CN111952401A - 一种基于二碲化钯薄膜/n-型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二碲化钯薄膜/n‑型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器及其制备方法，是由两彼此不接触的二碲化钯薄膜分别与n‑型超薄硅形成范德瓦尔斯异质结，该颜色探测器在正面受光与背面受光时的电流比，随被探测光波长的增大而单调降低，从而可根据电流比识别被探测光的波长。本发明的颜色探测器工艺简单、成本低廉、性质稳定、颜色识别度高。
Description
技术领域
本发明属于颜色探测器技术领域，具体涉及一种基于二碲化钯薄膜/n-型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器及其制备方法。
背景技术
颜色探测器是一种能将光信号转换成电信号的光电器件，属于光电探测器的一种，不仅可以实现光信号的探测，还能实现波长的有效识别。低成本高性能颜色探测器在人工智能辅助驾驶、图像传感、光通信、火灾检测、生物医学成像、环境监测、空间探测与安全检测等诸多科学研究与工业技术领域有重要的应用价值，因而得到了人们广泛的关注。
目前，在应用广泛的可见光-近红外光波段(波长<1100nm)，基于晶体硅的光电探测器占据主要的市场份额。得益于成熟的加工工艺以及与硅基CMOS工艺的良好兼容性，人们成功研制出多种具有不同器件结构的硅基光电探测器，包括金属-半导体-金属颜色探测器、p-n(p-i-n)结和肖特基结光电二极管等。其中，p-n(p-i-n)结和肖特基结光电二极管具有固有内建电场，能够有效促进光生载流子的分离和传输，因而在高速光电探测以及低功耗光电探测领域具有重要的应用。但是，商业化中普遍采用高温扩散或离子注入等方法制备硅p-n(p-i-n)结，虽然可制备质量较好的硅p-n(p-i-n)结，但不可避免存在一系列缺点，如涉及复杂繁琐的制备流程、需要使用昂贵的仪器设备，从而导致器件的成本居高不下。另一方面，单一的光电探测器只能实现光信号的探测，无法实现对光波长的识别，严重阻碍了其在科学研究、工业生产和人民生活中的广泛应用。
二维二碲化钯薄膜作为新一代的半金属材料，具有载流子迁移率高、机械柔韧性好、带隙可调等特点，是一种理想的制备高性能半导体范德瓦尔斯异质结颜色探测器的材料。但是，常用的制备方法为机械剥离、化学气相沉积法，得到的薄膜材料面积比较小，不适合大规模的器件制备。
发明内容
为避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种器件工艺简单、成本低廉的基于二碲化钯薄膜/n-型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器，该器件可以有效识别被探测光的波长。
本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明基于二碲化钯薄膜/n-型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器，其特点在于：以n-型超薄硅基底作为所述颜色探测器的基区；在所述n-型超薄硅基底的上表面间隔设置有一对绝缘薄膜；在两绝缘薄膜上皆设置有一个二碲化钯薄膜接触电极，所述二碲化钯薄膜接触电极的边界不超出相应绝缘薄膜的边界；
在各二碲化钯薄膜接触电极上皆铺设一个二碲化钯薄膜，所述二碲化钯薄膜一部分与二碲化钯薄膜接触电极接触、剩余部分与两绝缘薄膜之间的n-型超薄硅基底接触，且两二碲化钯薄膜彼此不接触；两二碲化钯薄膜分别与n-型超薄硅形成范德瓦尔斯异质结；
所述颜色探测器在正面受光与背面受光时的电流比，随被探测光波长的增大而单调降低，从而可根据电流比识别被探测光的波长。
优选的，所述n-型超薄硅基底采用厚度为20-100μm、电阻率为1-100Ω/cm的n-型轻掺杂硅片。
优选的，所述绝缘薄膜为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化铝薄膜或者氧化铪薄膜，所述绝缘薄膜的厚度为30-300nm。
优选的，所述二碲化钯薄膜接触电极为Au电极、Pt电极或Pd电极，所述二碲化钯薄膜接触电极的厚度为30-300nm。
优选的，所述二碲化钯薄膜的厚度为10-100nm。
本发明所述颜色探测器的制备方法，是按如下步骤进行：
步骤1、将n-型轻掺杂硅片放在质量浓度为5％-10％的氢氟酸溶液或BOE刻蚀液中刻蚀5-10分钟，去除n-型轻掺杂硅片表面的自然氧化层，取出后清洗并干燥，得到n-型超薄硅基底；
步骤2、采用磁控溅射镀膜方法在n-型超薄硅基底的上表面间隔设置一对绝缘薄膜；
步骤3、采用电子束镀膜方法在两绝缘薄膜上分别设置一个二碲化钯薄膜接触电极，且所述二碲化钯薄膜接触电极的边界不超出相应绝缘薄膜的边界；
步骤4、通过电子束镀膜方法在表面覆盖氧化硅的硅基底上蒸镀钯薄膜，然后通过化学气相沉积辅助，将钯薄膜转化为二碲化钯薄膜；在所述二碲化钯薄膜表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后在氢氧化钠溶液中刻蚀二氧化硅，将碲化钯薄膜分离出来；
通过液体辅助转移的方法将一对二碲化钯薄膜分别转移到n-型超薄硅基底上的一对二碲化钯薄膜接触电极上；二碲化钯薄膜一部分与二碲化钯薄膜接触电极接触、剩余部分与两绝缘薄膜之间的n-型超薄硅基底接触，且两二碲化钯薄膜彼此不接触；
转移后，即完成基于二碲化钯薄膜/n-型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器的制备。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明设计了一种基于二碲化钯薄膜/n-超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器，该器件在正面受光和背面受光的情况下，对于相同功率、不同波长的可见光具有不同的光电响应，而且电流比随着波长的增加单调降低，可以有效地提高器件在不同受光条件下的电流比的大小来有效识别入射光的波长，颜色探测由此实现。此外，二维二碲化钯薄膜材料表面的完美结构使其具有稳定性好的优点，有效地降低了由于表面悬挂键与空气中的成分相互作用造成的材料变质和器件性能衰退；二维二碲化钯薄膜兼具载流子迁移率高、制备简单等优点，非常适合在颜色探测领域的使用，而且易与传统的硅基材料结合，与传统的CMOS工艺兼容性好，具有很高的应用潜力。
2、本发明的颜色探测器引入二碲化钯薄膜替代传统颜色探测器中的p-型硅，避免了使用高温扩散和离子注入过程，以及昂贵的仪器设备，降低了器件制备成本。
3、本发明的颜色探测器，既可以利用硅在可见光-近红外光波段的高吸收率，又可以结合二碲化钯薄膜的高电导率等优点，从而提升对探测光的吸收效率以及光生载流子的传输效率；本发明颜色探测器对波长范围为440-800nm的入射光具有很高的识别度。
附图说明
图1为本发明基于二碲化钯薄膜/n-型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例1所制备的颜色探测器在波长为440-800nm、强度为～10μW/cm2的光照下，正面受光和背面受光条件下的电流-波长特性曲线；
图3为本发明实施例1所制备的颜色探测器在波长为440-800nm、强度为～10μW/cm2的光照下，正面受光和背面受光条件下的电流比-波长曲线；
图4为本发明实施例2所制备的颜色探测器在波长为440-800nm、强度为～10μW/cm2的光照下，正面受光和背面受光条件下的电流-波长特性曲线；
图5为本发明实施例2所制备的颜色探测器在波长为440-800nm、强度为～10μW/cm2的光照下，正面受光和背面受光条件下的电流比-波长曲线；
图中标号：1为n-型超薄硅基底；2为绝缘薄膜；3为二碲化钯薄膜接触电极；4为二碲化钯薄膜。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例中基于二碲化钯薄膜/n-型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器，具有如下结构：以n-型超薄硅基底1作为颜色探测器的基区；在n-型超薄硅基底1的上表面间隔设置有一对绝缘薄膜2；在两绝缘薄膜2上皆设置有一个二碲化钯薄膜接触电极3，二碲化钯薄膜接触电极3的边界不超出相应绝缘薄膜2的边界；在各二碲化钯薄膜接触电极3上皆铺设一个二碲化钯薄膜4，二碲化钯薄膜4一部分与二碲化钯薄膜接触电极3接触、剩余部分与两绝缘薄膜2之间的n-型超薄硅基底接触，且两二碲化钯薄膜4彼此不接触；两二碲化钯薄膜分别与相应的二碲化钯薄膜接触电极为欧姆接触，两二碲化钯薄膜分别与n-型超薄硅形成范德瓦尔斯异质结。
具体的：n-型超薄硅基底采用厚度为300μm、电阻率为5Ω/cm的n-型轻掺杂硅片。绝缘薄膜为300nm厚的氧化硅薄膜。二碲化钯薄膜接触电极为50nm厚的Au电极。二碲化钯薄膜厚度为100nm。
本实施例的颜色探测器按如下步骤进行制备：
步骤1、将面积为1cm×1cm、电阻率为5Ω/cm、厚度为300μm的n-型轻掺杂硅片放在质量浓度为5％的氢氟酸溶液中刻蚀5分钟，去除n-型轻掺杂硅片表面的自然氧化层，取出后依次用丙酮、酒精、去离子水各超声清洗15分钟，并用氮气吹干，得到n-型超薄硅基底。
步骤2、在掩模版覆盖下，采用磁控溅射镀膜方法，以纯度为99.9％的氧化硅靶为材料，真空度为4×10-3Pa，在n-型超薄硅基底的上表面间隔设置一对300nm厚的氧化硅薄膜作为绝缘薄膜。
步骤3、采用电子束镀膜方法，在真空度为6.7×10-3Pa以下，在两绝缘薄膜上分别设置一个面积小于氧化硅薄膜面积、厚度为50nm的Au电极作为二碲化钯薄膜接触电极。
步骤4、通过液体辅助转移的方法将一对100nm厚的二碲化钯薄膜分别转移到n-型超薄硅基底上的一对二碲化钯薄膜接触电极上；二碲化钯薄膜一部分与二碲化钯薄膜接触电极接触、剩余部分与两绝缘薄膜之间的n-型超薄硅基底接触，且两二碲化钯薄膜彼此不接触；
转移后，即完成基于二碲化钯薄膜/n-超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器的制备。
具体的，二碲化钯薄膜是通过热辅助转化法制备的，具体步骤如下：
a.采用电子束蒸镀方法，在表面覆盖二氧化硅的硅基底上蒸镀10nm的钯薄膜，将覆盖钯的样品置于管式炉中，在样品上游10cm处放置碲粉，使用氩氢气(体积比为95％氩气/5％氢气，气体流量为100SCCM)为载气，在压强100Pa的条件下，以15℃/min的速率加热到300℃并保持30min，然后自然冷却至室温，实现二钯向碲化钯的转化。
b.在二碲化钯薄膜表面旋涂PMMA，然后在4mol/L的氢氧化钠溶液中刻蚀二氧化硅，将二碲化钯薄膜分离出来，再通过液体辅助转移的方法转移到n-型超薄硅基底上。
本实施例制备的颜色探测器在波长为440-800nm、强度为～10μW/cm2的光照下，正面受光和背面受光条件下的电流-波长特性曲线如图2所示，从图中可以看出颜色探测器在正面受光和背面受光的情况下，对不同波长的入射光的响应明显不同。
本实施例制备的颜色探测器在波长为440-800nm、强度为～10μW/cm2的光照下，正面受光和背面受光条件下的电流比-波长特性曲线如图3所示，从图中可以看出颜色探测器对被探测光非常敏感，正面受光和背面受光的电流比随着波长增大单调降低，可以有效识别可见光的波长。
实施例2
如图1所示，本实施例中基于二碲化钯薄膜/n-型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器，具有如下结构：以n-型超薄硅基底1作为颜色探测器的基区；在n-型超薄硅基底1的上表面间隔设置有一对绝缘薄膜2；在两绝缘薄膜2上皆设置有一个二碲化钯薄膜接触电极3，二碲化钯薄膜接触电极3的边界不超出相应绝缘薄膜2的边界；在各二碲化钯薄膜接触电极3上皆铺设一个二碲化钯薄膜4，二碲化钯薄膜4一部分与二碲化钯薄膜接触电极3接触、剩余部分与两绝缘薄膜2之间的n-型超薄硅基底接触，且两二碲化钯薄膜4彼此不接触；两二碲化钯薄膜分别与相应的二碲化钯薄膜接触电极为欧姆接触，两二碲化钯薄膜分别与n-型超薄硅形成范德瓦尔斯异质结。
具体的：n-型超薄硅基底采用厚度为20μm、电阻率为50Ω/cm的n-型轻掺杂硅片。绝缘薄膜为60nm厚的氧化铝薄膜。二碲化钯薄膜接触电极为250nm厚的Pd电极。二碲化钯薄膜厚度为20nm。
本实施例的颜色探测器按如下步骤进行制备：
步骤1、将面积为1cm×1cm、电阻率为50Ω/cm、厚度为20μm的n-型轻掺杂硅片放在质量浓度为5％的氢氟酸溶液中刻蚀5分钟，去除n-型轻掺杂硅片表面的自然氧化层，取出后依次用丙酮、酒精、去离子水各超声清洗15分钟，并用氮气吹干，得到n-型超薄硅基底。
步骤2、在掩模版覆盖下，采用磁控溅射镀膜方法，以纯度为99.9％的氧化铝靶为材料，真空度为4×10-3Pa，在n-型超薄硅基底的上表面间隔设置一对60nm厚的氧化铝薄膜作为绝缘薄膜。
步骤3、采用电子束镀膜方法，在真空度为6.7×10-3Pa以下，在两绝缘薄膜上分别设置一个面积小于氧化铝薄膜面积、厚度为250nm的Pd电极作为二碲化钯薄膜接触电极。
步骤4、通过液体辅助转移的方法将一对20nm厚的二碲化钯薄膜分别转移到n-型超薄硅基底上的一对二碲化钯薄膜接触电极上；二碲化钯薄膜一部分与二碲化钯薄膜接触电极接触、剩余部分与两绝缘薄膜之间的n-型超薄硅基底接触，且两二碲化钯薄膜彼此不接触；
转移后，即完成基于二碲化钯薄膜/n-超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器的制备。
具体的，二碲化钯薄膜是通过热辅助转化法制备的，具体步骤如下：
a.采用电子束蒸镀方法，在表面覆盖二氧化硅的硅基底上蒸镀2nm的钯薄膜，将覆盖钯的样品置于管式炉中，在样品上游10cm处放置碲粉，使用氩氢气(体积比为95％氩气/5％氢气，气体流量为100SCCM)为载气，在压强100Pa的条件下，以15℃/min的速率加热到300℃并保持30min，然后自然冷却至室温，实现二钯向碲化钯的转化。
b.在二碲化钯薄膜表面旋涂PMMA，然后在4mol/L的氢氧化钠溶液中刻蚀氧化硅，将二碲化钯薄膜分离出来，再通过液体辅助转移的方法转移到n-型超薄硅基底上。
本实施例制备的颜色探测器在波长为440-800nm、强度为～10μW/cm2的光照下，正面受光和背面受光条件下的电流-波长特性曲线如图4所示，从图中可以看出颜色探测器在正面受光和背面受光的情况下，对不同波长的入射光的响应明显不同。
本实施例制备的颜色探测器在波长为440-800nm、强度为～10μW/cm2的光照下，正面受光和背面受光条件下的电流比-波长特性曲线如图3所示，从图中可以看出颜色探测器对被探测光非常敏感，正面受光和背面受光的电流比随着波长增大单调降低，可以有效识别可见光的波长。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于二碲化钯薄膜/n-型超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器，其特征在于：以n-型超薄硅基底(1)作为所述颜色探测器的基区；在所述n-型超薄硅基底(1)的上表面间隔设置有一对绝缘薄膜(2)；在两绝缘薄膜(2)上皆设置有一个二碲化钯薄膜接触电极(3)，所述二碲化钯薄膜接触电极(3)的边界不超出相应绝缘薄膜(2)的边界；
在各二碲化钯薄膜接触电极(3)上皆铺设一个二碲化钯薄膜(4)，所述二碲化钯薄膜(4)一部分与二碲化钯薄膜接触电极(3)接触、剩余部分与两绝缘薄膜(2)之间的n-型超薄硅基底接触，且两二碲化钯薄膜(4)彼此不接触；两二碲化钯薄膜分别与n-型超薄硅形成范德瓦尔斯异质结；
所述颜色探测器在正面受光与背面受光时的电流比，随被探测光波长的增大而单调降低，从而可根据电流比识别被探测光的波长。
2.根据权利要求1所述的颜色探测器，其特征在于：所述n-型超薄硅基底(1)采用厚度为20-100μm、电阻率为1-100Ω/cm的n-型轻掺杂硅片。
3.根据权利要求1所述的颜色探测器，其特征在于：所述绝缘薄膜(2)为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化铝薄膜或者氧化铪薄膜；所述绝缘薄膜(2)的厚度为30-300nm。
4.根据权利要求1所述的颜色探测器，其特征在于：所述二碲化钯薄膜接触电极(3)为Au电极、Pt电极或Pd电极，所述二碲化钯薄膜接触电极(3)的厚度为30-300nm。
5.根据权利要求1所述的颜色探测器，其特征在于：所述二碲化钯薄膜(4)的厚度为10-100nm。
6.一种权利要求1～5中任意一项所述颜色探测器的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
步骤1、将n-型轻掺杂硅片放在质量浓度为5％-10％的氢氟酸溶液或BOE刻蚀液中刻蚀5-10分钟，去除n-型轻掺杂硅片表面的自然氧化层，取出后清洗并干燥，得到n-型超薄硅基底；
步骤2、采用磁控溅射镀膜方法在n-型超薄硅基底的上表面间隔设置一对绝缘薄膜；
步骤3、采用电子束镀膜方法在两绝缘薄膜上分别设置一个二碲化钯薄膜接触电极，且所述二碲化钯薄膜接触电极的边界不超出相应绝缘薄膜的边界；
步骤4、通过液体辅助转移的方法将一对二碲化钯薄膜分别转移到n-型超薄硅基底上的一对二碲化钯薄膜接触电极上；二碲化钯薄膜一部分与二碲化钯薄膜接触电极接触、剩余部分与两绝缘薄膜之间的n-型超薄硅基底接触，且两二碲化钯薄膜彼此不接触；
转移后，即完成基于二碲化钯薄膜/n-超薄硅范德瓦尔斯异质结的颜色探测器的制备。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的二碲化钯薄膜按如下方法获得：通过电子束镀膜方法在表面覆盖二氧化硅的硅基底上蒸镀钯薄膜，然后通过化学气相沉积辅助，将钯薄膜转化为二碲化钯薄膜；在所述二碲化钯薄膜表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后在氢氧化钠溶液中刻蚀二氧化硅，将二碲化钯薄膜分离出来。
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