CN110729375B - 单边耗尽区的高效快速范德华异质结探测器及制备方法 - Google Patents
单边耗尽区的高效快速范德华异质结探测器及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种单边耗尽区的高效快速范德华异质结探测器及制备方法。器件结构自下而上依次为是衬底、范德华异质结，金属源漏电极。器件制备步骤是依次将机械剥离的黑砷磷(AsP)薄片和二硫化钼(MoS2)薄片通过定点转移到硅衬底上并形成范德华异质结。运用电子束光刻并结合lift‑off工艺制备金属源极和漏极，形成异质结场效应晶体管结构。器件的独特性在于其异质结是单边耗尽的pp结，有别于双边耗尽的pn结。单边耗尽的异质结可以有效抑制遂穿辅助的界面复合和界面缺陷捕获效应，从而实现高量子效率、光电转换效率以及快的响应速度。本发明的探测器具有信噪比高、量子效率和光电转换效率高、响应快的特点，并且可应用于太阳能电池领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种范德华异质结光电探测器件，具体指利用p型MoS2和p型AsP形成具有单边耗尽区的范德华异质结，减少遂穿辅助的界面复合和界面缺陷捕获效应，实现高的量子效率、光电转换效率以及快的响应时间。
背景技术
二维范德华半导体材料由于具有特殊的光、电、磁等物理化学性能及纳米结构的奇特性能，引起了科学家们的广泛关注，被公认为是发展下一代纳米电子器件和光电子器件的基础，成为当今纳米材料研究领域的前沿。由于二维范德华材料表面无悬挂键，且层间由较弱的范德华力结合，因此可以很容易地将任意两种材料堆叠形成二维范德华异质结，避免传统半导体材料异质外延时的晶格匹配问题。这种任意堆叠给器件设计带来了很大的自由度，可以制备出传统半导体材料难以实现的异质结。二维范德华异质结在二极管器件、遂穿晶体管、探测器、太阳能电池等方面展现出潜在的优势及其应用前景。近年来，基于二维范德华异质结的光电探测器由于具有高的信噪比、低暗电流、高量子效率、快的响应时间而备受关注。然而，目前报道的二维范德华异质结探测器都是基于pn结，其p区和n区都是载流子耗尽的。光生电子和空穴都需要穿过异质界面，导致界面复合非常严重，大大降低了器件的量子效率。其次，目前制备的二维范德华异质结界面处都存在较多的缺陷态，这些缺陷态会捕获光生载流子，使得器件的响应时间变慢。
为了解决上述问题，本发明提出了一种单边耗尽区的高效快速二维范德华异质结探测器及制备方法。该器件是利用p型MoS2和p型AsP通过人工堆叠形成具有单边耗尽区的二维范德华异质结。该单边耗尽区存在于MoS2一侧。在光伏模式下，只有光生电子通过界面，因此可以有效减少遂穿辅助的界面复合和界面缺陷捕获效应，实现高的量子效率、光电转换效率以及快的响应时间。
发明内容
本发明提出了一种单边耗尽区的高效快速范德华异质结探测器及制备方法。该探测器利用独特的单边耗尽区器件结构，有效减少界面复合及界面缺陷捕获效应，显著提高了器件的量子效率、光电转换效率及响应时间。
所述的探测器的结构为：在P型Si衬底1上是SiO2氧化层2、在SiO2氧化层2上制备有由AsP二维半导体3和MoS2二维半导体4形成的范德华异质结，在AsP和MoS2两端分别是漏电极5和源电极6，且每个源漏电极都有两个。
所述的的P型Si衬底1是硼重掺杂，电阻率小于0.05Ω·cm；
所述的SiO2氧化层2厚度是285nm；
所述的二维半导体3为AsP薄片，薄片厚度在50-60nm；
所述的二维半导体4为MoS2薄片，薄片厚度在50-70nm；
所述的源或漏电极5或6是金属Cr和Au，厚度分别是10-15和45-85nm。
本发明的一种单边耗尽区的高效快速范德华异质结探测器的制备方法步骤如下：
1)AsP薄片制备及转移
在氮气保护的手套箱中，利用胶带，采用机械剥离的方法制备不同厚度的AsP薄片。利用PDMS将制备的AsP薄片转移至氧化物层2表面。在光学显微镜下，利用颜色选定特定厚度的AsP薄片。
2)MoS2薄片制备及转移
在氮气保护的手套箱中，利用胶带，采用机械剥离的方法制备不同厚度的MoS2薄片，将其转移至覆有PDMS的载玻片上。
3)二维范德华异质结MoS2/AsP的制备
在氮气保护的手套箱中，利用显微镜辅助的定点转移平台，选择合适厚度的MoS2薄片，将其转移至事先选好的AsP薄片上，以此形成二维范德华异质结MoS2/AsP。
4)二维范德华异质结MoS2/AsP源漏电极的制备
采用电子束光刻技术，结合热蒸发及lift-off工艺制备金属源极5和漏极6，形成背栅调控的二维异质结场效应晶体管器件结构。针对不同厚度的MoS2薄片，利用热蒸镀沉积不同厚度的铬和金(铬/金厚度分别为10/45nm，15/65nm，15/85nm)。器件制备完成后，旋涂一层PMMA光刻胶作为保护层，防止AsP接触空气而氧化。
单边耗尽区异质结的形成，关键在于p型MoS2。通过大量实验，发现MoS2的导电类型与厚度相关。当MoS2的厚度小于40nm时，MoS2是n型导电的；当MoS2的厚度介于40-50nm时，MoS2是呈现出双极性；当MoS2的厚度大于50nm时，MoS2是p型导电的。因此，选择50-70nm的MoS2薄片及AsP薄片，可以形成单边耗尽的pp异质结。由于单边耗尽区存在于MoS2一侧，在光伏模式下，只有光生电子通过界面，因此可以有效减少遂穿辅助的界面复合和界面缺陷捕获效应，实现高的量子效率、光电转换效率以及快的响应时间。器件的工作原理示意图如图2所示。正面入射的可见光被MoS2吸收，产生光生电子和空穴。其中光生电子在内建电场的作用下向AsP一侧漂移，越过异质结界面后与AsP中的多数载流子空穴复合，损失一小部分能量后被漏极收集。光生空穴则在内建电场作用下向源极一侧漂移并被源极收集。因此形成短路电流和开路电压，即该探测器可用作光伏型探测器或者太阳能电池。
本发明专利的优点在于：利用二维范德华材料无表面悬挂键的特点，可以将二维p型MoS2和p型AsP堆叠形成单边耗尽的范德华异质结。单边耗尽区可以有效减少光生载流子的界面复合和界面缺陷捕获效应，提高量子效率、光电转换效率以及响应速度。该探测器具有零偏压、信噪比高、量子效率高、响应快等优点。
附图说明
图1是单边耗尽区的范德华异质结探测器截面示意图。其中1为Si衬底，2为SiO2层，3为二维AsP，4为二维MoS2，5为源电极Cr/Au，6为漏电极Cr/Au。
图2是双边耗尽区pn结和单边耗尽区pp+结的区别。其中图2a是双边耗尽区pn结在红外光下响应下的能带图，图2b是双边耗尽区pn结在无光照下的I-V曲线，图2c是双边耗尽区pn结在1550和2000nm红外光下的光响应，图2d是单边耗尽区pp结在红外光下响应下的能带图，图2e是单边耗尽区pp结在无光照下的I-V曲线，图2f是单边耗尽区pp结在1550nm红外光下的光响应。
图3是单边耗尽区的MoS2/AsP范德华异质结光伏原理示意图。
图4是单边耗尽区的MoS2/AsP范德华异质结在无光照和光照下的输出特性曲线。
图5是单边耗尽区的MoS2/AsP范德华异质结光伏下的响应时间。
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：
本发明研制了单边耗尽区的范德华异质结探测器。通过二维p型MoS2和p型AsP堆叠形成单边耗尽的范德华异质结，以此减少界面复合和界面缺陷捕获效应，提高量子效率、光电转换效率以及响应速度。
具体步骤如下：
1、AsP薄片制备及转移
在氮气保护的手套箱中，将AsP块状单晶放在Schott蓝色胶带上，反复粘贴，利用胶带的粘附力机械剥离出不同厚度的AsP薄片。利用PDMS将制备的AsP薄片转移至SiO2衬底表面。在光学显微镜下，利用颜色选定特定厚度的AsP薄片。
2、MoS2薄片制备及转移
在氮气保护的手套箱中，采用1中同样的方法制备不同厚度的MoS2薄片，将其转移至覆有PDMS的载玻片上。
3、二维范德华异质结MoS2/AsP的制备
在氮气保护的手套箱中，利用显微镜辅助的定点转移平台，选择合适厚度的MoS2薄片，将其转移至事先选好的AsP薄片上，以此形成范德华异质结MoS2/AsP。
4、二维范德华异质结MoS2/AsP源漏电极的制备
利用DesignCAD express软件设计出电子束曝光的源、漏电极图形；用匀胶机旋涂光刻胶PMMA，并在150℃下加热5分钟；利用电子束曝光(扫描电镜SEM与微图形发生系统NPGS的组装)，对各电极图形进行精准定位曝光，然后显影；针对不同厚度的MoS2薄片，利用热蒸镀沉积不同厚度的铬和金(铬/金厚度分别为10/45nm，15/65nm，15/85nm)；在丙酮中进行金属的剥离，形成MoS2/AsP范德华异质结场效应晶体管。器件制备完成后，旋涂一层PMMA光刻胶作为保护层，防止AsP接触空气而氧化。
Claims (1)
1.一种制备单边耗尽区的高效快速范德华异质结探测器的方法，所述探测器的器件结构自下而上依次为：衬底（1），氧化物层（2）、AsP二维半导体（3）、MoS2二维半导体（4）、在AsP二维半导体（3）和MoS2二维半导体（4）两端分别是金属源极（5）和金属漏极（6），且每个源漏电极都有两个金属源极（5）、金属漏极（6），其中：
所述的衬底（1）为重掺杂的Si衬底；
所述的氧化物层（2）为SiO2，厚度285±10纳米；
所述的AsP二维半导体（3）的厚度在50-60 nm；
所述的MoS2二维半导体（4）的厚度在50-70 nm；
所述的金属源极（5）、金属漏极（6）为Cr和Au复合电极，Cr厚度为10-15 nm，Au厚度为45-85 nm；其特征在于包括以下步骤：
1） 通过机械剥离法获得不同厚度的AsP薄片，利用PDMS将AsP薄片转移到氧化物层（2）表面；
2）通过机械剥离法获得不同厚度的MoS2薄片，将其转移至PDMS上，然后利用干法定点转移将MoS2薄片堆叠在AsP薄片上，以此形成二维范德华异质结；
3） 采用电子束光刻技术，结合热蒸发及lift-off工艺制备金属源极（5），金属漏极（6），形成背栅结构二维异质结场效应晶体管器件结构。
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