CN114695597B - 一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备及应用 - Google Patents

一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114695597B
CN114695597B CN202210269277.9A CN202210269277A CN114695597B CN 114695597 B CN114695597 B CN 114695597B CN 202210269277 A CN202210269277 A CN 202210269277A CN 114695597 B CN114695597 B CN 114695597B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mote
substrate
photoelectric detector
phase
photoresist
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210269277.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114695597A (zh
Inventor
南海燕
张浩哲
肖少庆
顾晓峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangnan University
Original Assignee
Jiangnan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangnan University filed Critical Jiangnan University
Priority to CN202210269277.9A priority Critical patent/CN114695597B/zh
Publication of CN114695597A publication Critical patent/CN114695597A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114695597B publication Critical patent/CN114695597B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0296—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, HgCdTe
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C14/042—Coating on selected surface areas, e.g. using masks using masks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/18—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/26—Vacuum evaporation by resistance or inductive heating of the source
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C23C14/30—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H01L31/1032—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type the devices comprising active layers formed only by AIIBVI compounds, e.g. HgCdTe IR photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1828—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备方法及其应用手段，属于半导体器件领域。本发明所述的制备碲化钼同质异相光电探测器的方法包括如下步骤：先通过机械剥离与转移技术将MoTe2转移至硅基衬底上；之后通过光刻将MoTe2的两端暴露在环境中；接着使用氧气等离子体处理被光刻胶覆盖的MoTe2衬底，其中MoTe2两端发生相变而沟道处未发生相变；最后在两端蒸镀电极，得到所述的碲化钼同质异相光电探测器。本发明所述的碲化钼同质异相光电探测器的应用包括如下领域：载流子迁移率、开关比、不同波长可见光及940nm近红外光下的光电流及光响应。本发明的制备方法简单，且制备的光电探测器具有高迁移率、高开关比、高光电流及高响应度的性能。

Description

一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备及应用
技术领域
本发明涉及一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备及应用，属于半导体器件领域。
背景技术
随着移动互联网的快速发展和大数据时代的到来，人们对高速、低功耗以及超大规模阵列集成光电子器件的需求越来越迫切。石墨烯及其他相关二维层状材料由于超薄的原子级厚度、表面平滑无悬挂键且层间通过范德华力相互作用等优异的特性被认为是构筑新型高性能光电子器件的理想材料。其中石墨烯在室温量子霍尔效应以及超高载流子迁移率上有着很大的优势，但由于其为零带隙结构，制约了它在更多方面(如逻辑电路)的发展。在石墨烯之外，过渡金属硫属化合物(TMDs)因为具有不同的带隙宽度，使得其在光电探测领域有着很好的前景，因此受到了越来越多科学家的青睐。
在TMDs中，二碲化钼(MoTe2)能够表现很多令人惊喜的特性。单层的MoTe2是直接带隙半导体，禁带宽度为1.1eV，和硅相近的禁带宽度赋予了MoTe2在光电领域特别是近红外范围内发展的巨大优势。2016年Tobias J.Octon等人制作了基于4层MoTe2的光电探测器，发现该探测器在Vds＝5V时，对685nm入射光的响应度高达6A/W，响应时间约为160μs，性能远高于其他光探测器。对于基于MoTe2异质结光电探测器的研究也有了较多进展。2019年中国科学院成功制备了基于MoTe2/ReS2垂直异质结的光电探测器，其在520nm入射光下响应度达到了0.34A/W，响应时间为109μs。这些研究为制造卓越的光电器件铺平了道路。
然而常态下的MoTe2表现为半导体特性，制作器件时由于和金属电极材料之间的功函数相差较大，势垒较高，导致接触电阻很大，极大地降低了器件的迁移率等电学特性。如果能将电极处的MoTe2由半导体性转化为金属性，那么不同相位的同种MoTe2即可组成一个同质结，使得电极处的接触电阻就能够极大地降低。MoTe2拥有不同的相位结构，如2H相、1T相、1T’相，其中2H相呈现半导体性，而1T和1T’相则呈现半金属特性。另外，与其他TMDs不同的是，MoTe2的相变条件较为简单，相变产物在常态下较为稳定。这使得MoTe2的相变工程成为了令人瞩目的研究热点之一。
迄今为止，较为常见的相变方法一共有八种，它们分别是：CVD法、掺杂法、分子插层法、应变法、热处理法、激光灼烧法、等离子体处理法和电场引导法。在这八种相变方法中，CVD法和分子插层法是目前最流行的相变方法。而激光灼烧法和等离子体处理法是近年来较为新颖的相变方法，因此这两种相变方法也逐渐地受到了研究者们的青睐。
实验与研究表明，激光在TMD材料上有着多种应用。当入射激光功率较小时，可以用于样品材料的表征，如拉曼光谱、SHG等；当入射激光功率非常大时，就会起到灼烧减薄的作用；而当入射激光功率处于二者之间时，就可以对TMD材料起到相变的作用。2015年Suyeon Cho等人通过使用激光灼烧MoTe2样品从而将2H MoTe2转变为1T’相，并且通过测试其光学和电学特性从而证明了这种相变。在2019年，北京航空航天大学的孙志梅教授等人通过DFT计算认为：MoTe2中单独Te空位聚集从而生长出1T’相。这项研究表明空位以及受激载流子的控制是TMD稳健相变工程的关键,可用于有前景的电子和能源应用。
等离子体处理法是近年来相变的一种新兴方法。2017年，中国科学院的研究者们对MoS2样品通过Ar等离子体处理，成功实现了2H-1T’相的转变，通过等离子体处理后的1T’MoS2在电学、光学、催化和能量收集设备中具有潜在的应用价值。2020年，MashiyatSumaiya Shawkat等人使用Ar等离子体对CVD生长的二维PtSe2进行辐照，发现PtSe2层完成了半导体-金属相变。这项实验及其理论研究验证了大面积CVD生长的2D PtSe2层中这种外部控制的半导体向金属过渡的基本机制，从而大大拓宽了其在未来电子学领域的多功能性。
综上所述，MoTe2光电性能有着非常好的前景，但本征的MoTe2光电响应度却并不尽人意。其中2H相MoTe2与金属电极之间的金—半接触是一个制约其光电性能提高的重要因素，如果能够解决，那么MoTe2的电学性能与光电性能将会有质的飞跃。
发明内容
[技术问题]
目前，普通的MoTe2光电探测器的迁移率、开关比以及光电响应度都无法维持较高水平，这使得MoTe2光电探测器无法广泛地投入应用。
[技术方案]
为了解决上述问题，本发明通过对2H相MoTe2进行部分相变，使其两端转化为1T’相，从而得到MoTe2的1T’-2H-1T’同质异相结构及基于该结构的光电探测器。特别之处在于使用光刻技术将的两端裸露于环境中，其他部分(如沟道)与环境隔绝；再将光刻后的MoTe2利用温和等离子体(Soft-plasma)处理，MoTe2的两端由于直接与等离子体接触从而发生相变，而其余部分由于被光刻胶保护从而并未发生相变；最后在MoTe2转化为1T’相的两端蒸镀电极，得到MoTe2的同质异相光电探测器。本制备方法操作简单、且可进行大批量处理，得到的MoTe2同质异相光电探测器具有高迁移率、高开关比及高响应度的优秀性能，可广泛应用于开关器件及光探测等方面。
本发明的第一个目的是提供一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备方法，所述的方法是首先使用光刻技术对MoTe2电极处曝光，使得MoTe2电极处暴露于环境中；然后将光刻后的MoTe2材料利用温和等离子体技术处理，使得暴露在外的MoTe2相变为1T’相；将相变后的样品进行蒸镀处理；剥离光刻胶，得到MoTe2同质异相光电探测器。
在本发明的一种实施方式中，所述制备碲化钼同质异相光电探测器的方法，包括如下步骤：
(1)衬底清洗；
(2)利用机械剥离技术得到少层的MoTe2薄膜，并利用PDMS干法转移技术将其转移至步骤(1)中清洗好的衬底表面，得到带有MoTe2的衬底；
(3)将光刻胶均匀地旋涂在步骤(2)制备的带有MoTe2的衬底上并进行烘烤，使用无掩膜光刻机在材料表面光刻出图形，得到带有部分光刻胶掩膜的MoTe2，其中MoTe2的两端需裸露在环境中，其他部分仍用光刻胶与环境隔离；
(4)将步骤(3)中的带有部分光刻胶掩膜的MoTe2放入温和等离子体反应腔中，利用O2等离子体对裸露在外面的MoTe2进行相变处理，被光刻胶覆盖的区域不会发生任何变化，得到相变处理后的MoTe2；
(5)将步骤(4)中相变处理后的MoTe2置于蒸镀机内，蒸镀电极，得到MoTe2同质异相光电探测器。
在本发明的一种实施方式中，所述光刻胶为AZ5214E。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的硅基衬底在干法转移之前需要将硅基衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗，清洗后干燥，最后在加热平台上进行烘烤，以去除丙酮、乙醇等残留物；
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的硅基衬底清洗具体步骤为：先将硅基衬底放入丙酮中，超声清洗4～6min；然后将硅基衬底置于乙醇中，超声条件下清洗4～6min；之后在去离子水水中超声清洗4～6min，然后用氮气枪吹干，最后在加热平台上于300±10℃烘烤9～10min。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)超声波清洗的频率为20～25kHz。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的少层的MoTe2薄膜的厚度为5-10nm。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的旋涂转速为600±20rpm持续9～10s，3000±30rpm持续30±5s。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的为90～100℃，烘干时间为1～1.5min。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)所述的光刻技术具体是：将MoTe2置于无掩膜光刻机载台上，在显微镜下将曝光部位对准在MoTe2的两端，即将需要相变的部位露出来，沟道区域挡住，保留沟道10±0.5μm，利用光刻技术得到MoTe2的反应掩膜。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的O2等离子体中O2的纯度为5N，其气体流量为20sccm。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)所述的相变处理的参数设置为：射频功率200W且反射功率20W以内，温和等离子体反应腔的腔压维持在4～5Pa，反应时间2min30s～3min。
在本发明的一种实施方式中，步骤(5)所述的清除光刻胶的具体步骤与步骤(1)相似，但部分操作有些许差异，具体在于：将处理后的衬底放入丙酮中浸泡5～10min直至光刻胶由衬底上脱落，取出衬底，干燥后置于光学显微镜下观察，如果光刻胶有部分残留，则将其重新放入丙酮中超声清洗1～2s，之后将衬底干燥后再次置于光学显微镜下观察，注意MoTe2样品全程应保留在衬底上；若观察到光刻胶完全去除，则将衬底放入乙醇中浸泡1～2min；之后在去离子水中浸泡1～2min，然后用氮气枪吹干，最后在加热平台上进行烘烤，90～100℃烘烤1～2min即可。
在本发明的一种实施方式中，步骤(5)所述的蒸镀电极包括电子束蒸镀镍金属和热蒸镀制备的金金属；其中电子束蒸镀镍金属时，蒸镀机真空条件需满足5×10-3Pa以下，所用的蒸镀速率为时间约为2-4min，得到的电极材料厚度为5nm；热蒸镀金时，蒸镀机真空条件需满足1×10-4Pa以下，所用的蒸镀速率为/>时间为30min，得到的电极材料厚度为50nm。
在本发明的一种实施方式中，还可以将步骤(5)中的带有电极的MoTe2上的光刻胶除去，在电极上进行bonding。
在本发明的一种实施方式中，所述的进行bonding是蒸镀电极后的器件在器件底座上进行bonding以制成光电探测器件，即本发明所述的MoTe2同质异相光电探测器。
在本发明的一种实施方式中，所述的基于MoTe2的1T’-2H-1T’同质异相结构选用的是P型2H相MoTe2，其两边为半金属1T’相。
本发明还利用上述方法制备得到具备同质异相结构的MoTe2。
本发明还利用上述方法制备得到MoTe2同质异相光电探测器。
本发明的第二个目的是提供一种制备MoTe2同质异相光电探测器的方法，所述的方法是在本发明所述的MoTe2同质异相结构两端的1T’相区域蒸镀电极，得到所述的MoTe2同质异相光电探测器。
本发明的第三个目的是本发明所述的方法制备得到的MoTe2同质异相光电探测器。
本发明的第四个目的是提供一种MoTe2同质异相光电探测器的应用手段，所述的应用手段是将MoTe2同质异相光电探测器使用电学测试源表测试其转移特性，并由此得出该光电探测器的载流子迁移率与开关比；使用波长为447nm、520nm、532nm、637nm和940nm的入射激光，测量该光电探测器在上述入射激光下的光电流情况，并由此得出其响应度特性。
本发明的第五个目的是将上述MoTe2同质异相光电探测器应用到近红外小功率光电探测、开关器件及逻辑电路领域。
[有益效果]
(1)本发明基于二维2H相MoTe2通过构建MoTe2的1T’-2H-1T’同质异相结构，实现了MoTe2光电探测器电学性能与光电性能的双重提升；相比传统的搭建不同二维材料异质结、改变器件结构等方法，本发明的制备过程操作简单，且没有进行二次光刻、溅射或蒸镀，对材料损伤较小。
(2)本发明利用温和等离子体技术与光刻技术对2H相MoTe2两端处进行相变处理，反应时间与相变环境即时可控，该工艺与传统的CMOS工艺高度兼容。
(3)本发明中金属电极仅与呈半金属性的1T’相MoTe2接触，利用1T’相MoTe2与2HMoTe2相间能量差较小的特性，降低了金属电极与2H相MoTe2间的接触势垒，极大提高了器件的载流子迁移率、开关比等电学特性，故可应用于开关器件及逻辑电路等方面。
(4)本发明中的MoTe2同质异相光电探测器可在不同波长的可见光及940nm近红外光下进行探测。
(5)本发明通过改变MoTe2与金属电极接触方式，利用MoTe2在可见光与近红外波段的吸收，实现了MoTe2光电探测器光电流与光电响应度的提升。
(6)本发明中MoTe2样品通过干法转移技术进行；温和等离子体相变可控性强，且可进行大规模制备；器件通过一步光刻法制作，操作简单，易于实现多器件的集成。
附图说明
图1为实施例1中制备的MoTe2的1T’-2H-1T’同质异相结构及MoTe2同质异相光电探测器的流程及其应用示意图。
图2为MoTe2同质异相结构的拉曼mapping图像；其中选取位于235cm-1处的E1 2g峰作为成像基准。
图3为实施例1与对比例1的转移特性曲线；其中偏压恒定为1V，红色粗线为实施例1的转移曲线，黑色细线为对比例1的转移曲线。
图4为测量MoTe2同质异相光电探测器光电特性的激光光路示意图。
图5为实施例1与对比例1在不同波长激光下的光电流情况；其中偏压均为1V，栅压为0V，从左至右四种激光的波长分别为447nm、520nm、637nm和940nm，红色虚线为实施例1的光电流，黑色实线为对比例1的光电流。
图6为实施例1与对比例1在不同波长激光下的光电响应度情况；其中偏压均为1V，栅压为0V，上方红色粗线为实施例1的响应度，下方黑色细线为对比例1的响应度。
图7为对比例1与对比例2的光电流曲线对比；其中偏压均为1V，栅压为0V，下方黑色实线为对比例1的光电流，上方红色虚线为对比例2的光电流。
图8为原始MoTe2与对比例3的拉曼光谱对比，其中下方黑色细线为原始MoTe2的拉曼光谱，上方红色粗线为对比例3的拉曼光谱。
图9为原始MoTe2与对比例4的拉曼光谱对比，其中上方黑色细线为原始MoTe2的拉曼光谱，下方红色粗线为对比例4的拉曼光谱。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
测试方法：
拉曼mapping测试：将样品置于拉曼光谱仪(雷尼绍LabRAM Inviamicro)光镜下方，在mapping模式下进行扫描，得到拉曼mapping图。
光电流性能表征：光电流测试用到的激光光路是自行搭建的，具体如图4所示。从激光器出来的激光经过光路最终打到需要测试的样品上，采集光电流所用的是Keithley2634测试源表。测试的具体方法如下：打开白光光源，在电脑CCD软件上找到目标样品，然后打开447nm的激光光源，调整样品位置使激光准确打到样品上，利用斩波器控制激光的开关，采集光电流的变化；之后利用上述同样的测试方法测试520nm、637nm和940nm波长激光对同一器件光电流的变化情况。
实施例采用的原料：
MoTe2薄膜通过机械剥离法制备，具体步骤为：先用3M胶带在MoTe2晶体表面粘部分样品，然后胶带之间互相对撕，重复十次左右待留在胶带上的样品显示灰色时，即得到了MoTe2薄膜。
PDMS干法转移技术：将含有MoS2的胶带贴于PDMS表面，静置1～2小时后揭起胶带，使得聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面留下MoTe2样品；后将处理后的硅基衬底贴合在PDMS表面，再次静置1～2小时后揭起硅基衬底，MoTe2样品便转移到了衬底表面；
所用的PDMS衬底是自行配置的，配置时首先将道康宁SYLGARD 184硅橡胶与固化剂按10:1重量比混合，搅拌均匀，待气泡全部消失，然后冰箱冷藏状态下(4℃)静置48小时，凝固形成透明薄膜；
所述的电极的制备是通过蒸镀电极制备，具体包括电子束蒸镀镍和热蒸镀制备的金；其中电子束蒸镀镍时，蒸镀机真空条件需满足5×10-3Pa以下，所用的蒸镀速率为时间约为3min，得到的电极材料厚度为5nm；热蒸镀金时，蒸镀机真空条件需满足1×10-4Pa以下，所用的蒸镀速率为/>时间约为30min，得到的电极材料厚度为50nm。
实施例1
一种制备MoTe2同质异相光电探测器的方法，流程如图1，包括如下步骤：
(1)先将硅基衬底放入丙酮中，超声清洗5min；然后将硅基衬底置于乙醇中，超声清洗5min；之后在去离子水中超声清洗5min，然后用氮气枪吹干，最后在加热平台上进行烘烤，300℃烘烤10min；
(2)利用机械剥离技术得到少层的MoTe2薄膜，并利用PDMS干法转移技术将其转移至步骤(1)中清洗好的衬底表面，得到带有MoTe2的衬底；
(3)将MoTe2置于无掩膜光刻机载台上，在显微镜下将曝光部位对准在MoTe2的两端，即将需要相变的部位露出来，沟道区域挡住，保留沟道10μm，将光刻胶均匀地旋涂在步骤(2)制备的带有MoTe2的衬底上，旋涂转速为600rpm持续10s，3000rpm持续30s，然后进行烘烤，使用无掩膜光刻机在材料表面光刻出图形，得到带有部分光刻胶掩膜的MoTe2，其中MoTe2的两端需裸露在环境中，其他部分仍用光刻胶与环境隔离；
(4)将步骤(3)中完成光刻的MoTe2放入温和等离子体反应腔中，利用O2等离子体对MoTe2两端进行相变处理，MoTe2两端直接与O2等离子体接触从而相变为1T’相，其他部分由于被光刻胶保护从而保持为2H相；其中，O2的纯度为5N，其气体流量为20sccm；
(5)将步骤(4)中处理过的MoTe2置于蒸镀机内，蒸镀电极；电子束蒸镀镍金属，蒸镀机真空条件5×10-3Pa以下，所用的蒸镀速率为时间为3min，得到的电极材料厚度为5nm；
(6)将步骤(5)中的MoTe2上的光刻胶除去，在电极上进行bonding，得到MoTe2同质异相光电探测器。
将步骤(4)得到的MoTe2同质异相结构进行拉曼mapping，得到的结果如图2所示。未被光刻胶覆盖的区域发生了相变，E1 2g峰强度较弱，呈现暗色；被光刻胶覆盖的区域未发生相变，E1 2g峰强度较强，从而呈现亮色。这证实了MoTe2同质异相结构的形成。
实施例2
将实施例1中步骤(4)等离子体处理过程中射频功率改为180W，处理时间改为3min，其他条件不变。
对实施例2步骤(4)得到的MoTe2同质异相结构进行拉曼mapping表征，与图2所示结果相似，从表明将反应参数在合理范围内进行调整仍然可以得到MoTe2同质异相结构的形成。
对比例1
参照实施例1，省略实施例1中制备MoTe2同质异相光电探测器的方法中的步骤(4)，即MoTe2不做任何相变处理，直接与金属电极相接触，其他与实施例1保持一致，得到原始MoTe2光电探测器。
使用电学源表测量实施例1与对比例1得到的MoTe2光电探测器，得到二者的转移特性曲线，并计算出二者的载流子迁移率与开关比，结果如下：
图3是实施例1与对比例1的转移特性曲线，可以看出实施例1的p型特性更为明显，经过计算得到实施例1的迁移率为12.95cm2/V s、开关比为1.55×105，而对比例1的迁移率则只有6.3×10-2cm2/V s，开关比则为94.9。说明实施例1的电学特性的确优于对比例1。
实施例1与对比例1的光电流特性如图5所示。从图5可以看出，在相同波长相同功率的情况下，实施例1的光电流为10-6量级，而对比例1的光电流仅为10-8量级，表明实施例1的光电流优于对比例1。
图6为不同波长激光下实施例1与对比例1光电响应度随入射光功率变化情况。可以看出无论入射激光波长是哪一种，实施例1的最大响应度都要优于对比例1，表明了实施例1的光电特性强于对比例1。
对比例2
参照实施例1，改变步骤(4)工艺，对MoTe2的电极处进行光刻胶掩模，使得该部分不发生相变，MoTe2的其余部分暴露于环境从而发生相变，从而得到MoTe2的2H-1T’-2H同质异相光电探测器。
测量对比例2的光电流，并与实施例1进行比较，结果如下：
从图7可以看出，对比例2的暗电流虽然明显高于实施例1，但其光电流几乎为零，响应度明显劣于实施例1。
对于447nm、637nm和940nm做了同样的对比，对比例2的光电性能均劣于实施例1，说明本发明的方法可以制备MoTe2的1T’-2H-1T和2H-1T’-2H的同质异相光电探测器，但MoTe2的2H-1T’-2H的同质异相结构不适合做光电探测器。
对比例3
将2H相MoTe2放入温和等离子体反应腔中，按照实施例1的流程处理，但部分参数调整至实施例1的范围之外，具体为：
将射频功率调整为80W，处理时间调整为30s，处理后将MoTe2样品取出。
将对比例3进行拉曼光谱表征，并与处理前的本征2H相MoTe2拉曼光谱进行对比，结果如图8所示。
可以看出，对比例4的拉曼光谱的E1 2g特征峰并未发生变化，说明在此条件下处理得到的MoTe2并未发生2H-1T’相变。说明对比例3所对应的参数无法得到MoTe2的同质异相结构以及基于该同质异相结构制备的光电探测器。
对比例4
参照实施例1，将2H相MoTe2放入温和等离子体反应腔中，反应气体由氧气换为氩气，其他条件、参数不变，处理后将MoTe2样品取出。
将对比例4进行拉曼光谱表征，并与处理前的本征2H相MoTe2拉曼光谱进行对比，结果如图9所示。
可以看出，对比例4的拉曼光谱的E1 2g特征峰与Ag特征峰均未发生变化，说明在此条件下处理得到的MoTe2并未发生2H-1T’相变。说明对比例4所示的方法不能制备MoTe2的同质异相结构以及基于该同质异相结构制备的光电探测器。

Claims (8)

1.一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备方法，所述方法，包括如下步骤：
(1)衬底清洗；
(2)利用机械剥离技术得到少层的MoTe2薄膜，并利用PDMS干法转移技术将其转移至步骤(1)中清洗好的衬底表面，得到带有MoTe2的衬底；
(3)将光刻胶均匀地旋涂在步骤(2)制备的带有MoTe2的衬底上并进行烘烤，使用无掩膜光刻机在材料表面光刻出图形，得到带有部分光刻胶掩膜的MoTe2，其中MoTe2的两端需裸露在环境中，其他部分仍用光刻胶与环境隔离；
(4)将步骤(3)中的带有部分光刻胶掩膜的MoTe2放入温和等离子体反应腔中，利用O2等离子体对裸露在外面的MoTe2进行相变处理，被光刻胶覆盖的区域不会发生任何变化，得到相变处理后的MoTe2；相变处理的参数设置为：射频功率200W且反射功率20W以内，温和等离子体反应腔的腔压维持在4～5Pa，反应时间2min30s～3min；
(5)将步骤(4)中相变处理后的MoTe2置于蒸镀机内，蒸镀电极，得到基于二维碲化钼的同质异相光电探测器。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述光刻胶为AZ5214E。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(1)所述的衬底清洗具体步骤为：先将硅基衬底放入丙酮中，超声清洗4～6min；然后将硅基衬底置于乙醇中，超声条件下清洗4～6min；之后在去离子水水中超声清洗4～6min，然后用氮气枪吹干，最后在加热平台上于300±10℃烘烤9～10min。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(3)所述的旋涂转速为600±20rpm持续9～10s，3000±30rpm持续30±5s。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(4)所述的O2等离子体中O2的纯度为5N，其气体流量为20sccm。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(5)所述的蒸镀电极包括电子束蒸镀镍金属和热蒸镀制备的金金属；其中电子束蒸镀镍金属时，蒸镀机真空条件需满足5×10-3Pa以下，所用的蒸镀速率为时间为2-4min，得到的电极材料厚度为5nm；热蒸镀金时，蒸镀机真空条件需满足1×10-4Pa以下，所用的蒸镀速率为/>时间为30min，得到的电极材料厚度为50nm。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述的MoTe2同质异相结构选用的是P型2H相MoTe2，其两边为半金属1T’相。
8.根据权利要求1～7任一所述方法制备得到MoTe2同质异相光电探测器。
CN202210269277.9A 2022-03-18 2022-03-18 一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备及应用 Active CN114695597B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210269277.9A CN114695597B (zh) 2022-03-18 2022-03-18 一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210269277.9A CN114695597B (zh) 2022-03-18 2022-03-18 一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备及应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114695597A CN114695597A (zh) 2022-07-01
CN114695597B true CN114695597B (zh) 2024-02-27

Family

ID=82138929

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210269277.9A Active CN114695597B (zh) 2022-03-18 2022-03-18 一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114695597B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105720117A (zh) * 2014-12-02 2016-06-29 中国科学院大连化学物理研究所 一种具有内建电场的TiO2异相结紫外/深紫外探测器件及制备
CN105932091A (zh) * 2016-07-13 2016-09-07 合肥工业大学 一种自驱动二维碲化钼同型异质结近红外光电探测器及其制备方法
CN108389779A (zh) * 2018-02-13 2018-08-10 江南大学 一种基于温和氢气等离子体的半金属相碲化钼的制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3542402A4 (en) * 2016-11-21 2020-07-22 The Government of the United States of America, as represented by the Secretary of the Navy TWO-DIMENSIONAL MATERIALS INTEGRATED WITH MULTIFERROIC LAYERS

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105720117A (zh) * 2014-12-02 2016-06-29 中国科学院大连化学物理研究所 一种具有内建电场的TiO2异相结紫外/深紫外探测器件及制备
CN105932091A (zh) * 2016-07-13 2016-09-07 合肥工业大学 一种自驱动二维碲化钼同型异质结近红外光电探测器及其制备方法
CN108389779A (zh) * 2018-02-13 2018-08-10 江南大学 一种基于温和氢气等离子体的半金属相碲化钼的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
. Phase patterning for ohmic homojunction contact in MoTe2;Cho S, Kim S, Kim J H, et al.;SCIENCE;第349卷;625-628 *
二维材料碲化钼的相变特性研究;陈志荣;工程科技Ⅰ辑;第43页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114695597A (zh) 2022-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sun et al. Heterostructured graphene quantum dot/WSe 2/Si photodetector with suppressed dark current and improved detectivity
Yang et al. Organic solar cells using transparent SnO2–F anodes
Zhou et al. Substrate dependence on (Sb4Se6) n ribbon orientations of antimony selenide thin films: morphology, carrier transport and photovoltaic performance
Liu et al. Non-planar vertical photodetectors based on free standing two-dimensional SnS 2 nanosheets
Lancellotti et al. Graphene as non conventional transparent conductive electrode in silicon heterojunction solar cells
CN111682088A (zh) 一种基于范德华异质结的隧穿型光电探测器及其制备方法
Wang et al. Technology ready use of single layer graphene as a transparent electrode for hybrid photovoltaic devices
Cang et al. Enhancement in the efficiency of Sb2Se3 solar cells by adding low lattice mismatch CuSbSe2 hole transport layer
WO2016105537A1 (en) Crystalline perovskite thin films and devices that include the films
CN111463295A (zh) 氧等离子体处理的硒氧化铋纳米片光电探测器及制备方法
Yang et al. Sb2Se3 thin film solar cells prepared by pulsed laser deposition
TWI705577B (zh) 二維電子元件與相關製造方法
Li et al. Boosting efficiency of planar heterojunction perovskite solar cells to 21.2% by a facile two-step deposition strategy
CN108807678B (zh) 一种pcbm受体增强型量子点光电探测单元及其制备方法和探测器
JP5540323B2 (ja) ショットキー型接合素子とこれを用いた光電変換素子及び太陽電池
Mu et al. CZTS nanoparticles as an effective hole-transport layer for Sb2Se3 thin-film solar cells
Zi et al. Sputtering Al2O3 as an effective interface layer to improve open-circuit voltage and device performance of Sb2Se3 thin-film solar cells
CN113964230A (zh) 一种硫硒化亚锡纳米片/GaAs异质结光电二极管及其制备方法和应用
CN114141909A (zh) 在蓝宝石衬底生长不同晶向氧化镓薄膜的方法及基于该薄膜的紫外光探测器的制备方法
CN214336728U (zh) 一种范德瓦尔斯非对称势垒结构的红外探测器
CN114695597B (zh) 一种基于二维碲化钼的同质异相光电探测器的制备及应用
Lv et al. Enhanced performance of GeSe thin-film solar cells via bifacial charge transport materials design
CN114920213A (zh) 一种二硒化钨的制备方法
CN113471327B (zh) 基于双栅压调控的高增益石墨烯光电探测器及其制备方法
Lu et al. Efficient hole extraction and dark current suppression in organic photodetectors enabled by atomic-layer-deposition of ultrathin Co 3 O 4 interlayers

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant