CN110620164B - 基于二维层状半导体材料的偏振光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于二维层状半导体材料的偏振光探测器、其制备方法及应用，该偏振光探测器包括基底和均设置在基底上的源电极、漏电极以及有源层；所述有源层设置在源电极和漏电极之间。本发明通过使用二维层状半导体材料作为有源层，而源电极、漏电极均为金属材料，选择合适的金属材料金，使半导体和金属的交界面为欧姆接触，保留材料本身的光电性质；本发明使用的二硫化铅锡具有高的光电响应率及偏振性，且光吸收区域覆盖紫外到近红外波段，在偏振光探测中有广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器的制备技术领域，尤其涉及一种基于二维层状半导体材料的偏振光探测器及其制备方法。
背景技术
二维材料光电探测器在过去的十几年引起了广泛的关注。过渡金属硫族化合物是一类重要的二维材料，优异的光电性能使其在光电探测器领域具有很大的潜力。随着科学技术的迅猛发展，对光电探测器的要求也越来越高，拓宽光电探测器的探测光谱范围是一个重要的方向，同时，偏振光探测能提供更高的探测精度，在未来的光电探测领域有广阔的应用前景。
光电探测器的原理是光激发载流子从而引起被照射材料的电导率发生改变，从而将光信号转化为电信号。自从2004年石墨烯的成功制备以来，二维材料迅速发展。二维光电探测器因其体积小，功耗低，响应快等特点而备受关注。光电探测在红外成像、环境监测和光通信等方面都扮演着十分重要的角色。目前，许多二维半导体材料已被应用到光电探测领域，如二硫化钼，二硫化锡，二硒化铼，碲化镓等。然而，这些材料的探测光谱范围都比较单一，如限制在可见光或近红外区域。因此，寻找对宽光谱范围响应的材料是一个重要的方向。低对称性的二维材料具有各项异性，将其应用到光电探测器中可以制备出对不同方向偏振光敏感的线偏振光探测器，提高探测的准确度和灵敏度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于二维层状半导体材料的偏振光探测器、其制备方法及应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于二维层状半导体材料的偏振光探测器，包括：
基底和均设置在基底上的源电极、漏电极以及有源层；
所述有源层设置在源电极和漏电极之间。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述的偏振光探测器的制备方法包括如下步骤：
在基底上制备有源层；
在基底上于有源层的两侧分别制备漏电极和源电极并引线；
对上述形成的器件封装后得到所述的偏振光探测器。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种如上所述的偏振光探测器或如上所述制备方法得到的偏振光探测器在光电探测器领域的应用。
从上述技术方案可以看出，本发明基于二维层状半导体材料的偏振光探测器、其制备方法及应用，至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明通过使用二维层状半导体材料作为有源层，而源电极、漏电极均为金属材料，选择合适的金属材料金，使半导体和金属的交界面为欧姆接触，保留材料本身的光电性质；
(2)本发明使用的二硫化铅锡具有高的光电响应率及偏振性，且光吸收区域覆盖紫外到近红外波段，在偏振光探测中有广泛的应用；
(3)本发明有源层本身表现出优异的偏振光探测性能，对较宽范围光谱的光(紫外-可见-近红外)都有响应；
(4)本发明通过在硅/二氧化硅基底上转移用胶带机械剥离的二维半导体材料作为有源层，有源层的光吸收区域可遍布紫外-可见-近红外区域，非常有利于偏振光探测的应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于二维层状半导体材料的线偏振光探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于二维层状半导体材料的线偏振光探测器的截面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于二维层状半导体材料的线偏振光探测器的制备方法流程图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
11-源电极；12-漏电极；13-二氧化硅层；14-P型二维层状半导体材料；15-硅层；16-激光。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种基于二维层状半导体材料的偏振光探测器，包括：基底和均设置在基底上的源电极、漏电极以及有源层；
所述有源层设置在源电极和漏电极之间。
其中，所述基底包括硅层和设置在硅层上的二氧化硅层；所述源电极、漏电极以及有源层均设置在二氧化硅层上。
其中，所述有源层采用的材料包括二维层状半导体材料；
其中，所述有源层的厚度为1～50nm。
其中，所述二维层状半导体材料具有各向异性；
所述二维层状半导体材料包括P型二维层状半导体材料；
其中，所述二维层状半导体材料包括二硫化铅锡。
其中，所述源电极和漏电极采用的材料均为金；
其中，所述有源层与源电极、漏电极的交界面均为欧姆接触；
其中，所述源电极材料和漏电极材料的功函数与有源层材料的费米能级相互匹配；
其中，所述源电极和漏电极的厚度均为20～100nm。
其中，所述线偏振光探测器的探测波段为紫外至近红外波段。
本发明还公开了一种如上所述的偏振光探测器的制备方法，包括如下步骤：
在基底上制备有源层；
在基底上于有源层的两侧分别制备漏电极和源电极并引线；
对上述形成的器件封装后得到所述的偏振光探测器。
其中，所述在基底上制备有源层的步骤具体包括：在基底上用聚二甲基硅氧烷转移二维层状半导体材料作为有源层；
其中，制备所述漏电极和源电极的步骤具体包括：
在所述制备好有源层的基底上旋涂掩模材料；
在所述掩模材料上刻蚀出源电极和漏电极的电极区域；
在所述电极区域上沉积金；
将所述掩模材料除去，得到所述源电极和漏电极。
其中，所述掩模材料包括聚甲基丙烯酸甲酯；
其中，所述源电极和漏电极的电极区域是采用电子束刻蚀得到的；
其中，所述源电极和漏电极是通过磁控溅射方法沉积得到的；
其中，所述将所述掩模材料除去步骤包括依次采用丙酮、乙醇及去离子水对所述掩模材料进行清洗除去。
本发明还公开了一种如上所述的偏振光探测器或如上所述制备方法得到的偏振光探测器在光电探测器领域的应用。
在本发明的一个示例性实施例中，基于二维层状半导体材料的偏振光探测器，包括：硅片基底、源电极、漏电极以及有源层；所述源电极、有源层以及漏电极从左至右依次位于所述硅/二氧化硅基底上方；所述有源层的材料为P型二维层状半导体材料，其具有各向异性；所述源电极和漏电极的材料均为金。本发明提供的基于二维层状半导体材料的光电探测器，通过使用剥离的二维层状半导体材料作为有源层，选择合适的电极材料，使半导体和金属的交界面为欧姆接触，保证了材料的本征性质，其对紫外-可见光-近红外光波都有响应。
在本发明的另一个示例性实施例中，一种基于二维层状半导体材料的线偏振光探测器，包括：
源电极、漏电极、有源层以及硅/二氧化硅基底；
所述源电极、有源层以及漏电极从左至右依次位于所述二氧化硅基底上方；
所述有源层的材料为具有各向异性的P型二维层状半导体材料；
所述源电极和漏电极的材料均为金属材料；
所述有源层与源电极、漏电极的交界面均欧姆接触。
在本发明的一些实施例中，所述有源层为P型二维层状半导体材料二硫化铅锡(PbSnS2)；所述源电极和漏电极的材料均为金属材料Au。
在本发明的一些实施例中，由胶带剥离出较薄的PbSnS2有源层材料，有源层厚度为1～50nm。
在本发明的一些实施例中，所述源电极和漏电极的金属材料的功函数与有源层材料的费米能级匹配，形成欧姆接触，保证了材料的本征光电性质，不受接触界面的影响。
在本发明的一些实施例中，所述硅基底和二氧化硅基底分别作为栅电极和绝缘层。
在本发明的一些实施例中，线偏振光探测器的探测波段为紫外至近红外波段。
在本发明的一些实施例中，所述有源层的有效尺寸：宽为2μm，高为20nm，长为4μm，所述源电极和漏电极的厚度均为50nm，长和宽分别为150μm和100μm。
如上所述基于P型二维层状半导体材料的光电探测器制备方法包括如下步骤：
在硅/二氧化硅基底上用聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移胶带剥离的P型二维层状半导体材料作为有源层；
在所述硅/二氧化硅基底上，位于有源层的左右两侧的位置，制备漏电极和源电极；
对由所述有源层、漏电极、源电极以及二氧化硅基底形成的整体结构进行封装，得到所述基于P型二维层状半导体材料的光电探测器。
在本发明的一些实施例中，在所述硅/二氧化硅基底上，位于有源层的左右两侧的位置，制备源电极和漏电极，包括：
在所述转移了所述有源层材料的硅/二氧化硅基底上旋涂掩模材料；
设计电极图版，在所述掩模材料上刻蚀出所述源电极和漏电极的电极区域；
在所述电极区域上沉积金属材料金；
将所述掩模材料洗去，得到所述源电极和漏电极。
在本发明的一些实施例中，所述掩模材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，采用电子束刻蚀方法刻蚀所述源电极和漏电极的电极区域。
在本发明的一些实施例中，采用磁控溅射方法沉积所述源电极和漏电极。
在本发明的一些实施例中，将所述掩模材料洗去步骤中采用丙酮、乙醇及去离子水依次对所述掩模材料进行清洗。
在本发明的又一个示例性实施例中，一种基于二维层状半导体材料的偏振光探测器，包括：
漏电极、源电极、有源层以及硅/二氧化硅基底；
所述源电极、有源层以及漏电极从左至右依次位于所述硅/二氧化硅基底上方；
所述有源层为P型半导体二维材料；所述源电极和漏电极的材料均为金，所述有源层与源、漏电极的交界面为欧姆接触，保证了光电信号来自材料本身。
在一些实施例中，所述有源层的材料为P型半导体二硫化铅锡二维层状材料；所述源电极和漏电极的材料均为金属材料Au。
在一些实施例中，所述线偏振光探测器的探测波段为紫外-可见光-近红外。
在一些实施例中，所述有源层的宽为2μm，长为4μm，高为20nm，所述源电极和漏电极的厚度均为50nm，长和宽分别为150μm和100μm。
如上所述的基于欧姆接触的宽光谱偏振光电探测器的制备方法，包括：
在硅/二氧化硅基底上制备P型二维半导体材料作为有源层；
在所述硅/二氧化硅基底上，位于有源层的左右两侧的位置，制备源电极和漏电极；
对由所述有源层、源电极、漏电极以及硅/二氧化硅基底形成的整体结构进行封装，得到所述基于二维层状半导体材料的线偏振光探测器。
在一些实施例中，在所述二氧化硅基底上，位于有源层的左右两侧的位置，制备源电极和漏电极，包括：
在所述硅/二氧化硅基底上，位于有源层的左右两侧的位置，旋涂掩模材料；
设计电极图版，在所述掩模材料上刻蚀出所述源电极和漏电极的电极区域；
在所述样品上沉积所述金属材料金；
将所述掩模材料洗去，得到所述源电极和漏电极并引线；
在一些实施例中，所述掩模材料为PMMA，采用电子束刻蚀方法刻蚀所述源电极和漏电极的电极区域。
在一些实施例中，采用磁控溅射方法沉积所述源电极和漏电极。
在一些实施例中，将所述掩模材料洗去步骤中采用丙酮、乙醇及去离子水依次对所述掩模材料进行清洗。
在一些实施例中，采用铝丝球焊机进行引线。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
本发明一些实施例将于下面参照附图做更全面的描述，其中一些但不限于此实例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以各种不同的形式出现，而不应被解释为限于此的实施例。
本发明一种基于二维层状半导体材料的偏振光探测器及其制备方法，偏振光探测器自下而上包括：硅/二氧化硅基底、二维薄层半导体材料和源、漏金属电极；二维薄层半导体材料为具有偏振特性的低对称性材料。本发明使用的材料本身具有各向异性，直接带隙等特点，使得光电探测器对宽光谱范围的激光都有响应且可以探测不同方向的线偏振光，提高探测的准确性。
具体的，本实施例的基于二维层状半导体材料的偏振光探测器，如图1所示，包括：
源电极11、漏电极12、二氧化硅基底13以及有源层14；
源电极11、有源层14以及漏电极12从左至右依次位于二氧化硅基底13上方；
有源层14的材料为P型二维层状半导体材料；源电极11和漏电极12的材料均为金属材料。
本实施例的基于二维层状半导体材料的线偏振光探测器，通过使用P型二维层状半导体材料作为有源层14，而源电极11、漏电极12均为金属材料，使半导体和金属交界面处为欧姆接触，保留了材料的本征光电性质。
在本实施例中，有源层14的材料为P型二维层状半导体材料PbSnS2；源电极11和漏电极12的材料均为金属材料Au。
在本实施例中，P型二维层状半导体材料和金属交界面处的欧姆接触保留了有源层材料的本征性质。
本实施例中的有源层材料为PbSnS2，其本身具有直接带隙和低对称性，更有利于光的吸收和对偏振光的敏感性。直接带隙促进了材料对光的吸收，从而提高了光响应，显著增加了光电流与暗电流的比值。各向异性使材料能够探测不同角度的偏振光，提高了探测的精度和准确率。并且，本发明实施例所述有源层材料对紫外到近红外光波段均有响应。这些优异的性能拓宽了本发明实施例中的线偏振光探测器的应用范围。
在另一具体实施例中，如图2所示，基于肖特基结构的偏振光探测器包括：源电极11、漏电极12、二氧化硅层13以及有源层14，以及位于二氧化硅基底下方的硅层15。该硅层15与二氧化硅层13为一体结构。
上述基于二维层状半导体线偏振光探测器的制备方法，如图3所示，该方法包括：
S31，在硅/二氧化硅基底上用PDMS转移用胶带剥离的薄层P型二维层状半导体作为有源层14；
S32，在二氧化硅层13上，位于有源层14的左右两侧的位置，制备源电极11和漏电极12；
S33，对由有源层14、源电极11、漏电极12以及硅/二氧化硅基底形成的整体结构进行封装，得到基于二维层状半导体的宽光谱光电探测器(即基于二维层状半导体的偏振光探测器)。
本实施例提供的基于二维层状半导体的线偏振光探测器的制备方法，通过在硅/二氧化硅上转移二维层状半导体材料作为有源层14，使有源层的光吸收区域可遍布紫外到近红外区域，非常有利于敏感偏振光探测。
在本实施例中，可以通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移用Scotch胶带剥离的薄层二维层状半导体材料作为有源层14，该材料为二硫化铅锡(PbSnS2)。
在本实施例中，步骤S32，包括：
在硅/二氧化硅基底上，位于有源层14的左右两侧的位置，旋涂掩模材料；
设计电极图版，在掩模材料上刻蚀出所述源电极和漏电极的电极区域；
在电极区域上沉积源电极和漏电极；
将掩模材料洗去，得到源电极和漏电极并引线。
在本实施例中，掩模材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，采用电子束刻蚀所述源电极和漏电极的电极区域；采用电阻蒸发镀膜法沉积所述源电极和漏电极；采用丙酮、乙醇及去离子水依次对掩模材料进行清洗，采用铝丝球焊机进行引线。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。此外，上述对各原件和方法的都定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状和方式。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。
以上，本发明提高一种基于二维层状半导体材料的线偏振光探测器及其制备方法，提供机械剥离出薄层的二维层状半导体材料作为有源层，根据本发明以上提供的方法制备出偏振光探测器，基于二维层状半导体材料的线偏振光探测器具有优异的性能，对紫外至近红外光波段都有响应，开关比较高，偏振特性明显。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以上描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于二维层状半导体材料的偏振光探测器，包括：基底和均设置在基底上的源电极、漏电极以及有源层；所述有源层设置在源电极和漏电极之间；
所述有源层采用的材料为二硫化铅锡二维层状半导体材料；
所述有源层与源电极、漏电极的交界面均为欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的偏振光探测器，其特征在于，
所述基底包括硅层和设置在硅层上的二氧化硅层；所述源电极、漏电极以及有源层均设置在二氧化硅层上。
3.根据权利要求1所述的偏振光探测器，其特征在于，
所述有源层的厚度为1~50 nm。
4.根据权利要求1所述的偏振光探测器，其特征在于，
所述二维层状半导体材料具有各向异性；
所述二维层状半导体材料包括P型二维层状半导体材料。
5.根据权利要求1所述的偏振光探测器，其特征在于，
所述源电极和漏电极采用的材料均为金；
所述源电极材料和漏电极材料的功函数与有源层材料的费米能级相互匹配；
所述源电极和漏电极的厚度均为20~100 nm。
6.根据权利要求1所述的偏振光探测器，其特征在于，
所述偏振光探测器的探测波段为紫外至近红外波段。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的偏振光探测器的制备方法，包括如下步骤：
在基底上制备有源层；
在基底上于有源层的两侧分别制备漏电极和源电极并引线；
对上述形成的器件封装后得到所述的偏振光探测器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
所述在基底上制备有源层的步骤具体包括：在基底上用聚二甲基硅氧烷转移二维层状半导体材料作为有源层；
制备所述漏电极和源电极的步骤具体包括：
在所述制备好有源层的基底上旋涂掩模材料；
在所述掩模材料上刻蚀出源电极和漏电极的电极区域；
在所述电极区域上沉积金；
将所述掩模材料除去，得到所述源电极和漏电极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，
所述掩模材料包括聚甲基丙烯酸甲酯；
所述源电极和漏电极的电极区域是采用电子束刻蚀得到的；
所述源电极和漏电极是通过磁控溅射方法沉积得到的；
所述将所述掩模材料除去步骤包括依次采用丙酮、乙醇及去离子水对所述掩模材料进行清洗除去。
10.如权利要求1-6任一项所述的偏振光探测器或如权利要求7-9任一项所述制备方法得到的偏振光探测器在光电探测器领域的应用。
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