CN114784125B - 一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法 - Google Patents

一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法，在覆盖氧化硅的硅衬底上转移硫化钨材料，在硫化钨材料一端上面转移石墨烯材料实现覆盖接触，在覆盖有石墨烯的硫化钨材料一端上面制备接触电极，充当器件一端的接触电极及引线电极；硫化钨材料另一端上面直接制备金属电极或者金属光栅，充当器件另一端的接触电极及引线电极。本发明提供了一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件，解决常规金属WS2金属器件在均匀全光照射下没有净光响应的问题，同时保留了WS2材料原有的光电特性，使得在室温下高灵敏且多功能性的光电探测具有推广使用价值。

Description

一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测器件技术领域，尤其是一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法。
背景技术
二维层状纳米片在构建高性能的光电探测器的应用中吸引了广泛的研究兴趣。二维(2D)层状材料可用于构造范德华(vdW)光电探测器，而不会出现晶格失配问题。2D层状材料具有自然钝化的表面，可以避免产生漏电流，并且由于不存在表面悬键，可以合理地堆垛不同的2D材料以形成vdW异质结。此外，不同2D材料的层可调能带结构非常适合于工程化新型光电探测器。但是，大多数2D光电探测器都以光电导或光伏模式工作。在光电导结构中，光电探测器对光学增益具有高响应率，但是受到大暗电流或慢响应速度的困扰。尽管结的形成将有效地抑制暗电流，但是耗尽区限制了光电流。在光伏光电探测器中，由于难以调控2D材料的掺杂，因此材料光电性能受到限制。
近几年，以WSe2和MoS2为代表的低维材料从理论和实验上在纳米光电子领域获得了广泛研究并取得重要进展，WS2作为过渡金属硫族化物的典型代表，拥有良好的延展性和优良的迁移率，具有较低的截止电流以及较高的开关比。当WS2晶体薄膜材料层数从多层变为单层时，带隙由间接带隙变为直接带隙，因而引起了研究者的广泛关注。在光电探测器领域，二硫化钨(WS2)表现出出色的光学和电子特性，使其成为一种在光电应用领域有吸引力的光敏材料。常规的WS2光电探测器件主要采用金属WS2金属的结构，器件的光响应主要来源于WS2与金属电极交界处的肖特基结。当入射光局域地照射在WS2与金属电极的交界处时会诱导出宏观的光电流。但是，这种器件主要的问题是在均匀的全光照射下WS2与两端金属的接触结产生大小相近、方向相反的光电流，两者互相抵消，器件对外没有净的光响应导致WS2的响应率低，只有微弱几mA/W，阻碍了其在高性能光电探测器中的应用。
因此，如何解决常规金属WS2金属器件在均匀全光照射下没有净光响应的问题及保留了WS2材料原有的光电特性，为实现室温下高灵敏且多功能性的光电探测，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个目的在于，提供一种提高探测器的响应率的一种场操控可调的光电灵敏性探测器件。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件，其特征在于：在覆盖氧化硅的硅衬底上转移硫化钨材料，在硫化钨材料一端上面转移石墨烯材料实现覆盖接触，在覆盖有石墨烯的硫化钨材料一端上面制备接触电极，充当器件一端的接触电极及引线电极；硫化钨材料另一端上面直接制备金属电极或者金属光栅，充当器件另一端的接触电极及引线电极。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述的覆盖氧化硅的硅衬底的厚度为0.5～1mm；
所述的硫化钨材料的光敏沟道的长度为6～10μm，厚度为10～20nm；
所述的石墨烯材料长度为3～5μm，厚度为2～3nm；
所述的金属栅极材质为金，其线宽为1～2μm，线间距为500～600nm，厚度为20～50nm；
所述的接触电极厚度为60～80nm，及相应的引线电极，其厚度为200～400nm。
本发明的第二个目的在于，提供一种提高探测器的响应率的一种场操控可调的光电灵敏性探测器的制备方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将覆盖有氧化硅的硅衬底进行表面清洗，通过切割技术将衬底切成1cm×1cm的样品；
S2，使用转移平台微区定位方法将硫化钨薄片与衬底相互贴合；
S3，将石墨烯材料转移到覆盖硫化钨材料的一端，形成良好的欧姆接触；
S4，结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及剥离工艺制备与两端接触的电极与引线电极，其中硫化钨材料一端与石墨烯、金属共同形成良好的欧姆接触，而硫化钨材料另一端与金属形成肖特基接触；同时制备后续工艺所使用到的紫外光刻对准标记以及电子束光刻对准标记；
S5,在S4的基础上，结合使用紫外光刻、电子束曝光法、电子束蒸发法及剥离工艺制备金属光栅结构，增加硫化钨材料与金属肖特基接触的面积。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S2中硫化钨薄片与衬底相互贴合包括如下步骤：将附着硫化钨薄片的胶带贴附于聚二甲基硅氧烷透明软膜上按压10s，实现硫化钨材料薄片贴附在聚二甲基硅氧烷透明软膜的表面；
将上述清洗切割后的衬底放置在转移平台的加热台上面，并将其置于视野中央，缓慢下降夹具且不断调整焦距，保持硫化钨薄片与衬底相对垂直至两者贴合，通过加热释放指定的硫化钨薄片到衬底上面，进行编号定位标记。
作为本发明的优选技术方案：与步骤S2相同，选用相同的转移平台微区定位方法，将石墨烯材料转移到覆盖硫化钨材料的一端，形成良好的欧姆接触。
作为本发明的优选技术方案：步骤S5完成后，还包括步骤S6，通过紫外光刻、电子束蒸发及剥离工艺制备200～400nm加厚电极。
本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法，利用非对称结构诱导金属WS2金属室温探测器件，并对其光响应进行探索利用非对称接触以及金属光栅结构增加非对称性接触诱导金属WS2金属器件非对称性光响应，即增强一端WS2金属接触结的光响应电流，并抑制另一端WS2金属接触结的光响应电流，解决常规金属WS2金属器件在均匀全光照射下没有净光响应的问题，同时保留了WS2材料原有的光电特性，使得在室温下高灵敏且多功能性的光电探测具有推广使用价值。
本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法，具备一下技术优势：
1、本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法，利用金属与硫化钨材料接触处的显著光伏效应，实现探测器由一组硫化钨-石墨烯欧姆接触和金属-硫化钨肖特基接触组成的非对称性接触器件，打破金属-半导体之间内建电势的镜像对称性，使得器件镜像电流无法相互抵消而对外产生了大的净光电流，实现器件室温下自驱动、低暗电流、高响应的光电探测能力；
2、本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法由一组硫化钨-石墨烯欧姆接触电极与金属光栅-硫化钨肖特基接触组成强的非对称性接触，除了增加了光敏元面积之外，同时调控强的光场耦合和分布，进一步增强器件非对称性接触诱导高的自驱动光电响应，实现室温下器件高响应、可偏振选择性地探测性能；
3、本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件及其制备方法，利用载流子迁移率高且能带可调的硫化钨材料作为光敏导电沟道，其块体的间接带隙为1.4eV，而单层则表现出2.1eV的直接带隙，具有可见光宽波段响应特性，结合上述非对称接触或者金属光栅结构充当门栅或者偏置电压增加光生载流子，在高电场下促使光生载流子快速分离，实现器件室温下宽波段、快速响应的探测性能。
附图说明
图1为本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件结构一的俯视图；
图2为本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件的结构一的前视图；
图3为本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件结构二的俯视图；
图4为本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件结构二的前视图；
图5为本发明非对称探测器件在有无光照下的电流曲线图；
图6为本发明非对称探测器件在激光沿着沟道扫描时所产生非对称性的光电流曲线图；
图7为与本发明对比的对称性探测器在激光沿着光敏沟道扫描时所产生的光电流曲线图；
图8为本发明非对称性探测器在激光扫描二维光敏面时所产生的非对称性光电流分布图；
图9为本发明非对称性探测器在激光光斑集中在金属光栅位置时所产生的光电流随偏振角度变化的曲线图；
附图中，硫化钨材料1，石墨烯材料2，金属光栅3，接触电极4，引线电极5，覆盖有氧化硅的硅衬底6。
具体实施方式
如图1、图2、图3以及图4所示，本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件所述在覆盖有氧化硅的硅衬底6上转移硫化钨材料1，在硫化钨材料一端上面转移石墨烯材料2覆盖接触，同时在硫化钨材料覆盖石墨烯一端上面继续制备金属接触4，充当器件一端接触电极及引线电极5；然后在硫化钨材料另一端上面直接制备金属电极4或者金属光栅3，充当器件另一端接触电极以及引线电极5。
本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件采用载流子迁移率高且能带可调的硫化钨材料作为光敏导电沟道，其块体的间接带隙为1.4eV，而单层则表现出2.1eV的直接带隙，还具有很高的载流子迁移率和优异的热稳定性，通过对硫化钨薄片的结构设计和电子调控来实现器件室温下快速响应、宽波段探测，利用金属与石墨烯接触处的显著光伏效应，本发明的探测器件由一组硫化钨-石墨烯欧姆接触与金属-硫化钨肖特电极组成一对非对称性接触的器件，可以打破金属-半导体之间内建电势的镜像对称性，使器件镜像电流无法相互抵消而对外产生了大的净光电流，实现器件室温下自驱动、低暗电流、高响应的光电探测。利用探测器件由一组硫化钨-石墨烯欧姆接触电极与金属光栅-硫化钨肖特接触电极组成强非对称性接触，除了增加了光敏元面积之外，同时调控强的光场耦合和分布，进一步增强器件非对称性接触诱导高的自驱动光电响应，实现室温下器件高响应、可偏振选择性地探测性能。
本发明的一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件具体制备方法如下：
步骤1首先将覆盖有氧化硅的硅衬底进行表面清洗，通过切割技术将衬底切成1cm×1cm的样品；
步骤2将附着硫化钨薄片的胶带贴附于聚二甲基硅氧烷(PDMS)透明软膜上面按压10s，使得胶带上的硫化钨薄片贴附在PDMS表面上；
步骤3将胶带从PDMS透明软膜上撕下，PDMS透明软膜贴于载玻片上并放置于转移平台的夹具中，应保证硫化钨薄片朝下。使用显微镜寻找合适的硫化钨薄片置于视野中央；
步骤4将上述清洗切割后的衬底放置在转移平台的加热台上，置于视野中央，缓慢地下降夹具且不断调整焦距，保持硫化钨薄片与衬底相对垂直至两者贴合，通过加热释放指定的硫化钨薄片到衬底上面，进行编号定位标记；
步骤5通过上述同样转移平台微区定位方法，将石墨烯材料转移硫化钨薄片的一端，覆盖接触形成欧姆接触；
步骤6结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及剥离工艺制备与硫化钨材料两端接触的电极和引线电极，其中硫化钨材料一端与石墨烯、金属共同形成良好的欧姆接触，而硫化钨材料另一端与金属形成肖特基接触，制备完成设计结构一的器件；同时制备后续工艺所使用到的紫外光刻对准标记以及电子束光刻对准标记；
步骤7在上述所设计结构一器件制备完成基础上，结合使用紫外光刻、电子束曝光法、电子束蒸发法及剥离工艺制备金属光栅结构，除了增加硫化钨材料与金属肖特基接触的面积之外，进一步增强非对称性接触诱导强的器件光电响应或者偏振选择性探测的能力；
步骤8通过紫外光刻、电子束蒸发及剥离工艺制备200～400nm加厚电极，以便引线测试；
步骤9最后，采用标准的半导体封装技术，对器件进行封装与测试。
步骤10选用不同激光光源，通过电学调制，让被调制过的激光经过显微系统聚焦到探测器上，探测器产生的光响应信号通过前置放大器(SR570)放大信号，分别输入示波器，锁相放大器(SR830)，除此之外，还需要电学调制频率作为参考信号分别输入示波器与锁相放大器，保证准确记录器件在不同偏压为的条件下，测试不同波长、光功率密度下硫化钨材料光电探测器的光电特性。
实施例1
覆盖有氧化硅的硅衬底的厚度为0.5mm；硫化钨材料沟道的长度为6μm，厚度为10nm；石墨烯材料长度为3μm，厚度为2nm；接触电极厚度为60nm以及相应的引线电极厚度为200nm。如图5所示，非对称探测器在有无光照下的电流曲线图，光响应电流随着偏置电压增大而增大，光电流甚至可以高达200nA；在这个偏置电压变化过程中，由于硫化钨材料与金属存在肖特基结区，在没有光照情况下器件具有非常低的暗电流，总之，非对称探测器件呈现着光伏型工作模式，具有低暗电流、高信噪比的探测能力。
实施例2
覆盖有氧化硅的硅衬底的厚度为1mm；硫化钨材料沟道的长度为4μm，厚度为10nm；石墨烯材料长度为3μm，厚度约2nm；接触电极厚度为60nm及相应的引线电极厚度为300nm。如图6所示是非对称性探测器件在激光沿着光敏沟道扫描时所产生光电流线图，在不同偏置电压下，激光扫描器件时所产生的光电空间分布呈现着非对称性分布，光响应电流更靠近于金属与硫化钨材料接触一侧区域，光电流极性只有一个流向；对比图7为对称性结构的探测器，激光扫描对称性的器件时所产生的光电流呈现着镜像对称，光响应电流靠近金属与硫化钨材料两侧的区域，幅值只有微弱的差别，而两个区域光响应电流极性方向具有镜像对称。总之，石墨烯介入让探测器具有非对称性接触，打破了相互抵消的镜像光电流，极大地提高器件对外产生的净光响应电流。
实施例3
覆盖有氧化硅的硅衬底的厚度为1mm；硫化钨材料沟道的长度为10μm，厚度为20nm；石墨烯材料长度为5μm，厚度约2nm；金属光栅材质为金，其线宽为1μm，线间距为500nm，厚度为20nm；接触电极厚度为80nm以及相应的引线电极厚度为400nm；如图8所示，增强性非对称性探测器在激光扫描二维光敏面时所产生光电流具有非对称性空间分布，进一步证明石墨烯介入让探测器具有非对称性接触，打破器件相互抵消的镜像光电流，光响应电流更靠近于金属与硫化钨材料一侧区域或者金属光栅与硫化钨材料一侧区域；如图8所示，为非对称性结构的探测器在激光光斑集中在金属光栅区域时所产生光电流随偏振角度变化的曲线图，除了增加硫化钨薄片与金属肖特基接触面积之外，调控强的光场耦合和分布，具有明显的偏振选择性探测能力，总之，金属光栅的介入可以进一步增强非对称性接触诱导高灵敏光电响应，具有明显的高灵敏、可偏振选择性探测的能力。
探测器结构中各种参数在一定范围里变化，本发明中一种非对称性诱导室温光电探测器件具有高灵敏、自驱动、低暗电流、可偏振选择性探测的性能，测试结果表明非对称探测器光响应电流集中在金属与硫化钨材料区域，利用金属与硫化钨材料接触处的显著光伏效应，石墨烯介入让器件具有非对称性接触结构，打破了器件相互抵消的镜像光电流，增强器件对外产生的净光响应电流。同时光栅的介入增加硫化钨薄片与金属肖特基接触面积，调控强的光场耦合与分布，进一步增强非对称性接触诱导高灵敏、自驱动光电响应及可偏振选择性探测的能力。我们所设计的非对称性器件室温下具有室温下自驱动、低暗电流、高灵敏且可偏振选择性的光电探测能力，为光电高性能多功能性探测器件的设计提供了一个良好的研究平台。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将覆盖有氧化硅的硅衬底进行表面清洗，通过切割技术将衬底切成1 cm×1 cm的样品；
S2，使用转移平台微区定位方法将硫化钨薄片与衬底相互贴合；
S3，将石墨烯材料转移到覆盖硫化钨材料的一端，形成良好的欧姆接触；
S4，结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及剥离工艺制备与两端接触的电极与引线电极，其中硫化钨材料一端与石墨烯、金属共同形成良好的欧姆接触，而硫化钨材料另一端与金属形成肖特基接触；同时制备后续工艺所使用到的紫外光刻对准标记以及电子束光刻对准标记；
S5，在S4的基础上，结合使用紫外光刻、电子束曝光法、电子束蒸发法及剥离工艺制备金属光栅结构，增加硫化钨材料与金属肖特基接触的面积；
其中，所述非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件在覆盖氧化硅的硅衬底上转移硫化钨材料，在硫化钨材料一端上面转移石墨烯材料实现覆盖接触，在覆盖有石墨烯的硫化钨材料一端上面制备接触电极，充当器件一端的接触电极及引线电极；硫化钨材料另一端上面直接制备金属电极或者金属光栅，充当器件另一端的接触电极及引线电极；
所述的覆盖氧化硅的硅衬底的厚度为0.5~1 mm；
所述的硫化钨材料的光敏沟道的长度为6~10 μm，厚度为10~20 nm;
所述的石墨烯材料长度为3~5 μm，厚度为2~3 nm;
所述的金属栅极材质为金，其线宽为1~2 μm，线间距为500~600 nm，厚度为20~50 nm；
所述的接触电极厚度为60~80 nm，及相应的引线电极，其厚度为200~400 nm。
2. 如权利要求1所述的非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中硫化钨薄片与衬底相互贴合包括如下步骤：将附着硫化钨薄片的胶带贴附于聚二甲基硅氧烷透明软膜上按压10 s，实现硫化钨材料薄片贴附在聚二甲基硅氧烷透明软膜的表面；
将上述清洗切割后的衬底放置在转移平台的加热台上面，并将其置于视野中央，缓慢下降夹具且不断调整焦距，保持硫化钨薄片与衬底相对垂直至两者贴合，通过加热释放指定的硫化钨薄片到衬底上面，进行编号定位标记。
3.如权利要求2所述的非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件的制备方法，其特征在于：与步骤S2相同，选用相同的转移平台微区定位方法，将石墨烯材料转移到覆盖硫化钨材料的一端，形成良好的欧姆接触。
4. 如权利要求2所述的非对称性诱导室温高灵敏光电探测器件的制备方法，其特征在于：步骤S5完成后，还包括步骤S6，通过紫外光刻、电子束蒸发及剥离工艺制备200~400 nm加厚电极。
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