CN111211195A - 一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，步骤如下：1.将纳米级厚度的过渡金属硫属化合物转移到Si/SiO2基底上；2.旋涂一层百纳米级厚度的光刻胶层，后在烘胶台上烘烤；3.运用电子束曝光的方法，曝光出电极图形，经显影和定影后，在该器件上沉积金属纳米层；4.将上述器件浸泡丙酮中进行剥离，洗去残留的丙酮，再将器件吹干；5.旋涂一层PMMA层；6.制备出具有长方形区域使器件沟道的一部分暴露；7.制备出CTAB溶液；8.将上述器件浸泡于CTAB溶液之中；本发明所制备的横向匀质p‑n结具有良好的光电特性；所采用微纳米加工制备光电探测芯片单元，操作简便，可控性强，重复性好。
Description
技术领域
本发明提供了一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，它涉及一种利用电子注入制备掺杂平面内p-n结应用于高性能光电探测器的制备，属于二维材料掺杂技术领域。
背景技术
光电探测器是现代光探测系统的核心部分,具有将光转换成电信号的能力,它广泛地应用于火焰传感、臭氧传感、环境监测、视频成像、夜视、材料标识、早期检测原发性肿瘤和天文探索等领域。
传统光电探测芯片主要是以硅半导体材料的p-n结构为主，通常用于可见光和近红外波长的光检测，这为数码相机和其他设备每年创造了数十亿美元的市场。然而，硅有限的吸收范围和较弱吸光度极大地制约了硅基光电探测器的进一步发展和应用。并且，其较大的体积，较高的能耗以及较大的暗电流噪声也在一定程度限制了其在各个领域的广泛应用。
层状二维过渡金属硫属化合物(TMDs)由于其优异的电学性能、光学性能和机械性能引起了广泛的研究兴趣。二维过渡金属硫属化合物的发现可以解决传统的基于体半导体的p-n结所存在的问题，其优点是低功耗、体积小、可穿戴性，在后硅数字电子领域具有潜在的应用价值，并且由于其可调带隙和光电流，在高效光电子领域也具有潜在的应用价值。用孤立的p和n型TMDs通过范德华键合构建垂直异质结是形成p-n结的一种典型方法，但它们大多受到传输过程复杂性和不可避免的界面缺陷的影响。因此，亟需在同一通道内实现p区和n区，形成横向均质结构的p-n结。为了实现低维TMDs中p型载流子向n型载流子的转变，表面电荷转移可以通过有效地诱导费米能级转移来调节TMDs电性能。因此，发现一种工艺简单，掺杂量可控的二维材料掺杂方法，对于光电探测器在各个领域广泛应用有着至关重要的作用。
发明内容
(一)本发明的目的
鉴于上述现有的技术缺点，本发明目的在于：提供一种利用电子注入制备高性能横向均质p-n结型光电探测器的方法，用于解决目前二维光电探测芯片在光响应速率、响应度、能耗以及探测灵敏度等有待提升的问题。
(二)技术方案
本发明的目的是提供一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，它是高性能横向过渡金属硫属化合物p-n同质结光电探测芯片的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1.将纳米级厚度的过渡金属硫属化合物转移到Si/SiO2基底上；
步骤2.旋涂一层百纳米级厚度的光刻胶层，后在烘胶台上烘烤；
步骤3.运用电子束曝光的方法，曝光出电极图形，经显影和定影后，在该器件上沉积金属纳米层；
步骤4.将上述器件浸泡丙酮中进行剥离，后用酒精洗去残留的丙酮，再用氮枪将器件吹干；
步骤5.旋涂一层纳米级厚度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层；
步骤6.通过电子束曝光的方法，制备出具有长方形区域使器件沟道的一部分暴露；
步骤7.用异丙醇溶解一定量的十六烷基三甲基溴化铵粉末(CTAB)，制备出CTAB溶液；
步骤8.将上述器件浸泡于CTAB溶液之中；
在上述步骤中，所有的干燥方式均为氮气吹干。
其中，在步骤1中所述的“Si/SiO2衬底”，是指电阻率为0.01～10Ω·m的P型衬底，SiO2绝缘层厚度为240～320nm，制备方法可以采用热氧化、低压力化学气相沉积法(LPCVD)、等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)、原子层沉积(ALD)、磁控溅射沉积方法均可制备，基底面积为0.5～0.8平方厘米；
其中，在步骤1中所述的“过渡金属硫属化物薄片”，是指沟道长度为2～6微米的材料薄片；
其中，在步骤1中所述的“过渡金属硫属化合物薄片”，是指种类为二硒化钨(WSe2)或二硒化钼(MoSe2)，厚度为1nm～10nm；
其中，在步骤1中所述的“转移到Si/SiO2基底上”，其转移的过程如下：通过机械剥离法转移至基底上，即用苏格兰(Scotch)胶带对块体材料进行反复对折粘黏，然后将剥离开的样品吸附在基底上。
其中，在步骤2中所述的“旋涂一层百纳米级厚度的光刻胶层”，其旋涂的过程如下：使用旋涂机吸片功能将吸附着样品的基片吸住，在基片上滴3～7滴光刻胶，设定转速为3000～4000r/min，设定时间为40s～80s，将光刻胶均匀涂于基片表面；
其中，在步骤2中所述的“在烘胶台上烘烤”，其烘烤的过程如下：将涂有光刻胶的基片放在烘胶台上，将烘烤温度设置为120～200℃，烘烤时间为2～3min；
其中，在步骤3中所述的“运用电子束曝光的方法”，其运用地过程如下：通过纳米图形生成系统将电子曝光计量固定在260～280nC/cm2此区间，电子束流大小固定在50～150pA此区间；
其中，在步骤3中所述的“经显影和定影”，其显影和定影过程如下：曝光完成后，将样品在对应型号的显影液浸泡60s～120s，在定影液中浸泡30～60s洗去表面的显影液；
其中，在步骤3中所述的“沉积金属纳米层”，其沉积过程如下：通过放入热蒸发镀膜或电子束高真空镀膜来沉积电子束曝光后得到的器件，在高真空电子束蒸发镀膜机中通过电子束对纯度为99.99％金属块体进行轰击使其达到蒸发温度，薄膜的沉积速度为
是指厚度分别为5～15纳米金属铬和40～80纳米金属金；
其中，在步骤5中所述的“旋涂一层纳米级厚度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层”，其旋涂过程如下：使用旋涂机吸片功能将吸附着样品的基片吸住，在基片上滴3～7滴型号为ARP679.04光刻胶，设定转速为4000～6000r/min，设定时间为40s～80s，将光刻胶均匀涂于基片表面是指一种透明的电子束光刻胶。
其中，在步骤6中所述的“制备出具有长方形区域使器件沟道的一部分暴漏”，其制备过程如下：通过纳米图形生成系统将电子曝光计量固定在260～280nC/cm2此区间，电子束流大小固定在50～150pA此区间。
其中，在步骤7中所述的“溶解一定量的十六烷基三甲基溴化铵粉末”，其溶解过程如下，采用水浴加热的方法，在60度的条件下，用异丙醇溶解不同质量的十六烷基三甲基溴化铵粉末，来制备出摩尔质量为0.005～0.04mol/L的溶液。
其中，在步骤8中所述的“浸泡于CTAB溶液之中”，其浸泡过程如下：在将做好的器件放入盛有CTAB溶液的容器中，静止浸泡时间为2h～8h；
在上述方案中，所有的干燥方式均为氮气吹干。
(三)本发明的优点及功效
与现有的技术相比，本发明的横向均质p-n结型光电探测器至少包括以下技术效果。本发明提出的利用新型电子掺杂剂CTAB溶液对空穴导电为主的过渡金属硫属化合物薄片进行局部掺杂，进行制备出高质量的同质p-n结，实现了对过渡金属硫属化合物薄片光电探测芯片的光电响应度显著提高，响应时间有效缩短，暗电流得到了有效稳定，能耗得到了优化。本发明所用的掺杂方法无需繁琐的制备，操作简便；制备过程中，所制备的横向匀质p-n结具有良好的光电特性；本发明采用微纳米加工制备光电探测芯片单元，操作简便，可控性强，重复性好。
附图说明
图1为对制备的WSe2器件I-V曲线。
图2为在450nm激发下制备的WSe2器件I-t曲线。
图3为本发明所述方法流程图。
具体实施方法
本发明一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，它是高性能横向过渡金属硫属化合物p-n同质结光电探测芯片的制备方法，见图3所示，其具体步骤如下：
步骤1.将纳米级厚度的过渡金属硫属化合物转移到Si/SiO2基底上；
步骤2.旋涂一层百纳米级厚度的光刻胶层，后在烘胶台上烘烤；
步骤3.运用电子束曝光的方法，曝光出电极图形，经显影和定影后，在该器件上沉积金属纳米层；
步骤4.将上述器件浸泡丙酮中进行剥离，后用酒精洗去残留的丙酮，再用氮枪将器件吹干；
步骤5.旋涂一层纳米级厚度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层；
步骤6.通过电子束曝光的方法，制备出具有长方形区域使器件沟道的一部分暴漏；
步骤7.用异丙醇溶解一定量的十六烷基三甲基溴化铵粉末(CTAB)，制备出CTAB溶液；
步骤8.将上述器件浸泡于CTAB溶液之中；
在上述步骤中，所有的干燥方式均为氮气吹干。
为了能让读者彻底的了解本发明，详尽的实施方法将在下列的描述中提出。同时，上述的具体实施方法仅仅为了详细地解释说明本发明，以避免造成本发明不必要的限制。
实施例
本发明一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，其具体作法如下：
(1)通过机械剥离法将5纳米厚的硒化钨薄片转移到带有285纳米厚度氧化层的硅衬底上。
(2)采用型号为北京金盛微纳科技公司SC-1B型匀胶机在上述吸附样品薄片的基片上旋涂ARP679.04作为电子束光刻胶，旋涂转速和时间分别为3600转/秒，60秒，从而得到厚度为280纳米的电子束光刻胶薄膜。然后将样品放在金盛微纳科技公司BP-2B型烘胶台在180度上烘烤2分钟。再利用JSM-6460LV扫描电子显微镜配合纳米图形成像系统将纳米片两端的材料曝光，所用电子束曝光所用计量为265nC/cm2，束流大小为110pA。曝光结束后，将样品从SEM腔体中取出，经AR600-56型号显影液85s显影后使得两端材料暴漏。利用高真空电子束蒸发镀膜在优于10-9托的腔体环境下对暴漏出的材料两端进行铬/金(10nm/40nm)作为器件的测试电极。
(3)将整体覆盖金属的基片在丙酮中剥离，仅剩暴漏出的电极形状，后用酒精将残留的丙酮洗去，再利用氮气枪吹干。然后重复涂胶，烘烤，电子束曝光，显影，我们可以得到一个暴露的窗口，正好将一半的沟道和电极得以暴露，另外一半沟道和电极被PMMA薄膜覆盖。
(4)用10ml的异丙醇来溶解0.1095g的CTAB粉末，此过程为60度水浴加热，从而获得0.03mol/L的CTAB溶液。
(5)将一半保护一半裸漏的器件浸泡于CTAB溶液中，浸泡时间为3小时，保证局部有效地进行掺杂。后用氮气枪吹干。由此便完成了光电探测器的制作。
(6)图1为局部掺杂前后光电探测器的I-V曲线。可以发现经过局部掺杂后，光电探测器的I-V曲线出现了明显的整流效果，整流比可以达到103，意味着已经成功制备出高质量的平面pn结光电探测器。
(7)图2显示了局部掺杂前后对450nm激光的时间响应图，制备好的p-n结的光电流比原始光电探测器的光电流大一个数量级。而p-n结的暗电流比原始样品小两个数量级。因此，通过形成侧向p-n结，最终的光开关比可以有效地从～100提高到100000。除了光开关比，响应时间也是光电探测器的一个重要特性。局部掺杂后，响应时间和恢复时间分别从30.7ms和20.9ms下降到7.8ms和7.7ms。上述性能提升源于沟道中间的耗尽区产生一个内建场，促进了p-n结上光激发电子/空穴的分离和提取。当施加偏置电压时，电子漂移到n-WSe2部分，而空穴漂移到p-WSe2部分，这可以进一步激发光激发载流子的分离。
(8)图3是本发明所述方法流程图。
Claims (8)
1.一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，其特征在于：其具体步骤如下：
步骤1.将纳米级厚度的过渡金属硫属化合物转移到Si/SiO2基底上；
步骤2.旋涂一层百纳米级厚度的光刻胶层，后在烘胶台上烘烤；
步骤3.运用电子束曝光的方法，曝光出电极图形，经显影和定影后，在该器件上沉积金属纳米层；
步骤4.将上述器件浸泡丙酮中进行剥离，后用酒精洗去残留的丙酮，再用氮枪将器件吹干；
步骤5.旋涂一层纳米级厚度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层；
步骤6.通过电子束曝光的方法，制备出具有长方形区域使器件沟道的一部分暴露；
步骤7.用异丙醇溶解一定量的十六烷基三甲基溴化铵粉末(CTAB)，制备出CTAB溶液；
步骤8.将上述器件浸泡于CTAB溶液之中；
在上述步骤中，所有的干燥方式均为氮气吹干。
2.根据权利要求1所述的一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，其特征在于：
在步骤1中所述的“Si/SiO2衬底”，是指电阻率为0.01～10Ω·m的P型衬底，SiO2绝缘层厚度为240～320nm，制备方法采用热氧化、低压力化学气相沉积法LPCVD、等离子体增强化学的气相沉积法PECVD、原子层沉积ALD、磁控溅射沉积方法均能制备，基底面积为0.5～0.8平方厘米；
在步骤1中所述的“过渡金属硫属化合物薄片”，是指沟道长度为2～6微米的材料薄片；
在步骤1中所述的“过渡金属硫属化合物薄片”，是指种类为二硒化钨WSe2及二硒化钼MoSe2，厚度为1nm～10nm；
在步骤1中所述的“转移到Si/SiO2基底上”，其转移的过程如下：通过机械剥离法转移至基底上，即用苏格兰Scotch胶带对块体材料进行反复对折粘黏，然后将剥离开的样品吸附在基底上。
3.根据权利要求1所述的一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，其特征在于：
在步骤2中所述的“旋涂一层百纳米级厚度的光刻胶层”，其旋涂的过程如下：使用旋涂机吸片功能将吸附着样品的基片吸住，在基片上滴3～7滴光刻胶，设定转速为3000～4000r/min，设定时间为40s～80s，将光刻胶均匀涂于基片表面；
在步骤2中所述的“在烘胶台上烘烤”，其烘烤的过程如下：将涂有光刻胶的基片放在烘胶台上，将烘烤温度设置为120～200℃，烘烤时间为2～3min。
4.根据权利要求1所述的一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，其特征在于：
在步骤3中所述的“运用电子束曝光的方法”，其运用地过程如下：通过纳米图形生成系统将电子曝光计量固定在260～280nC/cm2此区间，电子束流大小固定在50～150pA此区间；
在步骤3中所述的“经显影和定影”，其显影和定影过程如下：曝光完成后，将样品在对应型号的显影液浸泡60s～120s，在定影液中浸泡30～60s洗去表面的显影液；
在步骤3中所述的“沉积金属纳米层”，其沉积过程如下：通过放入热蒸发镀膜及电子束高真空镀膜来沉积电子束曝光后得到的器件，在高真空电子束蒸发镀膜机中通过电子束对纯度为99.99％金属块体进行轰击使其达到蒸发温度，薄膜的沉积速度为
是指厚度分别为5～15纳米金属铬和40～80纳米金属金。
5.根据权利要求1所述的一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，其特征在于：
在步骤5中所述的“旋涂一层纳米级厚度的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA层”，其旋涂过程如下：使用旋涂机吸片功能将吸附着样品的基片吸住，在基片上滴3～7滴型号为ARP679.04光刻胶，设定转速为4000～6000r/min，设定时间为40s～80s，将光刻胶均匀涂于基片表面是指一种透明的电子束光刻胶。
6.根据权利要求1所述的一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，其特征在于：
在步骤6中所述的“制备出具有长方形区域使器件沟道的一部分暴漏”，其制备过程如下：通过纳米图形生成系统将电子曝光计量固定在260～280nC/cm2此区间，电子束流大小固定在50～150pA此区间。
7.根据权利要求1所述的一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，其特征在于：
在步骤7中所述的“溶解一定量的十六烷基三甲基溴化铵粉末”，其溶解过程如下，采用水浴加热的方法，在60度的条件下，用异丙醇溶解不同质量的十六烷基三甲基溴化铵粉末，来制备出摩尔质量为0.005～0.04mol/L的溶液。
8.根据权利要求1所述的一种利用新型化学改性手段制备高性能光电探测器的方法，其特征在于：
在步骤8中所述的“浸泡于CTAB溶液之中”，其浸泡过程如下：在将做好的器件放入盛有CTAB溶液的容器中，静止浸泡时间为2h～8h。
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