进行扫描，信号发生器所产生电压施加于PFM探针与样品电极之间，利用PFM微悬臂背面所反射的激光束来监测电致形变量，利用PFM针尖施加在样品上的电压来极化P(VDF-TrFE)，扫描电压和扫描频率分别控制为±25V，1Hz，扫描过程中，材料左侧P(VDF-TrFE)施加-25 V扫描电压，右侧施加+25 V扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料，进而利用铁电场调控二维材料形成面内PN结光电探测器。
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