CN114927586A - 一种基于新型三元材料的异质结光电探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于新型三元材料的异质结光电探测器及制备方法，利用新型三元材料作为主体敏感薄膜层材料与其他薄膜材料组成异质结结构，通过差异化后热退火处理达到调制光电探测器电流响应度和响应速度的目的。本发明所述器件结构从下到上依次为衬底、绝缘层、新型三元材料、其他薄膜材料、金属电极。在二维半导体中，空气稳定和高迁移率的新型三元材料，具超高的载流子迁移率、适中的带隙、出色的稳定性和优异的机械性能，新型三元材料还具有如强自旋轨道耦合、二聚硒空位和铁电性等物理特性，用这些特性，将其与其他薄膜材料复合可以拓宽器件的响应光谱范围和增强器件光电性能。该器件具有响应速度快、响应光谱范围广、响应速度可调等特点。
Description
技术领域
本发明涉及新型材料光探测技术领域，具体涉及一种基于新型三元材料的异质结光电探测器及制备方法。
背景技术
自1950年以来，硅(Si)一直是微电子行业的主要半导体。遵循摩尔定律，硅基集成电路(IC)技术到2020年底将发展到5纳米节点。然而，硅基电子产品也会面临各种挑战，例如载流子迁移率降低和亚10纳米节点的短沟道效应的增加。为了克服这些缺点，二维(2D)半导体因其固有的原子厚度、柔韧性和无悬挂键表面而成为下一代电子产品最具竞争力的候选材料之一。
在所有二维半导体中，空气稳定和高迁移率的半导体新型三元材料如硒氧铋(Bi2O2Se)、碲氧铋(Bi2O2Te)、钼硫硒(MoSSe)、铁碲硒(FeTeSe)、铋硒碲(Bi2Se1.5Te1.5)等，具有一些突出的优势，使其在电子行业中尤其受到欢迎。首先，新型三元材料表现出超高的载流子迁移率、适中的带隙、出色的稳定性和优异的机械性能。此外，新型三元材料还具有一些有趣的物理特性，如强自旋轨道耦合、二聚硒空位和铁电性等。利用这些特性，研究人员制造了高性能电子器件，包括逻辑器件、光电子器件、热电器件、传感器和存储器件等。
目前，新型三元材料主要通过化学气相沉积(CVD)在云母基板上生长，但新型三元材料与云母表面之间的静电相互作用不可避免地与硅/金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺不兼容。其次，机械剥离法将新型三元材料转移到其他材料上形成异质结构，技术要求高，且使用腐蚀性溶剂。这些因素影响了新型三元材料基器件的性能，阻碍了它们的各种应用。同时，还应考虑对电流阵列成像器件材料的大规模需求。新型三元材料的高载流子浓度(1013cm-3～1017cm-3)导致器件的高暗电流(>10-6A)和较慢的光响应时间(～ms)，这阻碍了高开关比和快速响应光电探测器的发展。新型三元材料是一类很有前途的半导体，正如大量基于高性能新型三元材料的器件所证明的那样。因此，期待新型三元材料的独特特性可以提供额外的机会来补充或取代硅作为下一代电子行业的材料平台。而要填补与现实工艺之间的差距，还有大量研究工作，尤其是在大规模材料合成和系统器件集成这两方面。因此，迫切需要开发一种简单直接的方法来制备大尺寸的新型三元材料基异质结器件，使其具有广泛的实际应用价值。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于新型三元材料的异质结光电探测器及制备方法，采用成熟简单的制备新型三元材料和其他薄膜材料的方法，制成大尺寸阵列器件，采用不同的新型三元材料和其他薄膜材料厚度比可以实现对器件响应度的调节，新型三元材料和其他薄膜材料之间接触区域形成内建电场，增强载流子的产生及分离速度，在金属电极两端外部电场的作用下，正负电荷定向移动，最终形成电流并被收集，解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于新型三元材料的异质结光电探测器，所述探测器结构从下到上依次包括：衬底(1)、绝缘层(2)、新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)、金属电极，金属电极包括金属漏电极(5a)和金属源电极(5b)；所述新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)形成了平面异质结结构，其中，新型三元材料(3)作为底部光敏层，其他薄膜材料(4)作为顶部光敏层。
优选的，所述的新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)之间接触区域形成内建电场，增强载流子的产生及分离速度。
优选的，所述的新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)与金属漏电极(5a)相连接，形成敏感沟道。
优选的，所述新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)的厚度为30～150纳米。
优选的，所述的新型三元材料(3)是硒氧铋、碲氧铋、钼硫硒、铁碲硒或铋硒碲；所述的其他薄膜材料(4)为氧化钼。
优选的，所述的新型三元材料(3)沉积生长在带有绝缘层的衬底上。
另外，为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种基于新型三元材料的异质结光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1、清洗带有绝缘层(2)的衬底(1)，清洗过程分为化学清洗和物理清洗，具体包括双氧水清洗、去离子水超声、洗洁精清洗、丙酮超声、乙醇超声、去离子水超声；
S2、采用热蒸发沉积法在步骤S1中清洗完成的衬底上沉积生长一定纳米厚度的新型三元材料(3)；
S3、待步骤S2沉积完成后，进行不同温度差异化热退火处理；
S4、待完成不同温度差异化热退火处理后，采用热蒸发沉积在新型三元材料(3)上沉积生长20～100纳米的其他薄膜材料(4)；
S5、待步骤S4沉积完成后，进行不同温度差异化热退火处理；
S6、采用热蒸发沉积法在其他薄膜材料(4)上蒸镀金属漏电极(5a)，完成光电探测器的制备。
优选的，在步骤S1～步骤S6中，所述沉积生长的温度范围为300～700℃。
优选的，所述步骤S3中不同温度差异化热退火处理的温度范围为40～400℃，退火时间为30分钟，退火气氛是氮气；
所述步骤S5中不同温度差异化热退火处理的温度范围为80～350℃，退火时间为30分钟，退火气氛是氮气。
优选的，所述新型三元材料(3)和其他薄膜材料(4)均采用热蒸发沉积制备，最终能完成制备出大尺寸的阵列器件。
本发明的有益效果是：相比以前的石墨烯基光电探测器，由于新型三元材料具有超高的载流子迁移率，与其他材料复合可以使得器件的响应度和响应速度都有极大的提升。并且利用不同温度差异化后退火处理新型三元材料和其他薄膜材料可以有效的提升器件探测光谱范围。同时新型三元材料和其他薄膜材料组成的两层异质结结构，比传统的器件工艺难度降低很多。由于采用成熟简单的制备新型三元材料和其他薄膜材料的方法，很容易制成大尺寸阵列器件。采用不同的新型三元材料和其他薄膜材料厚度比可以实现对器件响应度的调节。
附图说明
图1为本发明器件具体结构示意图；
图2为本发明新型三元材料和其他薄膜材料接触能带结构示意图；
图3为本发明新型三元材料扫描隧道显微镜测试表面形貌图；
图中，1-衬底，2-绝缘层，3-新型三元材料，4-其他薄膜材料，5a-金属漏电极，5b-金属源电极。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，本发明提供一种技术方案：一种基于新型三元材料的异质结光电探测器结构，如图1所示，其中器件结构从下到上依次为衬底1、绝缘层2、新型三元材料3、其他薄膜材料4、金属电极，金属电极包括金属漏电极5a和金属源电极5b。
所述新型三元材料3、其他薄膜材料4形成了平面异质结结构，接触能带结构如图2所示，其中，新型三元材料3作为底部光敏层，其他薄膜材料4作为顶部光敏层。
进一步的，所述的新型三元材料3、其他薄膜材料4与金属漏电极5a相连接。新型三元材料扫描隧道显微镜测试表面形貌图如图3所示。
进一步的，所述新型三元材料3、其他薄膜材料4的厚度为30～150纳米。
进一步的，所述新型三元材料3、其他薄膜材料4之间通过厚度变化可对探测器的探测光谱范围进行调节。
所述新型三元材料3经过不同温度差异化热退火处理，差异化后热退火处理的温度范围是40摄氏度～400摄氏度，退火时间30分钟，退火气氛氮气。
所述其他薄膜材料4经过不同温度差异化热退火处理，差异化后热退火处理的温度范围是80摄氏度～350摄氏度，退火时间30分钟，退火气氛氮气。
所述新型三元材料3和其他薄膜材料4之间接触形成内建电场，增强载流子的产生及分离速度。
本实施例中使用的新型三元材料为硒氧铋(Bi2O2Se)，该材料具有超高的载流子迁移率、适中的带隙、出色的稳定性和优异的机械性能，在不同温度差异化热退或处理后硒氧铋展示出不同的光谱吸收范围。本实施例中使用的其他薄膜材料为氧化钼(MoO3)。两层薄膜材料的复合在接触区域形成内建电场，增强载流子的产生及分离速度。同时两层薄膜材料经过不同温度差异化热退火处理后，所得器件的响应度和响应速度都被有效调制。
本发明所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器器件的制备方法，包含以下步骤：
步骤1：清洗带有绝缘层2的衬底1，清洗过程分为化学清洗和物理清洗两部分，使用双氧水清洗、去离子水超声、洗洁精清洗、丙酮超声、乙醇超声、去离子水超声；
步骤2：采用热蒸发沉积在步骤1中清洗完成的衬底/绝缘层上沉积生长100纳米厚度的新型三元材料硒氧铋3，沉积生长温度范围是580摄氏度；
步骤3：采用不同温度差异化热退火处理步骤2中沉积完成新型三元材料硒氧铋的衬底/绝缘层，差异化后热退火处理的温度范围是320摄氏度，退火时间30分钟，退火气氛氮气；
步骤4：采用热蒸发沉积在步骤3中不同温度差异化热退火处理完成的新型三元材料硒氧铋的衬底/绝缘层上沉积生长50纳米厚度的其他薄膜材料层氧化钼4，沉积生长温度范围是600摄氏度；
步骤5：采用不同温度差异化热退火处理步骤4中沉积完成其他薄膜材料层氧化钼/新型三元材料硒氧铋的衬底/绝缘层，差异化后热退火处理的温度范围是280摄氏度，退火时间30分钟，退火气氛氮气；
步骤6：采用热蒸发沉积方法在完成步骤5中差异化后热退火处理的其他薄膜材料层氧化钼/新型三元材料硒氧铋的衬底1/绝缘层2的新型三元材料3、其他薄膜材料层4上蒸镀金属漏电极5a，完成器件制备。
相比以前的石墨烯基光电探测器，由于新型三元材料具有超高的载流子迁移率，与其他材料复合可以使得器件的响应度和响应速度都有极大的提升。并且利用不同温度差异化后退火处理新型三元材料和其他薄膜材料可以有效的提升器件探测光谱范围。同时新型三元材料和其他薄膜材料组成的两层异质结结构，比传统的器件工艺难度降低很多。由于采用成熟简单的制备新型三元材料和其他薄膜材料的方法，很容易制成大尺寸阵列器件，制备过程不会造成环境污染。采用不同的新型三元材料和其他薄膜材料厚度比可以实现对器件响应度的调节。
在二维半导体中，空气稳定和高迁移率的新型三元材料，具超高的载流子迁移率、适中的带隙、出色的稳定性和优异的机械性能。此外，新型三元材料还具有一些奇特的物理特性，如强自旋轨道耦合、二聚硒空位和铁电性等，利用这些特性，将其与其他薄膜材料复合可以拓宽器件的响应光谱范围和增强器件光电性能。该器件具有响应速度快、响应光谱范围广、响应速度可调等特点。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于新型三元材料的异质结光电探测器，其特征在于，所述探测器结构从下到上依次包括：衬底(1)、绝缘层(2)、新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)、金属电极，金属电极包括金属漏电极(5a)和金属源电极(5b)；所述新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)形成了平面异质结结构，其中，新型三元材料(3)作为底部光敏层，其他薄膜材料(4)作为顶部光敏层。
2.根据权利要求1所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器，其特征在于：所述的新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)之间接触区域形成内建电场，增强载流子的产生及分离速度。
3.根据权利要求1所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器，其特征在于：所述的新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)与金属漏电极(5a)相连接，形成敏感沟道。
4.根据权利要求1或2所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器，其特征在于：所述新型三元材料(3)、其他薄膜材料(4)的厚度为30～150纳米。
5.根据权利要求1所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器，其特征在于：所述的新型三元材料(3)是硒氧铋、碲氧铋、钼硫硒、铁碲硒或铋硒碲；所述的其他薄膜材料(4)为氧化钼。
6.根据权利要求1所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器，其特征在于：所述的新型三元材料(3)沉积生长在带有绝缘层的衬底上。
7.一种根据权利要求1～6中任一项所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、清洗带有绝缘层(2)的衬底(1)，清洗过程分为化学清洗和物理清洗，具体包括双氧水清洗、去离子水超声、洗洁精清洗、丙酮超声、乙醇超声、去离子水超声；
S2、采用热蒸发沉积法在步骤S1中清洗完成的衬底上沉积生长一定纳米厚度的新型三元材料(3)；
S3、待步骤S2沉积完成后，进行不同温度差异化热退火处理；
S4、待完成不同温度差异化热退火处理后，采用热蒸发沉积在新型三元材料(3)上沉积生长20～100纳米的其他薄膜材料(4)；
S5、待步骤S4沉积完成后，进行不同温度差异化热退火处理；
S6、采用热蒸发沉积法在其他薄膜材料(4)上蒸镀金属漏电极(5a)，完成光电探测器的制备。
8.根据权利要求7所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器的制备方法，其特征在于：在步骤S1～步骤S6中，所述沉积生长的温度范围为300～700℃。
9.根据权利要求7所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中不同温度差异化热退火处理的温度范围为40～400℃，退火时间为30分钟，退火气氛是氮气；
所述步骤S5中不同温度差异化热退火处理的温度范围为80～350℃，退火时间为30分钟，退火气氛是氮气。
10.根据权利要求7所述的基于新型三元材料的异质结光电探测器的制备方法，其特征在于：所述新型三元材料(3)和其他薄膜材料(4)均采用热蒸发沉积制备，最终能完成制备出大尺寸的阵列器件。
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