CN114927587B - 一种基于三元材料平面隧穿效应的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三元材料平面隧穿效应的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，通过差平面隧穿效应达到调制光电探测器电流响应度和响应速度的目的。所述探测器结构从下到上依次包括：衬底、绝缘层、新型三元材料、绝缘氧化物层材料、其他薄膜材料、金属电极。本发明主要针对的是三元量子材料，新型三元材料具有在空气中稳定性、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，本发明利用三元材料的这些特性，将其与其他薄膜材料复合制备面隧穿效应光电探测器，可以拓宽器件的响应光谱范围和提高器件光电性能，本发明的器件在隧穿效应的作用下具有响应速度快、响应度高、响应光谱范围广等特点。
Description
技术领域
本发明涉及新型材料光探测技术领域，具体涉及一种基于三元材料平面隧穿效应的光电探测器及制备方法。
背景技术
半导体能带结构决定了材料的电学、光学和磁性等诸多性质。能带结构的演变，导致电子运动的多样化，最终产生不同性质的半导体并扩展其应用。传统的光电探测器以铟镓砷、碲镉汞等为代表，已在很多领域发挥作用。但是随着人类对光电探测不断增长的需求,尤其近几年来在大数据、智慧城市、人工智能、万物互联等方面对信息的探测和智能感知有着强烈的需求,。而传统光电探测器则受限于选择种类和复杂的结构，不能满足现在多样化的需求。近十年，材料科学技术的发展以及众多新型材料出现，为光电探测技术的发展和进步提供更多的选择空间。
在众多新材料之中，空气稳定和高迁移率的半导体新型三元材料如碲铋锰(MnBi2Te4)、碲氧铋(Bi2O2Te)、钼硫硒(MoSSe)、铁碲硒(FeTeSe)、铋硒碲(Bi2Se1.5Te1.5)等，具有突出的优势，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、磁量子效应和铁电特性等。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、磁性器件、光电子器件、传感器和存储器件等。
采用先进的微制造技术已能够制造尺度和电容非常小的隧穿结。外电极-隧穿结之间形成一个电容器-隧穿结。由于在金属和半导体中电荷密度有很大差别，其相应的物理也不同。已经对用纳米光刻技术制造的半导体-绝缘体-半导体隧穿结的单电子现象进行了广泛的研究。按照经典物理理论，电子不可能通过绝缘层构成的势垒，隧穿结就像一个电容器。通过电极把隧穿结连接到外电路，会发现这样小的隧穿结势垒两边电荷分布之间的相互作用。考虑到量子效应，电子有可能隧穿通过势垒。因此，亟需一种无污染的光电探测器制备方法，可以很简易的制备大尺寸的薄膜材料，为后面的阵列器件制备提供基础。
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三元材料平面隧穿效应的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，很容易制成大尺寸阵列器件。此外采用原子层沉积生长的绝缘氧化物层材料可以精准控制厚度，并且通过厚度可以调节器件的响应速度，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：一种基于三元材料平面隧穿效应的光电探测器，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)、绝缘氧化物层材料(4)、其他薄膜材料(5)、金属电极，金属电极包括金属漏电极(6a)和金属源电极(6b)；所述新型三元材料(3)、绝缘氧化物层材料(4)、其他薄膜材料(5)形成平面隧穿结结构，其中，新型三元材料(3)作为底部光敏层，绝缘氧化物层材料(4)作为隧穿效应层，其他薄膜材料(4)作为顶部光敏层。
优选的，所述新型三元材料(3)、绝缘氧化物层材料(4)、其他薄膜材料(5)之间通过厚度变化可对探测器的探测光谱范围进行调节。
优选的，所述的绝缘氧化物层材料(4)位于新型三元材料(3)与其他薄膜材料(5)之间，所述平面隧穿结结构形成隧穿效应区域，增强载流子的传输数量和速度。
优选的，所述绝缘氧化物层材料(4)的厚度为2～20纳米；所述新型三元材料(3)、其他薄膜材料层(5)的厚度为20～100纳米。
优选的，所述的新型三元材料(3)是碲铋锰、碲氧铋、钼硫硒、铁碲硒或铋硒碲；所述的其他薄膜材料(5)为砷化碲。
优选的，所述的新型三元材料(3)与金属源电极(6b)，其他薄膜材料(5)与金属漏电极(6a)相连接。
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。
优选的，所述的绝缘氧化物层材料(4)厚度的变化能够调节器件的响应度和响应速度。
另外，为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种基于三元材料平面隧穿效应的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，采用原子层沉积在新型三元材料(3)上沉积生长2～20纳米的绝缘氧化物层材料(4)，然后再经过差异化后热退火处理；
S5、采用热蒸发沉积法在绝缘氧化物层材料(4)上沉积生长一定纳米厚度的其他薄膜材料层(5)；
S6、待步骤S5沉积完成后，进行不同温度差异化热退火处理；
S7、采用热蒸发沉积法在其他薄膜材料层(5)上蒸镀金属漏电极(6a)，完成光电探测器的制备。
优选的，在步骤S1～步骤S7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S4中不同温度差异化热退火处理的温度范围为120～400℃，退火时间为30分钟，退火气氛是氩气；
所述步骤S6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)、绝缘氧化物层材料(4)和其他薄膜材料(5)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：本发明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、绝缘氧化物层材料和其他薄膜材料组成的隧穿结结构，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、绝缘氧化物层材料和其他薄膜材料的方法，很容易制成大尺寸阵列器件。采用原子层沉积生长的绝缘氧化物层材料可以精准控制厚度，通过不同的绝缘氧化物层材料厚度可以实现对器件性能的调节。
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原子力显微镜测试表面形貌图；
图3为本发明其他薄膜材料原子力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-绝缘氧化物层材料，5-其他薄膜材料，6a-金属漏电极，6b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：一种基于三元材料平面隧穿效应的光电探测器，结构如图1所示，从下到上依次为衬底1、绝缘层2、新型三元材料3、绝缘氧化物层材料4、其他薄膜材料5、金属电极，金属电极包括金属漏电极6a和金属源电极6b。
进一步的，新型三元材料3、绝缘氧化物层材料4、其他薄膜材料5形成平面隧穿结结构，其中，新型三元材料3作为底部光敏层，绝缘氧化物层材料4作为隧穿效应层，其他薄膜材料4作为顶部光敏层。所述的绝缘氧化物层材料4位于新型三元材料3与其他薄膜材料5之间，所述平面隧穿结结构形成隧穿效应区域，增强载流子的传输数量和速度。
进一步的，所述绝缘氧化物层材料4的厚度为2～20纳米；所述新型三元材料3、其他薄膜材料层5的厚度为20～100纳米，新型三元材料和其他薄膜材料层的原子力显微镜测试表面形貌分别如图2和图3所示。
进一步的，所述新型三元材料3、绝缘氧化物层材料4、其他薄膜材料5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。
所述绝缘氧化物层材料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120摄氏度～400摄氏度，退火时间30分钟，退火气氛氩气。
所述其他薄膜材料5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。
本实施例中使用的新型三元材料为碲铋锰(MnBi2Te4)，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碲铋锰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砷化碲(As2Te3)。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隧穿效应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：采用化学气相沉积或热蒸发沉积在步骤1中清洗完成的衬底/绝缘层上沉积生长30纳米厚度的新型三元材料碲铋锰，沉积生长温度范围是600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碲铋锰的的衬底/绝缘层，差异化后热退火处理的温度范围是300摄氏度，退火时间30分钟，退火气氛氮气；
步骤4：采用原子层沉积在步骤3中不同温度差异化热退火处理完成的新型三元材料碲铋锰的衬底/绝缘层上沉积生长8纳米的绝缘氧化铝层材料4然后经过差异化后热退火处理的温度范围是180摄氏度，退火时间30分钟，退火气氛氩气；
步骤5：采用热蒸发沉积在步骤4中8纳米的绝缘氧化铝层材料上沉积生长20纳米厚度的其他薄膜材料层砷化碲，沉积生长温度范围是580摄氏度；
步骤6：采用不同温度差异化热退火处理步骤5中沉积完成其他薄膜材料层砷化碲/绝缘氧化铝层材料/新型三元材料碲铋锰的衬底/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7：采用热蒸发沉积方法在完成步骤6中差异化后热退火处理的其他薄膜材料层5/绝缘氧化物层材料4/新型三元材料3的衬底1/绝缘层2的新型三元材料3、其他薄膜材料层5上蒸镀金属漏电极6a，完成器件制备。
本发明主要针对的是三元量子材料，新型三元材料具有在空气中稳定性、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。本发明利用新型三元材料的这些特性，将其与其他薄膜材料复合制备面隧穿效应光电探测器，此可以拓宽器件的响应光谱范围和提高器件光电性能。本申请中器件在隧穿效应的作用下具有响应速度快、响应度高、响应光谱范围广等特点。
本发明的制备方法可以很简易的制备大尺寸的薄膜材料，为后面的阵列器件制备提供基础，大尺寸薄膜材料的制备是能够实际应用的基础。采用的更简单热蒸发沉积的薄膜制备方法，制备过程不会造成环境污染。
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 (5)
1.一种基于三元材料平面隧穿效应的光电探测器，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)、绝缘氧化物层材料(4)、其他薄膜材料(5)、金属电极，金属电极包括金属漏电极（6a）和金属源电极（6b）；所述新型三元材料(3)、绝缘氧化物层材料(4)、其他薄膜材料(5)形成平面隧穿结结构，其中，新型三元材料(3)作为底部光敏层，绝缘氧化物层材料(4)作为隧穿效应层，其他薄膜材料(4)作为顶部光敏层；
所述的绝缘氧化物层材料(4)位于新型三元材料(3) 与其他薄膜材料(5)之间，所述平面隧穿结结构形成隧穿效应区域，增强载流子的传输数量和速度；
所述绝缘氧化物层材料(4)的厚度为2～20纳米；所述新型三元材料(3)、其他薄膜材料层(5)的厚度为20～100纳米；所述的新型三元材料(3)是碲铋锰、碲氧铋、钼硫硒、铁碲硒或铋硒碲；所述的其他薄膜材料（5）为砷化碲；
所述的新型三元材料(3)与金属源电极(6b)，其他薄膜材料(5)与金属漏电极(6a)相连接；所述的新型三元材料(3)沉积生长在带有绝缘层的衬底上。
2.一种根据权利要求1所述的基于三元材料平面隧穿效应的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，采用原子层沉积在新型三元材料(3)上沉积生长2～20纳米的绝缘氧化物层材料(4)，然后再经过差异化后热退火处理；
S5、采用热蒸发沉积法在绝缘氧化物层材料(4)上沉积生长一定纳米厚度的其他薄膜材料层(5)；
S6、待步骤S5沉积完成后，进行不同温度差异化热退火处理；
S7、采用热蒸发沉积法在其他薄膜材料层(5)上蒸镀金属漏电极（6a），完成光电探测器的制备。
3.根据权利要求2所述的基于三元材料平面隧穿效应的光电探测器的制备方法，其特征在于：在步骤S1～步骤S7中，所述沉积生长的温度范围为300～700℃。
4.根据权利要求2所述的基于三元材料平面隧穿效应的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S4中不同温度差异化热退火处理的温度范围为120～400℃，退火时间为30分钟，退火气氛是氩气；
所述步骤S6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。
5.根据权利要求2所述的基于三元材料平面隧穿效应的光电探测器的制备方法，其特征在于：所述新型三元材料(3)、绝缘氧化物层材料(4)和其他薄膜材料(5)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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