CN112635594A - 基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件及其制备方法 - Google Patents

基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于极性J‑TMDs/β‑Ga2O3异质结的高速光电子器件及其制备方法，主要解决现有β‑Ga2O3基光电子器件响应速度慢的问题。其包括衬底(1)、β‑Ga2O3光吸收层(2)和金属源漏电极(4,5)，衬底采用SiO2/Si衬底，且SiO2作为栅介质材料，Si作为底部的栅电极；β‑Ga2O3光吸收层的上部设有极性J‑TMDs层，用于与该光吸收层构成异质结，以抑制激子复合，使得电荷在异质结界面处快速转移；金属源电极位于β‑Ga2O3层上的一端，金属漏电极位于极性J‑TMDs层上与金属源电极相对的一端。本发明提升了界面处的传输性能，提高了器件的响应速度，可用于制备高性能的光电探测器。

Description

基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件及其制备 方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，更进一步涉及一种高速光电子器件，应用于制备高性能的光电探测器。
背景技术
Ga2O3材料是一种透明的氧化物半导体材料，作为宽禁带半导体材料的重要一员，得益于大尺寸Ga2O3单晶制备技术的突破，成为了当前半导体领域的一大研究热点。Ga2O3材料具有5种同分异构体，分别为α，β，γ，ε和δ，其中β-Ga2O3材料是最稳定的晶体结构。β-Ga2O3具有非常大的带隙宽度，在4.2～4.9eV之间，对应带隙变化范围的吸收波长范围为253nm～295nm，延伸到了深紫外区域，对紫外光有80％以上的透过率，作为光吸收材料具有良好的光透过率、热稳定性和化学稳定性，是一种非常出色的光电器件材料；同时，β-Ga2O3具有8MV·cm-1的击穿电场强度,是SiC(2.5MV·cm-1)和GaN(3.3MV·cm-1)的近三倍，巴利加优值(BFOM)达到了3444，是GaN的BFOM(846)的三倍多，电子饱和速度高达2×107cm/s，在功率器件和高频器件上具有天然的优势。因此，β-Ga2O3在透明导电薄膜、日盲光电探测器和功率器件上都有着广泛的应用前景。
但是值得注意的是，尽管β-Ga2O3在光电子器件上具有着广阔的应用前景，但是β-Ga2O3材料本身的性质限制了基于单晶、薄膜和纳米线的Ga2O3光电子器件的性能。研究发现，β-Ga2O3材料在制备过程中会引入氧空位等缺陷，因此具有较高的激子复合，使得电子空穴对未能完成有效传输。β-Ga2O3的电子迁移率较低，约为GaN材料的1/4。较低的迁移率影响了Ga2O3电子器件的响应速度。
目前，基于β-Ga2O3材料的单晶、薄膜和纳米线光电探测器的响应速度均在毫秒或者微秒量级。2009年，日本学者R Sukuki等人在文章《Vertical solar-blind deep-ultraviolet schottky photodetectors based onβ-Ga2O3 Substrates》中提出在单晶β-Ga2O3衬底上制备Au/β-Ga2O3肖克利接触的光电探测器，如图1(a)所示，结果表明退火后的样品的最大光响应度可达到103A/W，但是其光响应时间仅约为9ms，难以满足实际需求。2013年，Nakagomi等人在文章《Deep ultraviolet photodiodes based onβ-Ga2O3/SiCheterojunction》中提出在P型6H-SiC衬底上生长约200nm的β-Ga2O3薄膜，形成以β-Ga2O3/SiC异质结结构构成的光电探测器，如图1(b)所示，该探测器虽表现出了良好的整流特性和较好的光响应度，但是该探测器的响应时间仍为毫秒量级，远高于成熟硅基光电探测器纳秒量级的响应时间。
因此，如何有效的抑制激子复合，提高β-Ga2O3基器件的电子迁移率，从而提高相关电子器件的响应速度，是制备高速光电子器件亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对以上现有器件的不足，提出一种基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件及其制备方法，以有效的抑制激子复合，使得电荷能在异质结间快速转移，提高光生载流子迁移率，从而提高器件的响应速度，获得高性能的高速光电子器件。
本发明的基本思路为：根据二维半导体材料如过渡金属硫化物、石墨烯来构建异质结结构能调控电子器件的关键参数，且MoSe2/石墨烯异质结结构之间能发生光生载流子快速转移，及石墨烯与β-Ga2O3构建的异质结探测器具有较短响应时间的特性，本发明选择使用二维极性材料与β-Ga2O3构建异质结来提高器件的响应速度。同时，利用二维极性过渡金属硫化物J-TMDs材料带隙宽度大、化学性质优异、热稳定性良好、短沟道效应抑制效果明显，特别是该材料的极性化学结构能够在晶体内部产生本征电场，有效抑制激子复合，使得电荷能快速转移的这些特点，本发明将二维极性J-TMDs材料用于与β-Ga2O3构建异质结来提高器件的响应速度。
根据上述思路，本发明的实现如下：
一.本发明基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件，包括衬底、β-Ga2O3光吸收层和金属源漏电极，其特征在于：
所述的衬底，采用SiO2和P型重掺杂Si制备的SiO2/Si衬底，其中SiO2作为栅介质材料，P型重掺杂Si作为底部的栅电极；
所述的β-Ga2O3光吸收层，其上部设有极性过渡金属硫化物J-TMDs层，用于与该光吸收层构成异质结，抑制激子复合，使电荷得以快速转移；
所述的金属源电极位于β-Ga2O3层上的一端，金属漏电极位于极性J-TMDs层上与金属源电极相对的一端。
进一步，所述的SiO2/Si衬底中，Si层厚度为50～120nm，SiO2层厚度为150～300nm。
进一步，所述的β-Ga2O3层的厚度为60～200nm。
进一步，所述的二维极性J-TMDs层采用二维Janus-MoSSe材料、Janus-MoSeTe材料、Janus-MoSTe材料中的任意一种，其厚度为0.9～1.2nm。
进一步，所述的金属源漏电极采用Au、Al和Ti/Au中的任意一种金属或合金，厚度为100～150nm。
二.制备上述器件的方法，给出如下两种技术方案。
技术方案1：
一种基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件制备方法，其特征在于，包括如下：
1)选用SiO2/Si基片作为衬底，并使用丙酮、异丙醇和去离子水进行清洗，使用氮气吹干完成预处理；
2)在预处理后的SiO2/Si衬底上通过化学气相沉积或者磁控溅射生长厚度为60～200nm的β-Ga2O3层；
3)制备二维极性J-TMDs层；
3a)采用流量为15～20sccm的氩气对管式炉的石英管和刚玉舟进行清洗；
3b)将预处理过的SiO2/Si衬底放置在管式炉中心的刚玉舟上，将MoO3粉放置在管式炉中靠近中心的刚玉舟内，将硫粉放置在石英管上游；
3c)向石英管内通入纯度为99.99％的高纯度氩气，同时加热硫粉，通过化学气相沉积生成制备极性J-TMDs材料所需的二维TMDs材料即二维MoS2材料，并在之后缓慢冷却至室温；
3d)在100mtorr的压强下，采用流量为20sccm的氢等离子体剥离置换MoS2顶层硫原子20min，得到MoSH材料；
3e)将硒粉放置在管式炉中石英管上游加热，加热温度为130～240℃，通过氩气和氢气的混合气体的输送，与石英管中的MoSH材料在300～450℃的温度下发生受控替换反应1h，将MoSH材料表面的H原子替换成硒原子，得到二维极性J-TMDs层；
4)转印极性J-TMDs层并制备图案化的极性J-TMDs层；
4a)向石英管内通入氩气作为保护气体，排净石英管内的气体，取出衬底；
4b)使用湿法刻蚀去除衬底，并使用聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA转印的方式将二维极性J-TMDs层转移到β-Ga2O3层上，构成极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结结构；
4c)在转印后的极性J-TMDs材料上旋涂光刻胶，并使用掩膜版与二维极性J-TMDs层紧密接触，对准和曝光，显影后得到图案化的二维极性J-TMDs材料层，并使用去离子水清洗掉残余的显影液；
5)在β-Ga2O3层上部的一端制备金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端制备金属漏电极，完成整个器件的制备。
技术方案2：
一种基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件制备方法，其特征在于，包括如下：
§1.选用SiO2/Si基片作为衬底，并使用丙酮、异丙醇和去离子水进行清洗，使用氮气吹干完成预处理。
§2.在预处理后的SiO2/Si衬底上通过磁控溅射工艺生长厚度为60～200nm的β-Ga2O3层。
§3.制备二维极性J-TMDs层。
3.1)采用流量为15～20sccm的氩气对管式炉的石英管和刚玉舟进行清洗；
3.2)将清洗过的SiO2/Si衬底放置在管式炉中心的刚玉舟上，将MoO3粉放置在管式炉中靠近中心的刚玉舟内，将硒粉放置在石英管上游；
3.3)向石英管内通入纯度为99.99％的高纯度氩气，同时加热硒粉，通过化学气相沉积生成制备极性J-TMDs材料所需的二维TMDs材料，并在之后缓慢冷却至室温；
3.4)将硫粉放置在管式炉中石英管上游加热到140～160℃，再通过高纯度氩气的输送与石英管中的二维TMDs材料在750～850℃的温度下发生受控替换反应30min，以将TMDs材料表面的硒原子替换为硫原子，得到二维极性J-TMDs层。
§4.转印极性J-TMDs层，并制备图案化的极性J-TMDs层。
4.1)向石英管内通入氩气作为保护气体，排净石英管内的气体，取出衬底；
4.2)使用湿法刻蚀去除衬底，并使用聚合物转印的方式将二维极性J-TMDs层转移到§2中制备的β-Ga2O3层上，构成极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结结构；
4.3)在转印后的极性J-TMDs材料上旋涂光刻胶，并使用掩膜板与二维极性J-TMDs层紧密接触，对准和曝光，显影后得到图案化的二维极性J-TMDs材料层，并使用去离子水清洗掉残余的显影液。
§5.在β-Ga2O3层上部的一端制备金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端制备金属漏电极，完成整个器件的制备。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一，本发明由于使用极性J-TMDs材料与β-Ga2O3层构成异质结结构，并通过二维极性J-TMDs材料的极性化学结构在晶体内部产生本征电场，可有效的抑制激子复合，使得电荷能在异质结间快速转移，提升了器件的响应速度。
第二，本发明由于采用金属源漏电极的不对称分布，能够在器件内部产生一个内建电场，以有效提升载流子在界面处的分离和传输，并有效提升器件性能。
第三，本发明由于通过控制化学气相沉积生长二维TMDs材料的时间和二维TMDs材料发生受控替换反应的时间，可实现对于二维极性J-TMDs层厚度的精确控制，从而可实现对器件尺寸的精确控制，有效提升器件性能。
第四，本发明由于通过化学气相沉积和受控替换反应制备了极性J-TMDs层，使得极性J-TMDs层与衬底之间形成范德华力连接，便于剥离转印到合适的衬底上，同时由于剥离转印的极性J-TMDs材料缺陷较少，可提高对极性J-TMDs层精细图案化处理的效果，进一步提升器件的性能。
附图说明
图1为已有的基于β-Ga2O3材料的光电器件示意图；
图2为本发明的器件结构图；
图3为制备本发明器件的第一方案实现流程图；
图4为制备本发明器件的第二方案实现流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解和实施本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的解释。
参照图2，本发明的器件结构包括基片衬底1、β-Ga2O3层2、极性J-TMDs层3和金属源漏电极4和5。
所述的衬底1，采用SiO2和P型重掺杂Si制备的SiO2/Si衬底，其中SiO2作为栅介质材料，厚度为150～300nm，P型重掺杂Si作为底部的栅电极，厚度为50～120nm；
所述的β-Ga2O3层2，位于基片衬底1上部，厚度为60～200nm；
所述的极性J-TMDs层3，位于β-Ga2O3层2的上部，其与β-Ga2O3层2构成异质结，抑制激子复合，使电荷得以快速转移，该极性J-TMDs层采用二维Janus-MoSSe材料、Janus-MoSeTe材料、Janus-MoSTe材料中的任意一种，其厚度为0.9～1.2nm；
所述的金属源电极4位于β-Ga2O3层2上部的一端，金属漏电极5位于极性J-TMDs层3上与金属源电极4相对的一端，该金属源漏电极均采用金Au、铝Al和钛金Ti/Au中的任意一种金属或合金，厚度为100～150nm。
制备上述器件的方法，本发明给出如下三种实施例：
实施例1：制备SiO2栅介质层厚度为150nm衬底；β-Ga2O3层表面积为1cm2，厚度为60nm；TMDs层为MoS2材料，极性J-TMDs层为二维Janus-MoSSe材料，厚度为1nm；源漏电极采用Al金属，厚度为100nm的基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件。
参照图3，本实例的实现步骤如下：
步骤1：预处理SiO2/Si基片衬底。
1.1)选用SiO2层厚度为150nm、面积为1cm2的SiO2/Si衬底，将衬底放置在烧杯中，并在丙酮溶液中超声清洗10～20min，之后将衬底放置在乙醇溶液中清洗10～20min，去除残留的丙酮，最后在去离子水中超声清洗5min；
1.2)将清洗好的衬底用氮气吹干，得到预处理完成的SiO2/Si基片衬底。
步骤2：化学气相沉积制备β-Ga2O3层。
2.1)采用流量为15～20sccm的氩气对管式炉的反应室进行清洗；
2.2)将预处理完成的SiO2/Si衬底放入反应室的托盘中，打开真空泵对反应室进行抽真空，使得反应室内的压强降低到10-1Pa数量级；
2.3)打开电源，使得托盘以600r/min的速度旋转，使得衬底均匀受热，得到生长质量良好的β-Ga2O3层；
2.4)在旋转托盘的同时，以50℃/min的升温速率将反应室中心的温度加热到600℃；
2.5)当温度达到预定值后，先通入高纯度氮气，并配合压力控制器，将反应室的压强控制到30Pa；
2.6)向反应室通入流量为10sccm的氩气作为载气，并按照20sccm的流量通入Ga(C2H5)3有机源，在有机源流量保持稳定后，以80sccm的流量通入高纯度氧气，生成的β-Ga2O3沉积在衬底表面；
2.7)生长10～15min后，关闭有机源气路，关闭氧气通入，停止反应室中心加热和托盘旋转，使得反应室缓慢降至室温，当温度达到室温时，关闭压强控制器，通入流量为15～20sccm的高纯度氮气清洗反应室，并将压强恢复至与外界压强等同，取出外延片，得到制备在SiO2/Si基片衬底上厚度为60nm的β-Ga2O3层。
步骤3：使用化学气相沉积来制备二维过渡金属硫化物TMDs材料。
3.1)采用流量为15sccm的氩气对管式炉的石英管和刚玉舟进行清洗；
3.2)将面积为1cm2的SiO2/Si衬底放置在石英管中心的刚玉舟上，将纯度大于99.5％的硫粉放置在石英管的上游，将纯度大于99.5％的MoO3粉放置在管式炉中靠近中心的刚玉舟内；
3.3)向石英管通入流量为100sccm的高纯度氩气，室压控制在40torr；
3.4)在通入氩气的同时，以15℃/min的升温速率将中心炉温升到750℃，并将石英管上游硫粉的温度加热到150℃，在此温度基础上保温10min，得到二维MoS2材料。完成后，将石英管自然冷却至室温。
步骤4：使用氢等离子体将二维MoS2材料表面的硫原子替换成H原子，形成MoSH材料。
4.1)将MoS2样品放置在石英管中的石英支架上，并在样品的上游位置放置等离子线圈，保持等离子线圈中心与样品的距离为10cm；
4.2)将底压抽至1mtorr，除去室内残留空气，样品保持室温；
4.3)在100mtorr的压力下，采用流量为20sccm的氢等离子体剥离置换MoS2材料顶层硫原子20min，得到MoSH材料。
步骤5：制备二维极性J-TMDs材料。
5.1)在不破坏石英管内真空条件的前提下，在同一个管式炉内再进行H元素的替换反应，即使用磁铁将提前放置在等离子线圈上游末端的盛有硒粉的刚玉舟移到主炉的边缘；
5.2)将硒粉加热到150℃，并使用流量分别为5sccm和65sccm的氢气和氩气混合作为载气通入石英管，使得压强保持在35torr，并将主炉温度以20℃/min的速率升温至400℃，保持1h，然后缓慢降至室温，得到硫替换之后厚度为1nm的单层极性Janus-MoSSe二维材料。
步骤6：转印极性J-TMDs层并制备图案化的极性J-TMDs层。
6.1)通入氩气排净石英管内的气体，取出制备在衬底上的极性J-TMDs材料，在二维极性J-TMDs材料表面旋涂一层100nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA来支撑和保护二维极性J-TMDs层，在100℃下加热5min并烘干，使得PMMA与二维极性J-TMDs层充分接触；然后将PMMA/极性J-TMDs/SiO2/Si结构放进10％浓度的氢氟酸溶液中，湿法刻蚀60min，去除SiO2/Si衬底，并使用聚二甲基硅氧烷PDMS印章将分离的二维极性J-TMDs材料转移到β-Ga2O3层上部与β-Ga2O3层形成异质结结构；
6.2)在二维极性J-TMDs层上旋涂光刻胶并在100℃下软烘1.5min以保证光刻胶的稳定性，并使用掩膜板与二维极性J-TMDs材料紧密接触，对准和曝光，显影40s后得到图案化的二维极性J-TMDs材料层，并使用去离子水清洗残余的显影液。
步骤7：通过掩膜版蒸镀在β-Ga2O3层上部的一端制备金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端制备金属漏电极。
7.1)将制备好的SiO2/Si衬底/β-Ga2O3/极性J-TMDs器件结构通过掩膜版放入真空腔室，并抽真空使得真空腔室的压强降低到10-5Pa以下；
7.2)通过掩膜版，将Al金属以
Figure BDA0002845097960000081
的速率蒸镀到二维极性J-TMDs层和β-Ga2O3层上，以在β-Ga2O3层上部的一端获得厚度为100nm的金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端获得厚度为100nm的金属漏电极。
实施例2：制备SiO2栅介质层厚度为200nm衬底；β-Ga2O3层表面积为1cm2，厚度为120nm；TMDs层为MoSe2材料，极性J-TMDs层为二维Janus-MoSSe材料，厚度为1nm；源漏电极采用Au金属，厚度为120nm的基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件。
参照图4，本实例的实现步骤如下：
步骤一：预处理SiO2/Si基片衬底。
1a)选用SiO2层厚度为200nm、面积为1cm2的SiO2/Si衬底，将衬底放置在烧杯中，并在丙酮溶液中超声清洗10～20min，之后将衬底放置在乙醇溶液中清洗10～20min，去除残留的丙酮，最后在去离子水中超声清洗5min；
1b)将清洗好的衬底用氮气吹干，得到预处理完成的SiO2/Si基片衬底。
步骤二：磁控溅射技术生长β-Ga2O3层。
2a)将预处理完成的SiO2/Si基片衬底放置在生长室的载玻片上，并利用真空泵将生长室内的预溅射真空度抽至为2×10-3Pa；
2b)选用纯度大于99.999％的超高纯度氧化镓陶瓷靶材作为磁控溅射的靶材放入生长室内，并向生长室内通入纯度大于99.99％的高纯度氩气作为磁控溅射的溅射气体；
2c)在磁控溅射开始前先使用挡板挡住衬底，设溅射的工作功率为160W，通入溅射气体后，控制压强为0.5Pa，并开始预溅射；
2d)预溅射10min后，移开挡板，开始在衬底上溅射生长β-Ga2O3层，当溅射时间为40min时，获得厚度为120nm的β-Ga2O3层，关闭气体通入和真空泵，取出磁控溅射生长在SiO2/Si衬底上的β-Ga2O3层。
步骤三：使用化学气相沉积制备二维过渡金属硫化物TMDs材料。
3a)采用流量为18sccm的氩气对管式炉的石英管和刚玉舟进行清洗；
3b)将面积为1cm2的SiO2/Si衬底放置在石英管中心的刚玉舟上，将纯度大于99.5％的硒粉放置在石英管的上游，将纯度大于99.5％的MoO3粉放置在管式炉中靠近中心的刚玉舟内；
3c)将流量分别为8sccm和20sccm的氢气和氩气混合气体作为载体通入石英管中，将炉中心的温度以20℃/min的速率加热到750℃，并同时将硒粉加热到345℃，保持该温度10min，得到二维MoSe2材料，在硒化过程完成后，将石英管缓慢冷却到室温。
步骤四：制备二维极性J-TMDs材料。
将硫粉放置在石英管上游，将制备得到的二维MoSe2材料放置在石英管中心的刚玉舟上，通入99.99％的高纯度氩气作为载气，将炉温中心加热到800℃，并将硫粉加热到150℃，保持该温度反应30min，得到厚度为1nm的二维极性Janus-MoSSe材料。
步骤五：转印极性J-TMDs层并制备图案化的极性J-TMDs层。
本步骤的实施方法与实施例1的步骤6相同。
步骤六：通过掩膜版蒸镀在β-Ga2O3层上部的一端制备金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端制备金属漏电极。
6a)将制备好的SiO2/Si/β-Ga2O3/二维极性J-TMDs层结构通过掩膜版放入真空腔室，并抽真空使得真空腔室的压强降低到10-5Pa以下；
6b)通过掩膜版，将Au金属以
Figure BDA0002845097960000091
的速率蒸镀到二维极性J-TMDs层和β-Ga2O3层上，以在β-Ga2O3层上部的一端获得厚度为120nm的金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端获得厚度为120nm的金属漏电极。
实施例3：制备SiO2栅介质层厚度为300nm衬底；β-Ga2O3层表面积为1cm2，厚度为180nm；TMDs层为MoS2材料，极性J-TMDs层为二维Janus-MoSSe材料，厚度为1nm；源漏电极采用Ti/Au合金，厚度为150nm的基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件。
参照图3，本实例的实现步骤如下：
步骤A：预处理SiO2/Si基片衬底。
选用SiO2层厚度为300nm、面积为1cm2的SiO2/Si衬底，将衬底放置在烧杯中，并在丙酮溶液中超声清洗10～20min；之后将衬底放置在乙醇溶液中清洗10～20min，去除残留的丙酮，再在去离子水中超声清洗5min，并将清洗好的衬底用氮气吹干，得到预处理完成的SiO2/Si基片衬底。
步骤B：磁控溅射生长β-Ga2O3层。
将预处理完成的SiO2/Si基片衬底放置在生长室的载玻片上，利用真空泵将生长室内的预溅射真空度抽至为2×10-3Pa；再选用纯度大于99.999％的超高纯度氧化镓陶瓷靶材作为磁控溅射的靶材放入生长室内；再向生长室内通入纯度大于99.99％的高纯度氩气作为磁控溅射的溅射气体；在磁控溅射开始前先使用挡板挡住衬底，设溅射的工作功率为160W，通入溅射气体后，控制压强为0.5Pa，并开始预溅射；
在预溅射10min后，移开挡板，开始在衬底上溅射生长β-Ga2O3材料，当溅射时间为1h时，获得厚度为180nm的β-Ga2O3层，关闭气体通入和真空泵，取出磁控溅射生长在SiO2/Si衬底上的β-Ga2O3层。
步骤C：使用化学气相沉积来制备二维TMDs材料。
采用流量为20sccm的氩气对管式炉的石英管和刚玉舟进行清洗；再将面积为1cm2的SiO2/Si衬底放置在石英管中心的刚玉舟上，并将纯度大于99.5％的硫粉放置在石英管的上游，将纯度大于99.5％的MoO3粉放置在管式炉中靠近中心的刚玉舟内；然后向石英管通入流量为100sccm的高纯度氩气，室压控制在40torr；在通入氩气的同时，以25℃/min的升温速率将中心炉温升到800℃，并将石英管上游硫粉的温度加热到150℃，在此温度基础上保温10min，得到二维MoS2材料，完成后，将石英管自然冷却至室温。
步骤D：使用氢等离子体将二维MoS2材料表面的硫原子替换成H原子，形成MoSH材料。
将MoS2样品放置在石英管中心石英支架上，并在样品的上游位置放置等离子线圈，保持等离子线圈中心与样品的距离为10cm；再将石英管的底压抽至1mtorr，除去室内残留空气，样品保持室温；然后在100mtorr的压力下，采用流量为20sccm的氢等离子体剥离置换MoS2材料顶层硫原子20min，得到MOSH材料。
步骤E：制备二维极性J-TMDs材料。
保持石英管内真空的条件，在同一个管式炉内再进行H元素的替换反应，即使用磁铁将提前放置在等离子线圈上游末端的盛有硒粉的刚玉舟移到主炉的边缘，将硒粉加热到240℃，并使用流量分别为5sccm和65sccm的氢气和氩气混合气体作为载气通入石英管，使得压强保持在35torr，并以20℃/min的速率升温至450℃，保持1h；然后缓慢降至室温，得到硫替换之后厚度为1nm的极性Janus-MoSSe二维材料。
步骤F：转印极性J-TMDs层并制备图案化的极性J-TMDs层。
本步骤的实施方法与实施例1的步骤6相同。
步骤G：通过掩膜版蒸镀在β-Ga2O3层上部的一端制备金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端制备金属漏电极。
将制备好的SiO2/Si/β-Ga2O3/极性J-TMDs结构通过掩膜版放入真空腔室，并抽真空使得真空腔室的压强降低到10-5Pa以下；然后通过掩膜版将Ti/Au合金以
Figure BDA0002845097960000101
的速率蒸镀到二维极性J-TMDs层和β-Ga2O3层上，以在β-Ga2O3层上部的一端获得厚度为150nm的金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端获得厚度为150nm的金属漏电极。
以上描述仅是本发明的三个具体实施例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理的基础上，在不背离本发明原理和结构的情况下，都可以进行形式和细节的修改，但是这些基于本发明思想的修改仍在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件，包括衬底(1)、β-Ga2O3光吸收层(2)和金属源漏电极(4,5)，其特征在于：
所述的衬底(1)，采用SiO2和P型重掺杂Si制备的SiO2/Si衬底，其中SiO2作为栅介质材料，P型重掺杂Si作为底部的栅电极；
所述的β-Ga2O3光吸收层(2)，其上部设有极性过渡金属硫化物J-TMDs层(3)，用于与该光吸收层构成异质结，抑制激子复合，使电荷得以快速转移；
所述的金属源电极(4)位于β-Ga2O3层(2)上的一端，金属漏电极(5)位于极性J-TMDs层(3)上与金属源电极(4)相对的一端。
2.根据权利要求1所述的高速光电子器件，其特征在于，所述的SiO2/Si衬底(1)中，Si层厚度为50～120nm，SiO2层厚度为150～300nm。
3.根据权利要求1所述的高速光电子器件，其特征在于，所述的β-Ga2O3层(2)的厚度为60～200nm。
4.根据权利要求1所述的高速光电子器件，其特征在于，所述的极性J-TMDs层(3)采用Janus-MoSSe材料、Janus-MoSeTe材料、Janus-MoSTe材料中的任意一种，其厚度为0.9～1.2nm。
5.根据权利要求1所述的高速光电子器件，其特征在于，所述的金属源漏电极(4，5)采用Au、Al和Ti/Au中的任意一种金属或合金，厚度为100～150nm。
6.一种基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件制备方法，其特征在于，包括如下：
1)选用SiO2/Si基片作为衬底，并使用丙酮、异丙醇和去离子水进行清洗，使用氮气吹干完成预处理；
2)在预处理后的SiO2/Si衬底上通过化学气相沉积或者磁控溅射生长厚度为60～200nm的β-Ga2O3层；
3)制备极性J-TMDs层；
3a)采用流量为15～20sccm的氩气对管式炉的石英管和刚玉舟进行清洗；
3b)将预处理过的SiO2/Si衬底放置在管式炉中心的刚玉舟上，将MoO3粉放置在管式炉中靠近中心的刚玉舟内，将硫粉放置在石英管上游；
3c)向石英管内通入纯度为99.99％的高纯度氩气，同时加热硫粉，通过化学气相沉积生成制备极性J-TMDs材料所需的TMDs材料即MoS2材料，并在之后缓慢冷却至室温；
3d)在100mtorr的压强下，采用流量为20sccm的氢等离子体剥离置换MoS2顶层硫原子20min，得到MoSH材料；
3e)将硒粉放置在管式炉中石英管上游加热，加热温度为130～240℃，通过氩气和氢气的混合气体的输送，与石英管中的MoSH材料在300～450℃的温度下发生受控替换反应1h，将MoSH材料表面的H原子替换成硒原子，得到极性J-TMDs层；
4)转印极性J-TMDs层并制备图案化的极性J-TMDs层；
4a)向石英管内通入氩气作为保护气体，排净石英管内的气体，取出衬底；
4b)使用湿法刻蚀去除衬底，并使用聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA转印的方式将极性J-TMDs层转移到β-Ga2O3层上，构成极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结结构；
4c)在转印后的极性J-TMDs材料上旋涂光刻胶，并使用掩膜版与极性J-TMDs层紧密接触，对准和曝光，显影后得到图案化的极性J-TMDs材料层，并使用去离子水清洗掉残余的显影液；
5)在β-Ga2O3层上部的一端制备金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端制备金属漏电极，完成整个器件的制备。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，2)中的化学气相沉积，其工艺条件如下：反应温度为500～700℃，有机源的流量为15～25sccm，载气的流量为10～20sccm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，3c)中的化学气相沉积，其工艺条件如下：反应温度为750～800℃，升温速率为15～25℃/min，反应时间为达到炉温后10min，得到的TMDs材料厚度为0.9～1.2nm。
9.一种基于极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结的高速光电子器件制备方法，其特征在于，包括如下：
§1.选用SiO2/Si基片作为衬底，并使用丙酮、异丙醇和去离子水进行清洗，使用氮气吹干完成预处理；
§2.在预处理后的SiO2/Si衬底上通过磁控溅射工艺生长厚度为60～200nm的β-Ga2O3层；
§3.制备极性J-TMDs层；
3.1)采用流量为15～20sccm的氩气对管式炉的石英管和刚玉舟进行清洗；
3.2)将清洗过的SiO2/Si衬底放置在管式炉中心的刚玉舟上，将MoO3粉放置在管式炉中靠近中心的刚玉舟内，将硒粉放置在石英管上游；
3.3)向石英管内通入纯度为99.99％的高纯度氩气，同时加热硒粉，通过化学气相沉积生成制备极性J-TMDs材料所需的TMDs材料，并在之后缓慢冷却至室温；
3.4)将硫粉放置在管式炉中石英管上游加热到140～160℃，再通过高纯度氩气的输送与石英管中的TMDs材料在750～850℃的温度下发生受控替换反应30min，以将TMDs材料表面的硒原子替换为硫原子，得到极性J-TMDs层；
§4.转印极性J-TMDs层，并制备图案化的极性J-TMDs层；
4.1)向石英管内通入氩气作为保护气体，排净石英管内的气体，取出衬底；
4.2)使用湿法刻蚀去除衬底，并使用聚合物转印的方式将极性J-TMDs层转移到§2中制备的β-Ga2O3层上，构成极性J-TMDs/β-Ga2O3异质结结构；
4.3)在转印后的极性J-TMDs材料上旋涂光刻胶，并使用掩膜板与极性J-TMDs层紧密接触，对准和曝光，显影后得到图案化的极性J-TMDs材料层，并使用去离子水清洗掉残余的显影液；
§5.在β-Ga2O3层上部的一端制备金属源电极，在极性J-TMDs层上部与金属源电极相对的一端制备金属漏电极，完成整个器件的制备。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，§2中的磁控溅射，其工艺条件如下：
压强为0.5Pa，
溅射的工作功率为160W，
溅射气体为99.99％的高纯度氩气，
溅射时间为40～120min。
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