CN112331728A - 一种基于低维材料的波导晶体管探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于低维材料的波导晶体管探测器及其制备方法，其中，波导晶体管探测器包括：SOI层，包括底层和波导，在底层上设置波导；低维半导体层，覆盖在SOI层和波导上方；源极，设置在低维半导体层的上方，位于波导的一侧；漏极，设置在低维半导体层的上方，位于波导的另一侧；栅极，设置在低维半导体层的上方，位于波导的上方；栅介质层，栅介质层覆盖在位于波导顶部的低维半导体层上方，栅极设置在栅介质层的上方。使用低维材料是直接带隙材料，能提高光电转换效率；探测器集成在波导上，不用牺牲折中光吸收效率和器件工作带宽；低维材料和波导集成不用外延，避免晶格失配，利用栅电极调控器件工作在关态，降低暗电流，提高灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于机械制作技术领域，特别是涉及一种基于低维材料的波导晶体管探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是光电子系统的重要组成部分，能利用光电效应将光辐射能转换成电子器件可以处理的电信号，其应用已经渗透于军事和国民经济的各个领域。近年来，光电信息技术发展迅猛，人们对光电探测器的要求也随之提高，希望器件能够响应度高，光学谱宽大，灵敏度高，响应时间快，成本低，可集成化和小型化等。因此，发展和探索新型光电探测器具有十分重要的意义。
目前的光电探测器具有如下缺点：
1、构建光电探测器的材料使用III-V族化合物材料，族化合物材料难以提纯，难以实现大尺寸晶圆，因此III-V族化合物材料构建的光电探测器成本昂贵且产能不足。
2、硅是间接材料，不适合制备光电探测器。
3、为实现光电子集成电路，III-V族化合物材料和Si/Ge与硅基的集成需要引入键合技术和异质外延技术，增加工艺难度和成本的同时，引入的寄生参数和实晶格失配，导致器件性能下降，如暗电流增加，灵敏度降低等。
4、传统的光电探测器为权衡光吸收效率和工作带宽，需要在器件性能中做出牺牲。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于低维材料的波导晶体管探测器及其制备方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于低维材料的波导晶体管探测器，包括：
SOI层，所述SOI层包括：底层和波导，在底层上设有波导；
低维半导体层，覆盖在所述底层和所述波导上方；
源极，设置在所述低维半导体层的上方，位于所述波导的一侧；
漏极，设置在所述低维半导体层的上方，位于所述波导的另一侧；
栅极，设置在所述低维半导体层的上方，位于所述波导的上方；
栅介质层，所述栅介质层覆盖在位于所述波导顶部的低维半导体层上方，所述栅极设置在所述栅介质层的上方。
进一步地，所述底层包括：硅衬底层和二氧化硅层，在所述硅衬底层上覆盖二氧化硅层，所述波导设置在所述二氧化硅层的中线上。
进一步地，还包括隔离层，覆盖在所述二氧化硅层和所述波导上方，所述低维半导体层覆盖在所述隔离层上方。
进一步地，所述隔离层的选用材料包括：氧化铝和/或氧化铪。
进一步地，波导包括但不限于下列至少之一：硅波导、SiO2波导、Si3N4波导。
进一步地，所述栅介质层的选用材料包括：氧化铝和/或氧化铪。
进一步地，所述低维半导体层的材料选用下列至少之一：碳纳米管薄膜、黑磷、二硫化钼、二硫化钨。
进一步地，所述源极和所述漏极的选用材料包括下列至少之一：钛、金、钯、铂、钪。
进一步地，所述栅极选用的材料包括：钯和/或氧化铟锡。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于低维材料的波导晶体管探测器的制备方法，步骤包括：
预先设置包含底层和波导的SOI层；
在所述底层和所述波导上方利用沉积工艺覆盖隔离层；
在所述隔离层上方通过膜转移工艺、或生长工艺、或沉积工艺设置低维半导体层；
在所述波导顶部的低维半导体层上方利用沉积工艺覆盖栅介质层；
在所述栅介质层的上方设置栅极，在所述栅极两侧的低维半导体层上分别设置漏极和源极，所述漏极和所述源极分别位于所述波导的两侧。
本发明实施例提供的基于低维材料的波导晶体管探测器及其制备方法，具有如下有益效果：
通过本发明的技术方案，使用低维材料作为半导体层覆盖在SOI层上方，低维材料是直接带隙材料光吸收效率高，光电转换效率高，波导集成在探测器上，使得载流子渡越方向与光传播方向垂直，不需要为折中光吸收效率和器件工作带宽做出牺牲，低维材料和波导的集成，不需要外延，不存在晶格失配的问题，可以利用栅电极调控器件工作在关态，可以有效降低探测器的暗电流，提高探测器的灵敏度。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：
图1为本发明实施例的基于低维材料的波导晶体管探测器的截面示意图；
图2为本发明实施例的栅极电压对探测器的电流的调控的示意图；
图3为本发明实施例的基于低维材料的波导晶体管探测器的制备方法的流程图。
附图标记说明：1底层，11硅衬底层，12二氧化硅层；
2波导，3低维半导体层，4源极，5漏极，6栅极，7隔离层，8栅介质层。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1是本发明实施例的基于低维材料的波导晶体管探测器的结构示意图。
如图1所示，提供一种基于低维材料的波导晶体管探测器，包括：SOI层，SOI层包括：底层1和波导2，在底层1上设有波导2；低维半导体层3，覆盖在底层1和波导2上方；源极4，设置在低维半导体层3的上方，位于波导2的一侧；漏极5，设置在低维半导体层3的上方，位于波导2的另一侧；栅极6，设置在低维半导体层3的上方，位于波导2的上方；栅介质层8，栅介质层8覆盖在位于波导2顶部的低维半导体层3上方，栅极6设置在栅介质层8的上方。
在上述方案中，SOI（绝缘体上硅，英文全称Silicon-On-Insulator）层，预先设置包含底层1和波导2的SOI层，在底层1和波导2上方利用沉积工艺覆盖隔离层7，在隔离层7上方通过膜转移工艺、或生长工艺、或沉积工艺设置低维半导体层3，在波导2顶部的低维半导体层3上方利用沉积工艺覆盖栅介质层8，在栅介质层8的上方设置栅极6，在栅极6两侧的低维半导体层3上分别设置漏极5和源极4，漏极5和源极4分别位于波导2的两侧。其中，由源极4到漏极5为载流子渡越方向，使得载流子渡越方向与光传播方向垂直，不需要为折中光吸收率和器件工作宽带做出牺牲。并且利用探测器的加工工艺与CMOS工艺兼容，容易实现探测器与电路的片上集成。
设置栅介质层8以使用栅电极有效调控探测器暗电流，可有效提高探测灵敏度；波导2集成的特性可以分别提高光吸收效率和响应速度，不需要在两者中取折中。
其中，低维半导体为维度小于3的材料构成。低维半导体为带隙材料，能够更好地吸收光。
其中，波导2为脊型，该脊型为矩型脊，该波导2的宽度为450nm，高度为220nm。
通过上述方案，使用低维材料作为半导体层覆盖在SOI层上方，低维材料是直接带隙材料光吸收效率高，光电转换效率高，波导2集成在探测器上，使得载流子渡越方向与光传播方向垂直，不需要为折中光吸收效率和器件工作带宽做出牺牲，低维材料和波导2的集成，不需要外延，不存在晶格失配的问题，可以利用栅电极调控器件工作在关态，可以有效降低探测器的暗电流，提高探测器的灵敏度。
进一步地，底层1包括：硅衬底层11和二氧化硅层12，在硅衬底层11上覆盖二氧化硅层12，波导2设置在二氧化硅层12的中线上。其中，底层1对应的二氧化硅层12为二氧化硅埋氧层。
进一步地，还包括隔离层7，覆盖在二氧化硅层12和波导2上方，低维半导体层3覆盖在隔离层7上方。
在上述方案中，隔离层7能够将二氧化硅层12和低维半导体层3隔离开来，避免二者相互影响。
进一步地，隔离层7的选用材料包括：氧化铝和/或氧化铪。隔离层7的厚度为3-5nm，在保证隔离效果的同时，用量相对较少。
如图2所示，显示了通过栅极电压对探测器的电流的调控。对栅极施加不同的电压，器件中载流子浓度就会发生变化，导致器件在大电流和小电流间切换，当栅极电压越大，达到对应的最低点时，电流在nA量级，基本不存在电流，称为关态。栅极电压越小电流越大，基本保持在100微安左右。
进一步地，波导2可以为硅波导、SiO2波导、Si3N4波导中的任意一种。具体根据实际需要进行选择。
进一步地，栅介质层8的选用材料包括：氧化铝和/或氧化铪。栅介质层8采用氧化铪（HfO2）时的厚度区间为：5~20 nm，优选为7nm厚氧化铪（HfO2），或者采用氧化铝（Al2O3）时的厚度区间为：5~50 nm，优选为15nm厚的氧化铝（Al2O3）。
进一步地，低维半导体层3的材料选用下列至少之一：碳纳米管薄膜、黑磷、二硫化钼、二硫化钨。
其中，低维半导体层3为：对应的厚度为0.5-1nm的单层低维半导体材料或者1-10nm的多层低维半导体材料。碳纳米管薄膜是一维材料构成的薄膜，黑磷、二硫化钼、二硫化钨是二维材料构成的薄膜。其中一维材料和/或二维材料均为带隙材料，能够更好地吸收光。
进一步地，源极4和漏极5的选用材料包括下列至少之一：钛、金、钯、铂、钪。其中，源极4、漏极5与栅极6的长度大致相同，源极4和漏极5宽度为500nm~1μm，栅极6的宽为100nm~400nm。
源极4和漏极5的材料厚度选为30-70nm。
进一步地，栅极6选用的材料包括：钯和/或氧化铟锡。其中，对应栅极6材料为钯厚度为大于等于10nm，优选为10nm厚的钯，或者对应栅极6材料为氧化铟锡ITO厚度为大于等于100nm，优选为100nm厚的氧化铟锡ITO。
基于上述实施例，提供一种基于低维材料的波导晶体管探测器的制备方法，如图3所示，步骤包括：
步骤101，预先设置包含底层和波导的SOI层。
步骤102，在底层和波导上方利用沉积工艺覆盖隔离层。
步骤103，在隔离层上方通过膜转移工艺、或生长工艺、或沉积工艺设置低维半导体层。
步骤104，在波导顶部的低维半导体层上方利用沉积工艺覆盖栅介质层。
步骤105，在栅介质层的上方设置栅极，在栅极两侧的低维半导体层上分别设置漏极和源极，漏极和源极分别位于波导的两侧。
通过上述方案，使用低维材料作为半导体层覆盖在SOI层上方，低维材料是直接带隙材料光吸收效率高，光电转换效率高，波导集成在探测器上，使得载流子渡越方向与光传播方向垂直，不需要为折中光吸收效率和器件工作带宽做出牺牲，低维材料和波导的集成，不需要外延，不存在晶格失配的问题，可以利用栅电极调控器件工作在关态，可以有效降低探测器的暗电流，提高探测器的灵敏度。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (6)
1.一种基于低维材料的波导晶体管探测器，其特征在于，包括：
SOI层，所述SOI层包括：底层(1)和波导(2)，在底层(1)上设有波导(2)，其中，所述波导(2)为脊型，所述波导(2)的宽度为450nm，高度为220nm；
低维半导体层(3)，覆盖在所述底层(1)和所述波导(2)上方；
源极(4)，设置在所述低维半导体层(3)的上方，位于所述波导(2)的一侧；
漏极(5)，设置在所述低维半导体层(3)的上方，位于所述波导(2)的另一侧；
栅极(6)，设置在所述低维半导体层(3)的上方，位于所述波导(2)的上方；
栅介质层(8)，所述栅介质层(8)覆盖在位于所述波导(2)顶部的低维半导体层(3)上方，所述栅极(6)设置在所述栅介质层(8)的上方；
所述底层(1)包括：硅衬底层(11)和二氧化硅层(12)，在所述硅衬底层(11)上覆盖二氧化硅层(12)，所述波导(2)设置在所述二氧化硅层(12)上；
还包括隔离层(7)，覆盖在所述二氧化硅层(12)和所述波导(2)上方，所述低维半导体层(3)覆盖在所述隔离层(7)上方；
所述隔离层(7)的选用材料包括：氧化铝和/或氧化铪，隔离层(7)的厚度为3-5nm；
所述源极(4)和所述漏极(5)的选用材料包括下列至少之一：钛、金、钯、铂、钪，所述源极(4)和所述漏极(5)宽度为500nm~1μm，所述源极(4)和所述漏极(5)厚度为30nm-70nm。
2.根据权利要求1所述的基于低维材料的波导晶体管探测器，其特征在于，波导(2)包括但不限于下列至少之一：硅波导、SiO2波导、Si3N4波导。
3.根据权利要求1所述的基于低维材料的波导晶体管探测器，其特征在于，所述栅介质层(8)的选用材料包括：氧化铝和/或氧化铪。
4.根据权利要求1所述的基于低维材料的波导晶体管探测器，其特征在于，所述低维半导体层(3)的材料选用下列至少之一：碳纳米管薄膜、黑磷、二硫化钼、二硫化钨。
5.根据权利要求1所述的基于低维材料的波导晶体管探测器，其特征在于，所述栅极(6)选用的材料包括：钯和/或氧化铟锡。
6.一种基于低维材料的波导晶体管探测器的制备方法，其特征在于，步骤包括：
预先设置包含底层和波导的SOI层，其中，所述波导为脊型，所述波导的宽度为450nm，高度为220nm，所述底层包括：硅衬底层和二氧化硅层，在所述硅衬底层上覆盖二氧化硅层，所述波导设置在所述二氧化硅层上；
在所述底层和所述波导上方利用沉积工艺覆盖隔离层，其中，所述隔离层的选用材料包括：氧化铝和/或氧化铪；
在所述隔离层上方通过膜转移工艺、或生长工艺、或沉积工艺设置低维半导体层；
在所述波导顶部的低维半导体层上方利用沉积工艺覆盖栅介质层；
在所述栅介质层的上方设置栅极，在所述栅极两侧的低维半导体层上分别设置漏极和源极，所述漏极和所述源极分别位于所述波导的两侧，其中，所述源极和所述漏极的选用材料包括下列至少之一：钛、金、钯、铂、钪，所述源极和所述漏极宽度为500nm~1μm，所述源极和所述漏极厚度为30nm-70nm。
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