CN113948594A - 可编程光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种可编程光电探测器及其制备方法，利用强铁电局域极化电场对其上表面的双极性半导体分别进行P型或N型掺杂，形成PN结型光电探测器，同时结合铁电极化的非挥发存储特性，PN结的极性可通过施加不同的栅极电压实现可编程操作，从而实现高效、多功能、快速的光电探测。这种可编程光电探测器，其从下至上包括：衬底(1)、背栅电极a(2)、背栅电极b(3)、无机铁电层(4)、二维半导体沟道(5)以及源漏电极(6)。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件的领域，尤其涉及一种可编程光电探测器，以及这种可编程光电探测器的制备方法。
背景技术
光电探测器是一种能够将光信号转变为电信号的电子器件，在探测、光通信、医学成像、警戒、运动监测等民用或军用方面具有有广阔的应用前景。随着应用规模和功能多样性的不断发展，人们对高性能光电探测器在探测率、响应速度、探测范围以及与传统CMOS兼容等方面提出了越来越高的要求。
近年来，以石墨烯为代表的二维材料因其独特的光学与电学特性，在光电探测领域得到了广泛地研究与关注。然而，虽然石墨烯的零带隙结构有助于在宽光谱范围内实现光子吸收，但是其原子级厚度限制了吸收系数(可见光范围内仅为2.3％)，阻碍了石墨烯光电探测器的发展。以硫化钼(MoS2)为代表的过渡金属硫族化合物因其较高的光吸收效率、厚度可控的光学带隙以及高载流子迁移率成为理想的二维光电材料之一。然而，二维材料仍然面临着自身原子级厚度而导致的吸光率低以及表界面缺陷对光生载流子动力学过程的影响等问题。
为解决上述问题，构建铁电/二维材料复合结构成为一种具有潜力的解决方案。铁电材料具有非挥发性的极化特性，可以在表面形成强局域电场。在铁电/二维材料复合结构中，利用铁电材料的强局域电场可以有效地调控二维材料中的载流子输运特性，比如抑制暗电流、提升载流子迁移率等，从而提高光电响应特性。2015年，上海技术物理所的研究人员构建有机铁电栅硫化钼场效应晶体管器件，该结构中以MoS2作为导电沟道，有机铁电材料P(VDF-TrFE)作为顶栅介质，金属铝(Al)作为顶栅电极，实现了受极化调控的宽光谱光电探测。虽然这项工作证实了铁电极化对二维材料光电响应特性的调控机制，但光生载流子在MoS2中传输时仍然具有较大的复合概率，从而影响了光电特性的进一步提升。同时，有机铁电薄膜作为顶栅的结构设计不仅降低了光吸收效率，也增大了操作电压。
随着二维材料体系的丰富，双极性的二维材料种类也越来越多，其中硒化钨(WSe2)就是一种典型的双极性二维半导体材料。因此，构建基于二维材料的同质PN结型光电探测器成为实现高性能光电探测的一种切实、可行的策略。2014年，麻省理工的研究人员就报道了基于WSe2同质PN结的光电二极管，通过在双背栅上施加不同极性的电压对WSe2进行P型和N型掺杂，形成PN结，利用内建电场提高光生载流子的分离效率，从而提高光电响应特性。这种器件在工作时需要持续在栅极施加电压，栅极电压一旦撤去，对WSe2的掺杂作用也将消失，因此极大的增加了功耗。2019年，中国科学院上海技术物理研究所的研究人员发明了一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器(申请号：201920411692.7)，该结构包括绝缘衬底，二维半导体、金属电极、铁电功能层，其中二维半导体采用的是MoTe2，铁电功能层为有机铁电材料P(VDF-TrFE)。该发明利用PFM针尖施加在样品上的电压对P(VDF-TrFE)进行不同方向的极化，从而对其下表面的MoTe2进行不同类型的掺杂，得到PN结型光电二极管。这项发明初步提出了利用铁电/二维复合结构构建同质PN结的方案，但是利用PFM探针对有机铁电薄膜P(VDF-TrFE)进行极化存在效率低下，而且难以与传统CMOS工艺结合的问题。此外，由于P(VDF-TrFE)覆盖在MoTe2上表面，降低了吸光效率，并且有机铁电材料的极化电压一般较高，增大了操作电压及功耗。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种可编程光电探测器，其利用强铁电局域极化电场对其上表面的双极性半导体分别进行P型或N型掺杂，形成PN结型光电探测器，同时结合铁电极化的非挥发存储特性，PN结的极性可通过施加不同的栅极电压脉冲信号实现可编程操作，从而实现高效、多功能、快速的光电探测。
本发明的技术方案是：这种可编程光电探测器，其从下至上包括：衬底(1)、背栅电极a(2)、背栅电极b(3)、无机铁电层(4)、二维半导体沟道(5)以及源漏电极(6)；
衬底为带有氧化硅的硅材料；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极a、背栅电极b；无机铁电层采用匀胶机旋涂无机铁电溶液得到；将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电层的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；源漏电极的图形通过标准光刻技术，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺获得。
还提供了一种可编程光电探测器的制备方法，其包括以下步骤：
(1)选取带有氧化硅的硅材料作为衬底，并清洗干净；
(2)利用标准光刻技术定义背栅电极a和背栅电极b的图形；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极；进而采用剥离工艺，完成背栅电极的图形化制备；
(3)旋涂事先制备好的无机铁电前驱体溶液，经过两次650℃快速退火2min，得到结晶良好的无机铁电薄膜；
(4)将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电薄膜的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；
(5)通过标准光刻技术，定义源漏电极的图形，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺，完成源漏电极的图形化制备；
(6)施加幅值为±8V、宽度为200ms的电压脉冲施加到背栅电极a、b上，使得极化完全翻转。
本发明采用双背栅的器件结构，通过在背栅上施加不同极性的电压脉冲信号，对无机铁电薄膜进行极化操作，从而进一步利用铁电临近效应对WSe2沟道分别进行P型或N型掺杂，得到了PN结型光电探测器，有效地提升了光生载流子的寿命，降低了响应时间，提高了光响应度；同时，利用铁电的非挥发存储特性，在栅极电压信号撤去之后，铁电极化状态不变，因而WSe2沟道的掺杂状态也不变，有助于实现低功耗光电探测；最后，通过改变施加在双背栅电极上的电压信号极性，可以实现多种PN结的构建，为实现多功能光电探测器提供了切实可行的解决方案；本发明采用的制备工艺与传统CMOS微纳加工技术具有良好的兼容性，为进一步研究大规模光电探测器阵列提供了理论依据和器件原型。
附图说明
图1是根据本发明的可编程光电探测器的结构示意图。
图2是根据本发明的可编程光电探测器的制备方法的流程图。
图3示出了PZT薄膜不同电压扫描范围下的铁电极化特性。
图4(a)-4(d)示出了根据本发明的可编程光电探测器的四种工作方式。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，这种可编程光电探测器，其从下至上包括：衬底1、背栅电极a 2、背栅电极b 3、无机铁电层4、二维半导体沟道5以及源漏电极6；
衬底为带有氧化硅的硅材料；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极a、背栅电极b；无机铁电层采用匀胶机旋涂无机铁电溶液得到；将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电层的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；源漏电极的图形通过标准光刻技术，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺获得。
优选地，所述无机铁电层为PZT薄膜。
优选地，所述衬底和金属铂Pt之间设置20nm厚金属钛Ti作为黏附层。
优选地，所述背栅电极a、背栅电极b之间的间隔在1um以下。
如图2所示，还提供了一种可编程光电探测器的制备方法，其包括以下步骤：
(1)选取带有氧化硅的硅材料作为衬底，并清洗干净；
(2)利用标准光刻技术定义背栅电极a和背栅电极b的图形；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极；进而采用剥离工艺，完成背栅电极的图形化制备；
(3)旋涂事先制备好的无机铁电前驱体溶液，经过两次650℃快速退火2min，得到结晶良好的无机铁电薄膜；
(4)将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电薄膜的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；
(5)通过标准光刻技术，定义源漏电极的图形，采用电子束蒸发沉积Cr/Au(Cr/Au是指一层Cr再做一层金，是复合结构)，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺，完成源漏电极的图形化制备；
(6)将幅值为±8V、宽度为200ms的电压脉冲施加到背栅电极a、b上，使得极化完全翻转。
本发明采用双背栅的器件结构，通过在背栅上施加不同极性的电压脉冲信号，对无机铁电薄膜进行极化操作，从而进一步利用铁电临近效应对WSe2沟道分别进行P型或N型掺杂，得到了PN结型光电探测器，有效地提升了光生载流子的寿命，降低了响应时间，提高了光响应度；同时，利用铁电的非挥发存储特性，在栅极电压信号撤去之后，铁电极化状态不变，因而WSe2沟道的掺杂状态也不变，有助于实现低功耗光电探测；最后，通过改变施加在双背栅电极上的电压信号极性，可以实现多种PN结的构建，为实现多功能光电探测器提供了切实可行的解决方案；本发明采用的制备工艺与传统CMOS微纳加工技术具有良好的兼容性，为进一步研究大规模光电探测器阵列提供了理论依据和器件原型。
优选地，所述步骤(3)中，采用匀胶机旋涂PZT前驱体溶液，匀胶机转速为3000rpm，旋转时间为25s；该过程结束之后，将衬底转移到热板上，350℃烘烤8min，重复3到5次，获得想要的厚度，经过两次650℃快速退火2min，得到结晶良好的PZT薄膜。
优选地，所述步骤(6)中，在背栅电极a施加-8V的电压脉冲信号，无机铁电薄膜在电场作用下发生反转，导致极化方向朝下，在沟道中感应出空穴，形成P型WSe2；在背栅电极b上施加+8V的电压脉冲信号，极化方向朝上，在沟道中感应出电子，形成N型WSe2；在不同电压脉冲信号作用下，形成WSe2同质PN结；光照下，当PN结反偏时，光生载流子在耗尽区强内建电场的作用下被迅速分离，并被源漏电极抽取，形成光电流。同时，由于铁电极化的非挥发存储性，在撤去电压脉冲信号之后，WSe2沟道将始终保持在PN结状态，不需外加电压保持，直至再次施加电压脉冲信号改变极化状态，不仅有效降低了器件功耗，也为进一步实现可编程操作提供了基础。
优选地，所述步骤(6)中，在背栅电极a施加+8V的电压脉冲信号，背栅电极b上施加-8V的电压信号，得到WSe2同质NP结。
优选地，所述步骤(6)中，在背栅电极a施加-8V的电压脉冲信号，背栅电极b上施加-3V的电压信号，由于-3V的极化强度小于-8V，所以背栅电极a对应WSe2的N型掺杂程度要高于背栅电极b所对应的WSe2，得到N+N结。
优选地，所述步骤(6)中，在背栅电极a施加8V的电压脉冲信号，背栅电极b上施加3V的电压信号，由于3V的极化强度小于8V，所以背栅电极a对应WSe2的P型掺杂程度要高于背栅电极b所对应的WSe2，得到P+P结。
以下详细说明本发明的实施例。
实施例1
一种可编程光电探测器的制备方法，其包括以下步骤：
1.衬底清洗
选取带有氧化硅的硅材料作为衬底，氧化硅厚度为285nm,并依次经过丙酮、异丙醇超声清洗5min，使用氮气枪吹干。
2.背栅电极制备
利用标准光刻技术定义背栅电极a和背栅电极b的图形，两电极之间的间隔在1um以下；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂(Pt)作为背栅电极，为增加Pt电极粘附性，可在沉积Pt之前先沉积20nm厚金属钛(Ti)作为黏附层；进而采用湿法剥离工艺，将样品浸泡在去胶剂丙酮中，完成背栅电极的图形化制备。
3.无机铁电层制备
采用匀胶机旋涂PZT前驱体溶液，匀胶机转速为3000rpm，旋转时间为25s。该过程结束之后，将衬底转移到热板上，350℃烘烤8min，重复3到5次，获得想要的厚度，经过两次650℃快速退火2min,得到结晶良好的PZT薄膜。
4.二维半导体的转移与图形化
在CVD法在蓝宝石衬底上制备的大面积单层连续WSe2薄膜上旋涂PMMA作为保护层和支撑层，将带有PMMA保护的蓝宝石衬底放置于高浓度碱性溶液中，如氢氧化钾，对衬底进行腐蚀，使WSe2薄膜在PMMA的支撑下浮到液面，再经过几次清洗，最终转移至PZT层的上表面。通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术以及去胶工艺完成WSe2沟道的图形化。
5.源漏电极的制备
通过标准光刻技术，定义源漏电极的图形，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm,同样采用湿法剥离工艺，完成源漏电极的图形化制备。
6.WSe2同质PN结的实现
如图1所示，在背栅电极a施加-8V的电压脉冲信号，铁电层在电场作用下发生反转，导致极化方向朝下，在沟道中感应出空穴，形成P型WSe2。同理，在背栅电极b上施加+8V的电压脉冲信号，极化方向朝上，在沟道中感应出电子，形成N型WSe2。因此，在不同电压脉冲信号作用下，形成了WSe2同质PN结。光照下，当PN结反偏时，光生载流子在耗尽区强内建电场的作用下被迅速分离，并被源漏电极抽取，形成光电流，有效延长了载流子寿命，提高了光响应度和响应时间。此外，在铁电极化非挥发特性的作用下，所实现的WSe2同质PN结不需要持续外加栅极电压来维持，其状态可以一直保持直至再次施加电压脉冲信号来改变极化状态，极大地降低了器件功耗。
实施例2
本实施例的制备工艺与实施例1基本相同，区别在于步骤6中，在背栅电极a施加+8V的电压脉冲信号，背栅电极b上施加-8V的电压信号，得到WSe2同质NP结。
实施例3
本实施例的制备工艺与实施例1基本相同，区别在于步骤6中，在背栅电极a施加-8V的电压脉冲信号，背栅电极b上施加-3V的电压信号，由于-3V的极化强度小于-8V，所以倒是背栅电极a对应WSe2的N型掺杂程度要高于背栅电极b所对应的WSe2，得到N+N结。
实施例4
本实施例的制备工艺与实施例1基本相同，区别在于步骤6中，在背栅电极a施加8V的电压脉冲信号，背栅电极b上施加3V的电压信号，由于3V的极化强度小于8V，所以倒是背栅电极a对应WSe2的P型掺杂程度要高于背栅电极b所对应的WSe2，得到P+P结。
需要说明的是，可将二维双极性半导体WSe2替换为石墨烯，但由于石墨烯具有半金属性，暗电流较大，探测率较低，同时石墨烯的光吸收范围较小。
另外，无机铁电PZT可以替换成其他无机铁电材料，或改变PZT层的厚度，实现不同的矫顽反转电压，从而改变操作电压。
本发明的有益技术效果如下：
1.本发明采用双背栅结构，避免顶栅结构对光信号吸收的影响。采用的背栅介质为无机铁电PZT材料，具有剩余极化强度大，极化反转电压小的特点。采用的二维半导体WSe2具有双极性特征，同时也具有适宜的带隙结构，相比石墨烯具有更好的半导体性，有助于同质PN结的构建；
2.提出在双背栅电极上施加不同极性电压脉冲信号，得到不同极化电场，从而对双极性半导体WSe2分别进行P型或N型掺杂，得到WSe2的同质PN结，从而实现高性能光电探测。
3.利用铁电极化的非挥发性，通过电压脉冲信号对极化状态进行控制，与铁电存储器操作类似，相当于写入数据，进而通过不同电压编程信号，可以写入多种极化状态，从而到包含PN，NP，N+N和P+P等多种类型的同质结构，进而获得不同的光电响应特性，建立了存储与传感之间的内在联系，在一定程度上为实现存内传感技术提供了理论支撑。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.可编程光电探测器，其特征在于：其从下至上包括：衬底(1)、背栅电极a(2)、背栅电极b(3)、无机铁电层(4)、二维半导体沟道(5)以及源漏电极(6)；
衬底为带有氧化硅的硅材料；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极a、背栅电极b；无机铁电层采用匀胶机旋涂无机铁电前驱体溶液得到；将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电层的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；源漏电极的图形通过标准光刻技术，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺获得。
2.根据权利要求1所述的可编程光电探测器，其特征在于：所述无机铁电层为PZT薄膜。
3.根据权利要求2所述的可编程光电探测器，其特征在于：所述衬底和金属铂Pt之间设置20nm厚金属钛Ti作为黏附层。
4.根据权利要求3所述的可编程光电探测器，其特征在于：所述背栅电极a、背栅电极b之间的间隔在1um以下。
5.根据权利要求1所述的可编程光电探测器的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)选取带有氧化硅的硅材料作为衬底，并清洗干净；
(2)利用标准光刻技术定义背栅电极a和背栅电极b的图形；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极；进而采用剥离工艺，完成背栅电极的图形化制备；
(3)旋涂事先制备好的无机铁电前驱体溶液，经过两次650℃快速退火2min，得到结晶良好的无机铁电薄膜；
(4)将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电薄膜的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；
(5)通过标准光刻技术，定义源漏电极的图形，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺，完成源漏电极的图形化制备；
(6)将幅值为±8V、宽度为200ms的电压脉冲施加到背栅电极a、b上，使得极化完全翻转。
6.根据权利要求5所述的可编程光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，采用匀胶机旋涂PZT前驱体溶液，匀胶机转速为3000rpm，旋转时间为25s；该过程结束之后，将衬底转移到热板上，350℃烘烤8min，重复3到5次，获得想要的厚度，最后经过两次650℃快速退火2min，得到结晶良好的PZT薄膜。
7.根据权利要求6所述的可编程光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，在背栅电极a施加-8V的电压脉冲信号，无机铁电薄膜在电场作用下发生反转，导致极化方向朝下，在沟道中感应出空穴，形成P型WSe2；在背栅电极b上施加+8V的电压脉冲信号，极化方向朝上，在沟道中感应出电子，形成N型WSe2；在不同电压脉冲信号作用下，形成WSe2同质PN结；光照下，当PN结反偏时，光生载流子在耗尽区强内建电场的作用下被迅速分离，并被源漏电极抽取，形成光电流；在撤去电压脉冲信号之后，WSe2沟道始终保持在PN结状态。
8.根据权利要求7所述的可编程光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，在背栅电极a施加+8V的电压脉冲信号，背栅电极b上施加-8V的电压信号，得到WSe2同质NP结。
9.根据权利要求7所述的可编程光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，在背栅电极a施加-8V的电压脉冲信号，背栅电极b上施加-3V的电压信号，由于-3V的极化强度小于-8V，所以背栅电极a对应WSe2的N型掺杂程度要高于背栅电极b所对应的WSe2，得到N+N结。
10.根据权利要求7所述的可编程光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，在背栅电极a施加8V的电压脉冲信号，背栅电极b上施加3V的电压信号，由于3V的极化强度小于8V，所以背栅电极a对应WSe2的P型掺杂程度要高于背栅电极b所对应的WSe2，得到P+P结。
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