CN111081808A - 基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器、制备方法及应用，属于光电器件技术领域，包括从下到上依次层叠设置的衬底、Ga2O3层和MoS2层，MoS2层的两端对称设置有金属电极层，且金属电极层的底端均位于所述Ga2O3层上；Ga2O3层与MoS2层组成异质结；本发明采用二维材料MoS2/Ga2O3的异质结结构，降低二维材料光电探测器的暗电流，提升其在弱光下的光探测，实现光电探测器对紫外‑可见‑近红外波段全谱光探测。
Description
技术领域
本发明属于光电器件技术领域，具体涉及一种基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器、制备方法及应用。
背景技术
光电探测器具有将光信号转变为电信号的功能，是一类支撑光信息技术领域重要的光电传感器件。它的优点是非常灵敏，同时也具有人眼所不具备的对图像的记忆、储存、输出以及显示记录的功能。由于其具有体积小、能耗低的特点，在国防、医学、工学领域以及日常生活中都有着广泛的应用。
基于上述原因，对于光电探测器的研究众多，近年来，将二维材料用于光电探测器取得了有效进展，Zhaofu Zhang等在其发表的论文“High-performance self-powereddeep ultraviolet photodetector based on MoS2/GaN p-n heterojunction”(J.Mater.Chem.C,2018,6,299-303)中公开了一种MoS2/GaN杂化异质结光电探测器，由于II型能带结构的形成以及MoS2/GaN异质结内部相互作用，MoS2/GaN异质结能够更快的分离光生电子-空穴对，同时提高光学吸收能力，使得GaN光电探测器的紫外光响应率和响应速率分别提高至187mA W-1和2.34×1013Jones。Yanhua Li等在“Novel electronicproperties of a new MoS2/TiO2 heterostructure and potential applications insolar cells and photocatalysis”(Applied Surface Science 414(2017)34–40)研究发现，由于层间耦合较弱，二维MoS2和TiO2的电子结构在各自的层中都能很好地保留，即在异质结构中，单层MoS2和二维TiO2均表现出直接的带隙，且在MoS2和TiO2层之间存在Ⅱ型能带对齐。通过对异质结构的价带和导带状态的空间分布分析，进一步揭示了异质结价带顶的空穴态主要来自于MoS2层，而异质结导带底的电子状态只来自TiO2层。
上述研究初步探索了将二维材料用于光电探测器的可行性，但二维材料光电探测器仍面临很多挑战，其中包括如何实现对紫外-可见-近红外波段光信号的全谱探测。
β-Ga2O3是一种宽禁带的深紫外透明半导体氧化物，禁带宽度为4.8-5.1eV，对应的吸收边位于240-280nm，为直接带隙的半导体材料，具有优异的化学和热稳定性以及高的紫外可见光透过率，在紫外光区的透过率达到80％以上，弥补了传统的透明导电氧化物(如ITO、ZnO)在深紫外区域透过率低的缺点；作为光电探测器的光吸收材料，β-Ga2O3具有直接带隙、良好的导电性能和良好的吸光性能等优点，但是β-Ga2O3光电探测器的探测范围主要集中在紫外光。
块体MoS2有着1.3eV的间接带隙，而单层MoS2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，且由于其厚度在一个或几个原子层尺度，这些材料表现出传统光伏材料所不具备的机械柔韧性，成为未来制造柔性器件的理想选择；此外，这些层状材料由于不存在晶格失配问题，为构筑更高效的复杂光电器件体系提供了新的选择。虽然MoS2以其高迁移率、带隙可调、较强的光吸收、透光性、柔性等特性，被广泛应用于光探测器领域，但是，由于MoS2自身带隙的限制(单层带隙为1.83eV)，MoS2光电探测器的探测范围主要集中在可见光。
因此如何降低二维材料光电探测器的暗电流，提升其在弱光下的光探测，最终实现对紫外-可见-近红外波段光信号的全谱探测仍需要继续研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器、制备方法及应用，以在光电探测方面实现对紫外-可见-近红外波段光信号的全谱探测。
本发明的第一个目的是提供一种基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器，包括从下到上依次层叠设置的衬底、Ga2O3层和MoS2层，所述MoS2层的两端对称设置有金属电极层，且所述金属电极层的底端均位于所述Ga2O3层上；所述Ga2O3层与所述MoS2层组成异质结；
所述MoS2层中的MoS2为二维结构的单层MoS2。
优选地，所述MoS2层的厚度为0.7～1nm。
优选地，所述Ga2O3层的厚度为100～200nm。
优选地，所述金属电极层的厚度为50nm。
优选地，所述金属电极层为银电极。
优选地，所述衬底为蓝宝石衬底。
本发明的第二个目的是提供上述基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1，在衬底上生长Ga2O3层；
将衬底放入反应室后抽真空，并将衬底在700℃下进行热处理，向反应室中通入高纯氮气，压强控制在10-1Pa；
向反应室通入O2，调节其流量值达到50sccm；
将携带有Ga(C2H5)3的氩气通入反应室，生长Ga2O3层后，降至室温，并停止通入携带有Ga(C2H5)3的氩气和O2，关闭真空阀，通入高纯氮气至反应室为常压，制得带有Ga2O3层的衬底；
S2，制备MoS2层并转印到Ga2O3层；
采用微机剥离法或化学气相淀积法制备MoS2层；
将S1带有Ga2O3层的衬底放置到MoS2层的下方，120℃退火20min，使得MoS2与Ga2O3完全结合，依次用丙酮、去离子水进行清洗，并用氮气吹干，制得带有Ga2O3/MoS2异质结的衬底；
S3，制备金属电极层；
将S2带有Ga2O3/MoS2异质结的衬底在真空下通过掩膜版蒸镀在MoS2层的两端对称形成金属电极层，即完成光电探测器的制备。
优选地，所述衬底在生长Ga2O3层之前进行预处理，预处理步骤如下：
将衬底分别置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，清洗完毕后用高纯氮气吹干。
本发明的第三个目的是提供上述基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器在探测紫外-可见-近红外波段光信号中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)暗电流小：本发明在衬底上依次制备Ga2O3层和二维材料MoS2层组成异质结，通过在Ga2O3/MoS2异质结处产生光生电子-空穴对分离，使得本发明的光电探测器具有极低的暗电流，有利于提高对弱光下光信号的探测；
(2)光谱宽：本发明采用二维材料MoS2和β-Ga2O3同时作为光敏材料，与入射光进行强烈的相互作用，进行光吸收；同时Ga2O3/MoS2异质结内部相互作用，使得Ga2O3/MoS2异质结具有更高的吸收率和更宽的吸收范围(紫外-可见-近红外)，器件性能得以大幅度增强，实现了对紫外-可见-近红外波段光信号的全谱探测。
附图说明
图1为本发明提供的基于MoS2/Ga2O3异质结光电探测器的主视图；
图2为本发明提供的基于MoS2/Ga2O3异质结光电探测器的立体结构示意图；
图3为本发明实施例2制得的基于MoS2/Ga2O3异质结光电探测器暗光下的I-V曲线；
图4为本发明实施例2制得的基于MoS2/Ga2O3异质结光电探测器的光吸收图谱；
附图标记说明：
1、衬底，2、Ga2O3层，3、MoS2层，4、金属电极层。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
一种基于MoS2/β-Ga2O3异质结的光电探测器，如图1-2所示，包括从下到上依次层叠设置的蓝宝石衬底1、Ga2O3层2和MoS2层3，MoS2层3的两端对称设置有金属电极层4，且金属电极层4的底端均位于Ga2O3层2上；Ga2O3层2与MoS2层3组成异质结；所述MoS2层3中的MoS2为二维结构的单层MoS2，厚度为0.7nm，金属电极层4为Ag电极，厚度为50nm，Ga2O3层2厚度为100nm。
具体制备方法如下：
步骤1，蓝宝石衬底1预处理；
将蓝宝石衬底1切成2cm×2cm大小后置于丙酮溶液中超声清洗10min，以除去蓝宝石衬底1表面附着的有机物；然后将蓝宝石衬底1用无水乙醇超声清洗10min以除去蓝宝石衬底1上残留的丙酮溶液；最后再用去离子水超声清洗10min，去除衬底1表面残留的乙醇和微粒；清洗完毕后用高纯氮气吹干，并在最短的时间内放入生长室，最大限度的避免衬底表面的二次污染；
步骤2，在蓝宝石衬底1生长Ga2O3层2；
(1)将清洗之后的蓝宝石衬底1放入MOCVD的反应室，打开真空泵对反应室进行抽真空；当反应室内的压强降到10-1Pa时，打开变频调速器电源，使载有衬底1的托盘以10r/s的速度旋转，托盘的旋转可以使衬底受热均匀，也有利于生长更为平整均匀的薄膜；
(2)在托盘旋转的同时，打开加热模块的电源，对衬底1进行热处理，热处理的温度为700℃，为保证升温过程中加热电阻丝的受热均衡，采用阶梯式升温模式，即每升温50℃停顿1min，然后继续升温；
(3)升温至700℃后，向反应室中通入高纯氮气，同时打开反应室压力控制器，其配合球形电磁阀可将反应室内的压强控制在10-1Pa；
(4)打开O2控制端，向反应室通入氧气，调节其流量值至50sccm；
(5)打开氩气(载流气体)控制端，根据设定参数调节好Ga(C2H5)3的载气流量(50sccm)，使载气稳定通入有机源源瓶，并经辅助气路抽出，目的是在生长前稳定有机源气体的流量，并保证通入反应室内O:Ga含量比为390；将携带有有机源的氩气通过喷枪进入反应室，生长过程开始并持续60min；
(6)生长到预定时间后，将有机源切出真空室，关闭有机源气路，将加热丝温度逐步降到室温，停止托盘旋转，停止通入O2，当温度降到室温后关闭真空阀，通入高纯氮气直至反应室内压强与外界持平时，将生长有Ga2O3层2蓝宝石衬底1取出，Ga2O3层2厚度为100nm；
步骤3，微机剥离法制备单层MoS2层3并转印到Ga2O3层2；
(1)先准备多片2cm×2cm的Scotch胶带，用一片胶带按在高温定向热解MoS2上，撕下来，会有MoS2片粘在胶带上，然后重复3到4次撕揭操作，获得粘在胶带上的单层MoS2，制得胶带/MoS2，MoS2层3厚度为0.7nm；
(2)将步骤2生长有Ga2O3层2蓝宝石衬底1轻轻放置到胶带/MoS2的下方，120℃退火20min，使得MoS2与Ga2O3完全结合，然后用丙酮去除胶带，最后用去离子水清洗干净，用氮气吹干，得到Ga2O3/MoS2异质结；
步骤4：制备光电探测器的金属电极层4；
在步骤3中带有Ga2O3/MoS2异质结的衬底1放入真空室内，通过掩膜版蒸镀在MoS2层3的两端对称形成厚度为50nm的Ag电极，即完成所述光电探测器的制备。
实施例2
一种基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器，如图1-2所示，包括从下到上依次层叠设置的蓝宝石衬底1、Ga2O3层2和MoS2层3，MoS2层3的两端对称设置有金属电极层4，且金属电极层4的底端均位于Ga2O3层2上；Ga2O3层2与MoS2层3组成异质结；所述MoS2层3中的MoS2为二维结构的单层MoS2，厚度为1nm，金属电极层4为Ag电极，厚度为50nm，Ga2O3层2厚度为200nm。
具体制备方法如下：
步骤1，蓝宝石衬底1预处理；
将蓝宝石衬底1切成2cm×2cm大小后置于丙酮溶液中超声清洗10min，以除去蓝宝石衬底1表面附着的有机物；然后将蓝宝石衬底1用无水乙醇超声清洗10min以除去蓝宝石衬底1上残留的丙酮溶液；最后再用去离子水超声清洗10min，去除衬底1表面残留的乙醇和微粒；清洗完毕后用高纯氮气吹干，并在最短的时间内放入生长室，最大限度的避免衬底表面的二次污染；
步骤2，生长Ga2O3层2；
(1)将清洗之后的蓝宝石衬底放入反应室之后，打开真空泵对反应室进行抽真空；
(2)当反应室内的压强降到10-1Pa数量级时，打开变频调速器电源，使载有衬底的托盘以10r/s的速度旋转，托盘的旋转可以使衬底受热均匀，也有利于生长更为平整均匀的薄膜；
(3)在托盘旋转的同时，打开加热模块的电源，开始对衬底进行热处理，热处理的温度为700℃，为了保证升温过程中加热电阻丝的受热均衡，采用阶梯式升温模式，即每升温50℃停顿一分钟，以后继续升温，直到温度达到预定值；
(4)升温过程完成之后，向反应室中通入高纯度氮气，与此同时打开反应室压力控制器，其配合球形电磁阀可将反应室内的压强控制在10-1Pa；
(5)打开氩气控制端，根据设定参数调节好Ga(C2H5)3的载气流量(50sccm)，使载气稳定通入有机源源瓶，并经辅助气路抽出，目的是在生长前稳定有机源气体的流量；
(6)打开O2控制端，向反应室同通入氧气，调节其流量值达到50sccm；
(7)将携带有有机源的氩气通过喷枪进入反应室，生长过程开始，持续预定的生长60min；
(8)生长60min后，将有机源切出真空室，关闭有机源气路，将加热丝温度逐步降到室温，停止托盘旋转，停止通入O2，当温度降到室温后关闭真空阀，通入高纯氮气直至反应室内压强与外界持平时，将生长有Ga2O3层2蓝宝石衬底1取出，Ga2O3层2厚度为200nm；
步骤3，化学气相淀积法制备单层MoS2层3并转印到Ga2O3层2；
(1)原材料准备：用电子天平称取0.5g的硫粉和50mg的三氧化钼粉末，并分别放于坩埚内，同时将衬底放于装有三氧化钼的坩埚内，装有硫粉的坩埚放置在管式炉管的低温区，装有三氧化钼的坩埚放置在管式炉管的高温区(中心温区：距离管式炉边缘20cm)；
(2)合成过程：
将管式炉密封并对系统抽真空，当系统的真空度小于0.5Pa时通入100sccm的高纯氩气(保证管式炉中没有氧气)；将系统升温设置到650℃，管式炉开始缓慢升温；待温度达到设定值并稳定后，持续加热30min，MoS2在另一块处理后的二氧化硅衬底上慢慢沉积(MoS2层3沉积厚度为1nm)，生长结束后关闭温度控制器，关闭气体，待温度降低到室温后取出样品；
在沉积有MoS2的衬底上旋涂一层PMMA，然后浸泡在5％的HF水溶液中去除衬底二氧化硅，然后用去离子水清洗剩下的PMMA/MoS2，用氮气吹干制备得到PMMA/MoS2；
(3)将步骤2制备好的生长有Ga2O3层2蓝宝石衬底1轻轻放置到PMMA/MoS2的下方，120℃退火20min，使得MoS2与Ga2O3完全结合，然后用丙酮去除PMMA，最后用去离子水清洗干净，用氮气吹干，得到Ga2O3/MoS2异质结；
步骤4，制备钙钛矿光电探测器的金属电极层4。
将上述制备完成钙钛矿光层的衬底1放入真空室内，通过掩膜版蒸镀得到50nm的Ag电极，即完成所述光电探测器的制备。
实施例1和实施例2制得的基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器性能近似，下面仅以实施例2制得的基于MoS2/Ga2O3异质结光电探测器为例，进行性能检测，结果如图3和图4所示。图3为暗光下基于MoS2/Ga2O3异质结光电探测器的I-V曲线，由图3可得：基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器的暗电流低至10-13A，开关比高达108；图4为单层MoS2、β-Ga2O3、MoS2/Ga2O3异质结的光吸收图谱，由图4可得：单层MoS2的光吸收范围主要集中在紫外和可见光区域(200-600nm),β-Ga2O3的光吸收范围主要集中在紫外区域(200-400nm)，形成MoS2/Ga2O3异质结后光吸收范围从紫外到可见到近红外(200-1000nm)，同时吸收强度远高于单层MoS2和β-Ga2O3。
由此可得，本发明在衬底上依次制备Ga2O3层和MoS2层组成异质结，在Ga2O3/MoS2异质结处产生光生电子-空穴对分离，克服了现有技术的光电探测的相对响应时间较长、暗电流大等缺点，使得本发明的光电探测器具有极低的暗电流，可提高对弱光下的光信号的探测，通过采用二维材料MoS2和β-Ga2O3同时作为光敏材料，与入射光进行强烈的相互作用，进行光吸收，同时Ga2O3/MoS2异质结内部相互作用，使得Ga2O3/MoS2异质结具有更高的吸收率和更宽的吸收范围(紫外-可见-近红外)使得器件性能得以大幅度增强，使得本发明的基于二维材料Ga2O3/MoS2异质结的光电探测器具有紫外-可见至近红外的探测范围。
本发明描述了优选的实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器，其特征在于，包括从下到上依次层叠设置的衬底(1)、Ga2O3层(2)和MoS2层(3)，所述MoS2层(3)的两端对称设置有金属电极层(4)，且两个所述金属电极层(4)的底端均位于所述Ga2O3层(2)上；所述Ga2O3层(2)与所述MoS2层(3)组成异质结；
所述MoS2层(3)中的MoS2为二维结构的单层MoS2。
2.根据权利要求1所述的基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器，其特征在于，所述MoS2层(3)的厚度为0.7～1nm。
3.根据权利要求1所述的基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器，其特征在于，所述Ga2O3层(2)的厚度为100～200nm。
4.根据权利要求1所述的基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器，其特征在于，所述金属电极层(4)的厚度为50nm。
5.根据权利要求4所述的基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器，其特征在于，所述金属电极层(4)为银电极。
6.根据权利要求1所述的基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器，其特征在于，所述衬底(1)为蓝宝石衬底。
7.根据权利要求1～6任一项所述的基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在衬底(1)上生长Ga2O3层(2)；
将衬底(1)放入反应室后抽真空，并将衬底(1)在700℃下进行热处理，向反应室中通入高纯氮气，压强控制在10-1Pa；
向反应室通入O2，调节其流量值达到50sccm；
将携带有Ga(C2H5)3的氩气通入反应室，生长Ga2O3层(2)后，降至室温，并停止通入携带有Ga(C2H5)3的氩气和O2，关闭真空阀，通入高纯氮气至反应室为常压，制得带有Ga2O3层(2)的衬底(1)；
S2，制备MoS2层(3)并转印到Ga2O3层(2)；
采用微机剥离法或化学气相淀积法制备MoS2层(3)；
将S1带有Ga2O3层(2)的衬底(1)放置到MoS2层(3)的下方，120℃退火20min，使得MoS2与Ga2O3完全结合，依次用丙酮、去离子水进行清洗，并用氮气吹干，制得带有Ga2O3/MoS2异质结的衬底(1)；
S3，制备金属电极层(4)；
将S2带有Ga2O3/MoS2异质结的衬底(1)在真空下通过掩膜版蒸镀在MoS2层(3)的两端对称形成金属电极层(4)，即完成光电探测器的制备。
8.根据权利要求7所述的基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器的制备方法，其特征在于，衬底(1)在生长Ga2O3层(2)之前进行预处理，预处理步骤如下：
将衬底(1)分别置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，清洗完毕后用高纯氮气吹干。
9.根据权利要求1所述的基于MoS2/Ga2O3异质结的光电探测器在探测紫外-可见-近红外波段光信号中的应用。
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