CN111312829B - 一种高灵敏的负电容场效应管光电探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏的负电容场效应管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、氧化物、栅电极、具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质、氧化物栅电介质、低维半导体沟道、金属源漏电极。首先在衬底上通过离子束溅射制备栅电极层，在该电极层上利用原子层沉积法生长氧化铪基铁电薄膜，高温快速退火后，沉积氧化物栅电介质，而后在该结构上制备过渡金属硫族化合物低维半导体，最后运用电子束刻蚀技术结合剥离工艺制备金属源漏电极，形成基于氧化铪基铁电薄膜的低维材料负电容场效应管光电探测器件结构。该金属‑铁电‑氧化物‑半导体光电晶体管结构可实现极低的亚阈值摆幅与高性能的室温光电探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种高灵敏的低维半导体光电子器件，具体指一种基于氧化铪基铁电薄膜调控的低维材料负电容场效应管光电探测器及制备方法。
背景技术
高灵敏光探测技术是未来光传感、光通信、光存储及光成像等光电应用的基础。基于低维材料的光电探测器件，由于其独特的可调控能带结构，非凡的电学、光学特性，以及超薄、透明与柔性光电子器件的潜在应用，引起了广泛的关注和研究。低维光电半导体材料的性质在很大程度上决定了其光电探测器的类型和工作原理。以石墨烯为例，零带隙、Dirac锥能带结构导致超快载流子复合和极短载流子寿命，因此需设计成金属结或pn结型光电二极管结构，通过内建电场分离光生电子和空穴以形成光电流，缺点是无光电流增益，光响应率与探测率较低。与之相反，低维二硫化钼半导体材料具有厚度调控的能带结构、较长的光生载流子寿命，可用于制备高光电流增益、高响应率以及高探测的光电晶体管型光电探测器件，在可见至近红外波段的高灵敏室温探测中有重要应用前景。
目前，提高二硫化钼光电探测器性能的方法主要基于构建含石墨烯、量子点、钙钛矿、有机染料分子或表面等离基元等复合结构，通过堆叠光吸收物质提高探测器光响应率，但这种方法通常会附加漏电沟道、增大暗电流、降低光探测率以及引入复杂界面物理与制备工艺问题。例如，二硫化钼与硫化铅量子点复合光电探测器的光响应率高达6×105A/W，但同时暗电流增大为0.26μA，使光探测率大幅降低。尽管二硫化钼与碲化汞量子点复合光电探测器可以改善上述问题，但量子点材料的尺寸与质量控制以及复杂的制备工艺仍面临着诸多挑战。此外，基于有机染料分子或钙钛矿光吸收层的二硫化钼光电探测器表现出增强的光响应率，但低维材料的特征吸收光谱通常会受到影响，且不可避免地引入漏电通道，导致大的暗电流和较低探测率。
为解决上述问题，本发明提出了一种高灵敏的负电容场效应管光电探测器及制备方法。首先利用原子层沉积和高温快速退火方法在氮化钛栅电极上制备出高质量的氧化铪基铁电薄膜，并通过栅极结构优化与二硫化钼沟道材料厚度筛选，实现超低亚阈值摆幅且无回滞的二硫化钼负电容光电晶体管。暗态下，半导体沟道中的电子被铁电局域场耗尽，产生极低的暗电流；光照时，光激发的电子被外电场“拉”向外电路，而光激发的空穴被铁电局域场捕获，引起阈值偏移(ΔVT)和沟道能垒降低(ΔEb)。由于负电容场效应管的电压放大作用，沟道能垒降幅增大为ΔEb＝qΔVT/[1-CS(1/|CFe|-1/Cox)]>qΔVT，其中q为电子电荷量、CS为沟道半导体材料电容、CFe为氧化铪基铁电层电容、Cox为氧化铝栅电介质层电容，使得更多的电子可以越过沟道能垒形成更大的光生电流。基于上述工作原理，该光电探测器展现出出色的工作性能：超低亚阈值摆幅17.64mV/dec，超高光电流开关比>106以及极高的室温光电探测率4.75×1014cmHz1/2W-2。与之前报道的二硫化钼光电探测器的结构、工作机理均不相同，该器件的栅极氧化铪基铁电薄膜通过铁电局域静电场和铁电负电容效应的共同作用显着提升器件光探测效率，抑制暗电流，同时保持高响应率和快响应速度，在未来少光子、高灵敏探测等领域具有重要应用前景。
发明内容
本发明提出了一种高灵敏的负电容场效应管光电探测器及制备方法，为低维材料光电晶体管器件在未来少光子、高灵敏光电探测领域的应用提供了技术途径。
上述发明将氧化铪基铁电薄膜材料代替低维材料光电晶体管器件中的传统栅电介质材料，利用铁电材料的铁电局域静电场和铁电负电容效应的共同作用调控低维材料光电晶体管的光电响应特性，有效抑制暗电流，提升光探测效率，可应用于未来少光子、高灵敏光电探测等领域。
本发明指一种高灵敏的负电容场效应管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、
-氧化物2、
-栅电极3、
-具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质4、
-氧化物栅电介质5、
-低维半导体材料6、
-金属源极7、金属漏极8，
其中衬底1为P型掺杂的硅衬底，厚度285±15纳米；
其中氧化物2为二氧化硅，厚度285±15纳米；
其中栅电极3为氮化钛，厚度40±10纳米；
其中具有负电容效应的铁电栅电介质4为掺杂锆、硅、钇或铝等元素的氧化铪基铁电薄膜，厚度为15±5纳米；
其中氧化物栅电介质5为氧化铝，厚度为5±3纳米；
其中低维半导体材料6为过渡金属硫族化合物，厚度从单层分子至10纳米；
其中金属源极7、金属漏极8为铬金电极，铬厚度为10-15纳米，金厚度为30-50纳米。
本发明指一种高灵敏的负电容场效应管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)二氧化硅氧化物层制备
在P型掺杂的硅衬底上通过热氧化法制备二氧化硅氧化物层，厚度为285±15纳米。
2)氮化钛栅电极制备
通过离子束溅射方法在二氧化硅上沉积氮化钛栅电极层。
3)具有负电容效应的氧化铪基铁电薄膜栅电介质制备
在280℃的衬底温度下，利用原子层沉积工艺，将Hf[N(C2H5)CH3]4、Zr[N(C2H5)CH3]4和H2O分别用作Hf、Zr和O源，通过交替沉积一个循环HfO2和一个循环ZrO2控制元素组分，并在500℃的氮气环境中进行60秒快速退火，以保证铁电薄膜的结晶特性，从而在栅电极上生长具有负电容效应的氧化铪基铁电薄膜(Hf0.5Zr0.5O2)。
4)氧化铝栅极电介质制备
通过原子层沉积或电子束蒸发工艺在铁电层上沉积氧化铝栅极电介质层。
5)过渡金属硫族化合物低维半导体制备
采用机械剥离转移方法或化学气相沉积生长方法在氧化铝栅电介质层上制备过渡金属硫族化合物低维半导体材料。
6)源、漏电极的制备
采用电子束刻蚀技术或紫外光刻技术，结合热蒸发金属及剥离工艺制备金属源极与漏极，形成过渡金属硫族化合物低维半导体材料与源、漏电极的欧姆接触。
新型氧化铪基铁电薄膜具有超薄厚度、半导体工艺兼容以及环境友好等优点，并且铁电局域静电场、铁电材料的负电容效应、铁电场效应晶体管的电压放大作用已被实验证实。将氧化铪基铁电薄膜作为二硫化钼光电晶体管的栅极电介质层能够有效地调控器件的沟道能垒、增大光电流、提高光探测率。暗态下，低维半导体沟道中的电子被铁电局域场耗尽，可以抑制暗电流，降低光探测器噪声；光照时，光激发的电子被外电场“拉”向外电路，而光激发的空穴被铁电局域场捕获，引起阈值偏移和沟道能垒降低。又由于负电容场效应管的电压放大作用，沟道能垒降幅增大，使得更多的电子可以越过沟道能垒形成更大的光生电流。器件基本结构如图1所示，工作电压分布与等效电容示意图如图2所示，电学测试结果如图3所示，光电测试结果如图4所示。
本发明专利的优点在于：本发明提出了全新的低维材料光电探测器结构和工作原理，利用氧化铪基铁电薄膜代替传统光电晶体管栅极电介质层，通过铁电局域静电场和铁电负电容效应的共同作用有效调控沟道能垒、极大地抑制暗电流、显着提升光探测效率。此外，器件还具备稳定性好、结构简单、容易制备等特点。
附图说明
图1为氧化铪基铁电薄膜调控下的低维材料光电晶体管器件结构截面示意图。图中：1衬底、2氧化物、3栅电极、4具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质、5氧化物栅电介质、6低维半导体材料、7金属源电极、8金属漏电极。
图2为铁电调控下的低维材料光电晶体管器件工作示意图。图中：VG栅电压、VSD源漏偏置电压。
图3为铁电调控下的低维材料光电晶体管器件的等效电容示意图。图中：ΨS低维半导体沟道表面电势、CS低维半导体沟道电容、Cox栅极氧化铝电介质电容、CFe具有负电容效应的铁电栅电介质电容。
图4为氧化铪基铁电薄膜材料调控下的低维材料负电容光电晶体管电学特性图，源漏偏压为0.5V。其中图(a)为电学转移特性曲线，图(b)为电学转移特性曲线的亚阈值摆幅计算值。
图5为低维材料负电容光电晶体管在不同入射光功率下的光电响应特性图，入射激光波长为637纳米。其中图(a)为器件在不同入射光功率下的输出特性曲线，图(b)为器件在不同入射光功率下的光探测率值。
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：
本发明研制了一种高灵敏的负电容场效应管光电探测器。利用氧化铪基铁电薄膜的铁电局域静电场和铁电负电容效应的共同作用，有效调控低维材料光电晶体管的沟道能垒、极大地抑制暗电流、显着提升光探测效率。
具体步骤如下：
1.衬底选择
选用p型掺杂硅衬底。
2.氧化物层制备
采用热氧化法在硅衬底表面，氧化制备285±15纳米厚度二氧化硅。
3.氮化钛栅电极制备
通过离子束溅射方法在二氧化硅上沉积氮化钛栅电极层。
4.具有负电容效应的铁电栅电介质层制备
在280℃的衬底温度下，利用原子层沉积工艺，将Hf[N(C2H5)CH3]4、Zr[N(C2H5)CH3]4和H2O分别用作Hf、Zr和O源，通过交替沉积一个循环HfO2和一个循环ZrO2控制元素组分，并在500℃的氮气环境中进行60秒快速退火，以保证铁电薄膜的结晶特性，从而在栅电极上生长具有负电容效应的氧化铪基铁电薄膜(Hf0.5Zr0.5O2)，厚度为15±5纳米。
5.氧化铝栅极电介质制备
通过原子层沉积工艺或电子束蒸发技术在铁电栅电介质层上沉积氧化铝栅极电介质层，厚度为5±3纳米。
6.低维半导体材料制备
采用机械剥离转移方法或化学气相沉积生长方法在氧化铝栅电介质层上制备过渡金属硫族化合物低维半导体材料，二硫化钼厚度选择从单层分子至10纳米。
7.源极、漏极制备
利用紫外光刻或电子束刻蚀技术制备源极、漏极电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬10-15纳米，金30-50纳米；结合剥离方法，剥离金属膜，获得源极、漏极电极。
8.电学测试
在源极和漏极之间施加微小恒定0.5V偏置电压，检测低维半导体沟道电流。再设定栅电压的扫描范围为-2V至2V，栅电压扫描方向为从负到正再到负，测量器件的转移特性。如图4所示，其中转移特性正向与反向曲线几乎完全重合，亚阈值区摆幅低于60mV/dec，最小值达到17.64mV/dec。该结果说明本发明氧化铪基铁电薄膜调控下的低维材料光电晶体管可实现无回滞、超低亚阈值摆幅的电学转移特性，此外通过电学测试确定截止电压点为-1.6V，上述电学性质为光电测试提供条件。
9.光电测试
器件工作栅压设置为暗态转移特性曲线的截止点VG＝-1.6V，源极和漏极之间的电压扫描范围设置为从0V至0.5V。首先测试无光照时器件的沟道电流，即为暗电流，测试结果始终小于10-12A，表明器件的暗电流得到有效抑制。当入射一定功率的波长为637纳米的激光时，低维材料负电容光电晶体管的沟道电流显著增加，且沟道电流随着入射光功率的增大而增大。如图5所示当入射光功率为2.7nW时，器件的光探测率高达4.75×1014cmHz1/2W-2，表现出极高光响应灵敏度。
实施例1
本实施例中提供一种氧化铪基铁电薄膜调控下的低维材料光电晶体管器件，器件截面图如图1所示。
探测器自下而上依次为：1衬底、2氧化物、3栅电极、4具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质、5氧化物栅电介质、6低维半导体材料、7金属源电极与8金属漏电极。
本实施例中衬底1为P型掺杂硅衬底；氧化物层2为二氧化硅，厚度为285纳米；栅电极3为氮化钛，厚度为40纳米；具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质4为掺锆氧化铪，分子式为Hf0.5Zr0.5O2，厚度为10纳米；氧化物栅电介质5为氧化铝，通过原子层沉积工艺制备，厚度为5纳米；低维半导体材料为多层二硫化钼，通过机械剥离法制备，厚度为6.3纳米；金属源极7、漏极8为铬金电极，通过紫外光刻结合热蒸发金属及剥离工艺制备，铬厚度为15纳米，金厚度为50纳米。
本实施例中铁电调控下的低维材料光电晶体管器件的工作电压分布如图2所示。其中栅电压VG施加于栅电极层3、金属源电极7接地，源漏偏置电压VSD施加于金属漏电极8。该器件的等效电容示意图如图3所示，ΨS为多层二硫化钼沟道表面电势、CS为多层二硫化钼沟道电容、Cox为栅极氧化铝电介质电容、CFe为掺锆氧化铪的铁电栅电介质电容。
器件电学特性：在源极和漏极之间施加微小恒定0.5V偏置电压，检测多层二硫化钼沟道电流。再设定栅电压的扫描范围为-2V至2V，栅电压扫描方向为从负到正再到负，测量器件的转移特性，确定截止电压。转移特性正向与反向曲线几乎完全重合，亚阈值区摆幅低于60mV/dec。该结果说明本发明氧化铪基铁电薄膜调控下的低维材料光电晶体管可实现无回滞、超低亚阈值摆幅的电学转移特性，上述电学性质为光电测试提供条件。
器件光电响应特性：将器件工作栅压设置为暗态转移特性曲线的截止点，源极和漏极之间的电压扫描范围设置为从0V至0.5V。首先测试无光照时器件的沟道电流，即为暗电流，测试结果始终小于10-12A，表明器件的暗电流得到有效抑制。当入射一定功率的波长为637纳米的激光时，低维材料负电容光电晶体管的转移特性曲线截止点发生左移，原沟道电流截止点变为导通状态，沟道电流显著增加，表现出极高光响应灵敏度。
实施例2
本实施例中提供一种氧化铪基铁电薄膜调控下的低维材料光电晶体管器件，器件截面图如图1所示。
探测器自下而上依次为：1衬底、2氧化物、3栅电极、4具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质、5氧化物栅电介质、6低维半导体材料、7金属源电极与8金属漏电极。
本实施例中衬底1为P型掺杂硅衬底；氧化物层2为二氧化硅，厚度为270纳米；栅电极3为氮化钛，厚度为30纳米；具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质4为掺钇氧化铪，分子式为Hf0.93Y0.07O2，厚度为10纳米；氧化物栅电介质5为氧化铝，通过电子束蒸发工艺制备，厚度2纳米；低维半导体材料为少层二硫化钼，通过机械剥离法制备，厚度为2.8纳米；金属源极7、漏极8为铬金电极，通过电子束刻蚀结合热蒸发金属及剥离工艺制备，铬厚度为12纳米，金厚度为40纳米。
本实施例中铁电调控下的低维材料光电晶体管器件的工作电压分布如图2所示。其中栅电压VG施加于栅电极层3、金属源电极7接地，源漏偏置电压VSD施加于金属漏电极8。该器件的等效电容示意图如图3所示，ΨS为少层二硫化钼沟道表面电势、CS为少层二硫化钼沟道电容、Cox为栅极氧化铝电介质电容、CFe为掺钇氧化铪的铁电栅电介质电容。
器件电学特性：在源极和漏极之间施加微小恒定0.5V偏置电压，检测少层二硫化钼沟道电流。再设定栅电压的扫描范围为-1.5V至1.5V，栅电压扫描方向为从负到正再到负，测量器件的转移特性，确定截止电压，亚阈值区摆幅低于60mV/dec。该结果说明本发明氧化铪基铁电薄膜调控下的低维材料光电晶体管可突破玻尔兹曼极限、实现超低亚阈值摆幅的电学转移特性，上述电学性质为光电测试提供条件。
器件光电响应特性：将器件工作栅压设置为暗态转移特性曲线的截止点，源极和漏极之间的电压扫描范围设置为从0V至0.5V。首先测试无光照时器件的沟道电流，即为暗电流，测试结果始终小于10-12A，表明器件的暗电流得到有效抑制。当入射一定功率的波长为520纳米的激光时，低维材料负电容光电晶体管的转移特性曲线截止点发生左移，原沟道电流截止点变为导通状态，沟道电流显著增加，表现出极高光响应灵敏度。
实施例3
本实施例中提供一种氧化铪基铁电薄膜调控下的低维材料光电晶体管器件，器件截面图如图1所示。
探测器自下而上依次为：1衬底、2氧化物、3栅电极、4具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质、5氧化物栅电介质、6低维半导体材料、7金属源电极与8金属漏电极。
本实施例中衬底1为P型掺杂硅衬底；氧化物层2为二氧化硅，厚度为300nm；栅电极3为氮化钛，厚度为50纳米；具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质4为掺锆氧化铪，分子式为Hf0.5Zr0.5O2，厚度为5nm；氧化物栅电介质5为氧化铝，通过原子层沉积工艺制备，厚度8纳米；低维半导体材料为通过化学气相沉积法生长的单层二硫化钼；金属源极7、漏极8为铬金电极，通过电子束刻蚀结合热蒸发金属及剥离工艺制备，铬厚度为10纳米，金厚度为30纳米。
本实施例中铁电调控下的低维材料光电晶体管器件的工作电压分布如图2所示。其中栅电压VG施加于栅电极层3、金属源电极7接地，源漏偏置电压VSD施加于金属漏电极8。该器件的等效电容示意图如图3所示，ΨS为单层二硫化钼沟道表面电势、CS为单层二硫化钼沟道电容、Cox为栅极氧化铝电介质电容、CFe为掺锆氧化铪的铁电栅电介质电容。
器件电学特性：在源极和漏极之间施加微小恒定0.5V偏置电压，检测单层二硫化钼沟道电流。再设定栅电压的扫描范围为-1V至1V，栅电压扫描方向为从负到正再到负，测量器件的转移特性，确定截止电压，亚阈值区摆幅低于60mV/dec。该结果说明本发明氧化铪基铁电薄膜调控下的低维材料光电晶体管可突破玻尔兹曼极限、实现超低亚阈值摆幅的电学转移特性，上述电学性质为光电测试提供条件。
器件光电响应特性：将器件工作栅压设置为暗态转移特性曲线的截止点，源极和漏极之间的电压扫描范围设置为从0V至0.5V。首先测试无光照时器件的沟道电流，即为暗电流，测试结果始终小于10-12A，表明器件的暗电流得到有效抑制。当入射一定功率的波长为520纳米的激光时，低维材料负电容光电晶体管的转移特性曲线截止点发生左移，原沟道电流截止点变为导通状态，沟道电流显著增加，表现出极高光响应灵敏度。
Claims (2)
1.一种高灵敏的负电容场效应管光电探测器，其特征在于，器件结构自下而上依次为：衬底(1)、氧化物(2)、栅电极(3)、具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质(4)、氧化物栅电介质(5)、过渡金属硫族化合物低维半导体材料(6)、金属源极(7)、金属漏极(8)，其中：
所述的衬底(1)为P型掺杂的硅衬底；
所述的氧化物(2)为二氧化硅，厚度为285±15纳米；
所述的栅电极(3)为氮化钛，厚度为40±10纳米；
所述的具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质(4)为掺杂锆、硅、钇或铝元素的氧化铪基铁电薄膜，厚度为15±5纳米；
所述的氧化物栅电介质(5)为氧化铝，厚度为5±3纳米；
所述的过渡金属硫族化合物低维半导体材料(6)的厚度从单层分子至10纳米；
所述的金属源极(7)、金属漏极(8)为铬金电极，铬厚度为10-15纳米，金厚度为30-50纳米。
2.一种制备如权利要求1所述的高灵敏的负电容场效应管光电探测器的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用热氧化法在硅衬底表面制备氧化物(2)；
2)通过离子束溅射方法在氧化物(2)上沉积栅电极(3)；
3)在280℃的衬底温度下，通过原子层沉积工艺在栅电极(3)上生长具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质(4)，并在500℃的氮气环境中进行60秒快速退火，以保证铁电薄膜的结晶特性；
4)通过原子层沉积或电子束蒸发工艺在具有负电容效应的氧化铪基铁电栅电介质(4)上沉积氧化物栅电介质(5)；
5)采用机械剥离转移方法或化学气相沉积生长方法在氧化物栅电介质(5)上制备过渡金属硫族化合物低维半导体材料(6)；
6)利用紫外光刻或电子束刻蚀技术，结合热蒸发金属及剥离工艺制备金属源极(7)、金属漏极(8)。
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