CN115000195A - 一种直流光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种直流光电探测器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115000195A
CN115000195A CN202210645834.2A CN202210645834A CN115000195A CN 115000195 A CN115000195 A CN 115000195A CN 202210645834 A CN202210645834 A CN 202210645834A CN 115000195 A CN115000195 A CN 115000195A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ferroelectric substrate
direct current
poling
periodically
interdigital electrodes
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.)
Granted
Application number
CN202210645834.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115000195B (zh
Inventor
温博
罗大宁
张希
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.)
Shenzhen University
Original Assignee
Shenzhen 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 Shenzhen University filed Critical Shenzhen University
Priority to CN202210645834.2A priority Critical patent/CN115000195B/zh
Publication of CN115000195A publication Critical patent/CN115000195A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115000195B publication Critical patent/CN115000195B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • 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
    • H01L31/109—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

本发明公开一种直流光电探测器及其制备方法，直流光电探测器包括：周期性极化的铁电基底，所述周期性极化的铁电基底包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴；过渡金属硫族化合物层，所述过渡金属硫族化合物层设置在所述周期性极化的铁电基底上；两个叉指电极，所述两个叉指电极相对设置在所述过渡金属硫族化合物层上，所述两个叉指电极的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域内。本发明提供的直流光电探测器光响应度高、光响应速度快、能够进行宽波段响应。

Description

一种直流光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种直流光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是现代许多精密分析、测量和诊断仪器中不可或缺的核心部件。基于硅和铟镓砷化物的传统半导体光电探测器，在光谱覆盖、低分辨率、不透明、不易弯曲等方面有着明显的缺陷。然而，新出现的石墨烯、过渡金属硫族化合物(TMDs)等二维半导体材料，因其机械灵活性、非凡的电子和光学性能以及晶圆规模的生产和集成，可以改善这些问题。基于二维材料的光电二极管可提供从可见光到远红外范围的超快和宽带响应。
过渡金属硫族化合物(TMDs)具有高柔性、高集成度、高灵敏度等优良特性，可用于制造各种新型电子器件和光电器件，在薄膜晶体管、光电探测、光控电子元件、电致发光器件、谷电子学和能源存储(例如，锂离子电池以及超级电容器)等领域都有很好的应用前景。其单层具有直接带隙及大激子结合能，在室温下TMDs中光生载流子形成的激子展现出明显的多粒子库伦相互作用，激子具有多重弛豫过程，为激子调控提供了便利。尽管TMDs的激子弛豫特性可以通过栅极、静电掺杂和应变等手段进行调控，但如何进一步提高激子调控能力，实际应用到光电器件中还面临着很多挑战。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，为进一步提高TMDs的激子调控能力，提升光电器件光电响应性能，本发明的目的在于提供一种直流光电探测器及其制备方法，旨在解决现有无法实现提高TMDs的激子调控能力且制备得到的光电器件光电响应性能较差的问题。
本发明的技术方案如下：
本发明的第一方面，提供一种直流光电探测器，其中，包括：
周期性极化的铁电基底，所述周期性极化的铁电基底包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴；
过渡金属硫族化合物层，所述过渡金属硫族化合物层设置在所述周期性极化的铁电基底上；
两个叉指电极，所述两个叉指电极相对设置在所述过渡金属硫族化合物层上，所述两个叉指电极的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域内。
可选地，所述铁电基底的材料选自铌酸锂、钛酸钡、铁酸铋中的一种。
可选地，所述每个极化周期内极化方向相反的两个极化畴为极化方向相反的两个宽度相等的长方体极化畴，所述宽度为40～80μm。
可选地，所述铁电基底的厚度为50～200μm。
可选地，所述过渡金属硫族化合物选自MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、SnS、SnSe、InSe中的至少一种。
可选地，所述MoS2、WS2、WSe2、MoSe2为单层结构，所述单层的厚度为0.6～1.5nm。
可选地，所述SnS、SnSe、InS为多层结构，其中，1～10层的厚度为0.6～10nm。
可选地，所述两个叉指电极的厚度均为10～120nm，所述两个叉指电极的叉指的宽度均为20～40μm，所述两个叉指电极的相邻叉指间隔均为30～120μm。
可选地，所述两个叉指电极的材料均选自镍、铬、钛、钯、铂、金中的一种。
本发明的第二方面，提供一种本发明如上所述的直流光电探测器的制备方法，其中，包括步骤：
提供周期性极化的铁电基底，所述周期性极化的铁电基底包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴；
对所述周期性极化的铁电基底进行等离子体表面活化，得到活化后的周期性极化的铁电基底；
在所述活化后的周期性极化的铁电基底上形成过渡金属硫族化合物层；
在所述过渡金属硫族化合物层上相对设置两个叉指电极，使得所述两个叉指电极的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域内。
有益效果：本发明以周期性极化的铁电基底作为直流光电探测器的基底，对其表面上设置的TMDs层的载流子密度分布进行非易失性调控，调制出载流子(电子、空穴)掺杂状态呈周期性分布的TMDs层，从而在TMDs层形成具有电活性和超窄特性的多个同质PN结，其能对光照强度产生敏感的反应，能有效提升电子-空穴分离能力，使得光电探测器具有优秀的光响应能力(光响应度高且光响应速度快)，同时产生的畴壁结区对宽波段光敏感，使得光电探测器具有宽波段响应性能；多个同质PN结匹配电极后，多个同质PN结并联，相当于形成了多个并联的光电器件，具体地，两个叉指电极施加偏压后，在光照条件下，TDMs层中光激发产生的电子和空穴发生分离，漂移到PN结所接触的电极上，产生直流光电流，同时多个PN结并联能够汇总光电流，从而极大地增强了器件的光电响应性能。另外，TMDs同时作为直流光电探测器的透明栅极，导通直流电后，可以通过栅极偏置横向操控能带结构，实现PN结内光生载流子的电限制和操纵，调控畴壁光电子的迁移，进一步提升光电探测器性能。本发明提供的直流光电探测器具有光响应度高、光响应速度快、宽波段响应等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中直流光电探测器的俯视结构示意图。
图2为本发明实施例中直流光电探测器的纵向剖面结构示意图。
图3为本发明实施例中光照下施加偏压时过渡金属硫族化合物层的能带结构和载流子运动示意图。
图4a中为本发明实施例1中直流光电探测器在暗态和365nm波长时不同光照强度下的电流-电压曲线图；图4b为本发明实施例1中直流光电探测器在暗态和532nm波长时不同光照强度下的电流-电压曲线图；图4c为本发明实施例1中直流光电探测器在暗态和808nm波长时不同光照强度下的电流-电压曲线图。
图5为本发明实施例1中直流光电探测器在强度为49mW/cm2的532nm波长光照下的瞬态光响应结果图。
具体实施方式
本发明提供一种直流光电探测器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明实施例提供一种直流光电探测器，如图1-2所示，包括：
周期性极化的铁电基底1，所述周期性极化的铁电基底1包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴(图2中虚线框中表示为一个极化周期中的极化方向相反的两个极化畴)；
过渡金属硫族化合物层(TMDs层)2，所述过渡金属硫族化合物层2设置在所述周期性极化的铁电基底1上；
两个叉指电极3，所述两个叉指电极3相对设置在所述过渡金属硫族化合物层2上，所述两个叉指电极3的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域内。
铁电基底是一种能够发生极化的铁电材料，具有压电、热电和电光特性。本实施例中通过铁电基底的固有极化调控二维材料光电特性，以周期性极化的铁电基底作为直流光电探测器的基底，对其表面上设置的TMDs层的载流子密度分布进行非易失性调控，实现激子弛豫特性的调控，调制出载流子(电子、空穴)掺杂状态呈周期性分布的TMDs层，从而在TMDs层形成具有电活性和超窄特性的多个同质PN结，其能对光照强度产生敏感的反应，能有效提升电子-空穴分离能力，使得光电探测器具有优秀的光响应能力(光响应度高且光响应速度快)，同时产生的畴壁结区对宽波段光敏感，使得光电探测器具有宽波段响应性能；多个同质PN结匹配电极后，多个同结PN结并联，相当于形成了多个并联的光电器件，具体地，两个叉指电极施加偏压后，在光照条件下，TDMs层中光激发产生的电子和空穴发生分离，漂移到PN结所接触的电极上，产生直流光电流，同时多个PN结并联能够汇总光电流，从而极大地增强了器件的光电响应性能。另外，TMDs层同时作为直流光电探测器的透明栅极，导通直流电后，可以通过栅极偏置横向操控能带结构，实现PN结内光生载流子的电限制和操纵，调控畴壁光电子的迁移，进一步提升光电探测器性能。本发明提供的直流光电探测器具有光响应度高、光响应速度快、宽波段响应等优点。
本实施例中，所述周期性极化的铁电基底包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴，也就是说，铁电基底包括极化方向相反的两种极化畴，且这两种极化畴呈周期性排列。所述两个叉指电极的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域内，也就是说，两个叉指电极中，其中的一个叉指电极的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影位于所述周期性极化的铁电基底上的一种方向的极化畴区域内，其中的另一个叉指电极的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影位于所述周期性极化的铁电基底上的另一种方向的极化畴区域内。
本实施例中，如图2所示，周期性极化的铁电基底表面电荷根据极化畴的极化方向呈周期性分布，即周期性极化的铁电基底上呈周期性地分布正负电荷，铁电基底与TMDs层之间形成一介电层，周期性极化的铁电基底上呈周期性分布的正负电荷对TMDs层产生影响(异种电荷相互吸引)，吸引TMDs层中的负电性和正电性的载流子并束缚其分布，将不同电性的载流子束缚在TMDs层与介电层接触的底部并呈周期性分布，同时使得TMDs层中与叉指电极接触的上半部分载流子呈周期性分布，从而形成同质PN结。具体地，以铁电基底的一个极化周期为例进行说明。铁电基底的一个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴，两个极化畴表面带有相反的电荷。当其中一个极化畴表面带有负电荷时，其吸引TMDs层中的正电性的载流子(空穴)，将正电性载流子束缚在TMDs层与介电层接触的底部，与此同时TMDs层中与叉指电极接触的上半部分便束缚有负电性的载流子(电子)；其中另一个极化畴表面则带有正电荷，其吸引TMDs层中的负电性载流子(电子)，将负电性载流子束缚在TMDs层与介电层接触的底部，与此同时TMDs层中与叉指电极接触的上半部分便束缚有正电性的载流子(空穴)。也就是说，铁电基底上的TMDs层中，与铁电基底一个极化周期对应的TMDs层区域会形成一个同质PN结，一个同质PN结包含两种不同载流子掺杂状态的TMDs。因此，通过铁电基底表面电荷的周期性变化，可调控TMDs层载流子的分布，并使其呈周期性变化，得到多个同质PN结。
当多个同质PN结匹配电极后，即形成多个并联的同质PN结。具体地，多个同质PN结匹配电极，即两种载流子掺杂状态呈周期性分布的TMDs层匹配叉指电极后，两个叉指电极中一个叉指电极的每个叉指与TMDs层中一种载流子掺杂状态的区域接触，两个叉指电极中另一个叉指电极的每个叉指与TMDs层中另一种载流子掺杂状态的区域接触，对应到周期性极化的铁电基底上就是两个叉指电极中其中一个叉指电极的每个叉指在周期性极化的铁电基底上的投影位于所述周期性极化的铁电基底上各个周期中一种方向的极化畴区域内，另一个叉指电极的每个叉指在周期性极化的铁电基底上的投影位于周期性极化的铁电基底上各个周期中另一种方向的极化畴区域内。
光照射到光电探测器表面并施加偏压时，来自入射光子的能量使得TMDs层多个并联的同质PN结产生电子-空穴对，具体地，光子的能量增加了电子的能级，使电子离开了价带，电子被束缚在单个原子上，并在外部偏压下进入导带，光激发的电子被吸引并向正极移动，而空穴则向相反方向移动，实现光生电子-空穴对的分离，产生光电流，同时本实施例多个同质PN结并联，可形成显著的光电流。光照射并施加偏压时，一个同质PN结的能带结构和载流子运动示意图如图3所示，可以看出PN结能够使得光生电子-空穴对得到有效的分离，防止光生电子-空穴对的复合。
在一种实施方式中，所述铁电基底的材料选自铌酸锂、钛酸钡、铁酸铋中的一种，但不限于此。
在一种实施方式中，所述每个极化周期内极化方向相反的两个极化畴为极化方向相反的两个宽度相等的长方体极化畴，所述宽度为40～80μm。本实施方式中，周期性极化的铁电基底的每个极化周期内极化方向相反的两个极化畴为极化方向相反的两个宽度相等的长方体极化畴，也就是说，所述周期性极化的铁电基底上所有的极化畴均为宽度相等的长方体极化畴。
在一种实施方式中，如图1-2所示，所述两个叉指电极3相对设置在所述TMDs层2上，所述两个叉指电极3的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的长方体极化畴表面正中心。
在一种实施方式中，所述铁电基底的厚度为50～200μm。
在一种实施方式中，所述过渡金属硫族化合物选自MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、SnS、SnSe、InSe中的至少一种，但不限于此。
在一种实施方式中，所述MoS2、WS2、WSe2、MoSe2为单层结构，所述单层的厚度为0.6～1.5nm。
在一种实施方式中，所述SnS、SnSe、InS为多层结构，其中，1～10层的厚度为0.6～10nm。
在一种实施方式中，所述两个叉指电极的厚度均为10～120nm，所述两个叉指电极的叉指的宽度均为20～40μm，所述两个叉指电极的相邻叉指间隔均为30～120μm。所述两个叉指电极的叉指交错排列，为了使叉指电极匹配载流子密度呈周期性分布的TMDs层，将叉指宽度设计为等宽20～40nm，将叉指置于铁电基底极化畴(宽度为40～80nm)的正中心。
在一种实施方式中，所述两个叉指电极的材料均选自镍、铬、钛、钯、铂、金中的一种，但不限于此。
本发明实施例还提供一种本发明实施例如上所述的直流光电探测器的制备方法，其中，包括步骤：
S1、提供周期性极化的铁电基底，所述周期性极化的铁电基底包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴；
S2、对所述周期性极化的铁电基底进行等离子体表面活化，得到活化后的周期性极化的铁电基底；
S3、在所述活化后的周期性极化的铁电基底上形成TMDs层；
S4、在所述过渡金属硫族化合物层上相对设置两个叉指电极，使得所述两个叉指电极的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域内。
本发明实施例通过在周期性极化的铁电基底上形成TMDs层，实现激子弛豫特性的调控。本发明实施例通过可扩展的器件制备技术，构建高效同质结光电探测器，提高探测效果，降低了微纳器件制备难度。同时相关的激子调控机制和器件制备工艺可推广到其它二维材料体系，为畴壁纳米光电子学的研究提供了基础支撑，实现高性能光电器件的研发。
步骤S1中，通过域化工程周期性极化铁电基底，得到周期性极化的铁电基底，具体地，所述周期性极化的铁电基底的制备过程如下：
提供具有预设周期性图案的掩模板；
将所述掩模板覆盖在铁电基底表面上，利用光刻法，在所述铁电基底表面得到金属栅格电极；
对所述铁电基底施加电场进行极化，实现电畴反转，得到周期性极化的铁电基底(所述周期性极化的铁电基底包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴)。
步骤S2中，由于周期性极化的铁电基底表面周期性的电荷分布，对不同TMDs在相反极化表面上的吸附行为存在明显差异，同时由于存在丰富的表面电荷，容易吸附空气中的污染物来降低或屏蔽表面电荷，因此，本发明实施例对所述周期性极化的铁电基底进行等离子体表面活化，提高铁电基底表面能和耦合效率，同时清理表面污染物，使得TMDs层与所述周期性极化的铁电基底耦合。
具体地，通过等离子体表面活化仪处理周期性极化的铁电基底表面。
步骤S3中，在一种实施方式中，在所述活化后的周期性极化的铁电基底上形成TMDs层的步骤具体包括：
提供层状TMDs；
将所述层状TMDs转移到所述活化后的周期性极化的铁电基底上形成TMDs层。
本实施方式中，层状TMDs可采用机械剥离法或化学气相沉积法(CVD)制备得到(此为现有技术，此处不再赘述)，针对两种不同的方法得到的层状TMDs，分别采用干法转移和湿法转移的方法转移到所述活化后的周期性极化的铁电基底上。
具体地，干法转移的步骤包括：
将聚二甲基硅氧烷薄膜(PDMS)切至合适大小，将通过机械剥离法得到的层状TMDs转移至PDMS表面上，通过光学显微镜寻找单层TMDs；将PDMS表面上的单层TMDs与周期性极化的铁电基底进行对齐排列后缓慢降低，直至两者紧密结后，抬起PDMS，使得单层TMDs与PDMS分离，脱离落到周期性极化的铁电基底上。
具体地，湿法转移的步骤：
先在蓝宝石基底上利用化学气相沉积生长单层TMDs，表面用匀胶机旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜，转速控制在1000～4000rpm/min；使用加热台升温至110～130℃烘干1～10min使其固化；随后置入浓度小于50％的氢氧化钾刻蚀溶液中，将蓝宝石基底刻蚀掉；PMMA膜作为转移介质在此时也起到了保护单层TMDs的作用，刻蚀2～8小时后，将PMMA膜放入等离子水中清洗；最后将周期性极化的铁电基底对准覆盖有单层TMDs的PMMA膜表面进行捞取粘合，放入加热真空箱内(温度为80～110℃、抽真空后气压为100Pa)，使得周期性极化的铁电基底与单层TMDs耦合更为紧密。
步骤S4中，在一种实施方式中，通过紫外光刻法在所述TMDs层上相对设置两个叉指电极。
具体地，在所述过渡金属硫族化合物层上蒸镀一层金属层，利用旋涂的方法，采用3000～5000rpm/min的转速，将光刻胶均匀旋涂在金属层表面上；将具有叉指电极镂空图案的光刻板覆盖在所述光刻胶表面上(使得具有叉指电极镂空图案的光刻板的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域内)，采用UV光照射，暴露的部分光刻胶发生性质变化可以在显影液中被反应掉，暴露的部分光刻胶反应掉后露出下面的金属层，然后放到刻蚀液里刻蚀，暴露的金属层在刻蚀液中被刻蚀，而光刻胶不会和刻蚀液反应，被光刻胶遮盖住的金属层部分不受影响，最后依次用丙酮、甲醇、去离子水，在超声机里振动，把光刻胶洗掉制得叉指电极。
下面通过具体的实施例进行详细说明。
实施例1
周期性极化的铌酸锂铁电基底的制备：
提供具有如图1所示周期性铁电基体图案的掩模板；
将所述掩模板覆盖在100μm厚的铌酸锂铁电基底表面上，利用光刻法，在所述铌酸锂铁电基底表面得到栅格电极；
对所述铁电基底施加电场进行极化，实现电畴反转，得到周期性极化的铁电基底(所述周期性极化的铁电基底包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个长方体极化畴，所有极化畴的宽度均为40μm)。
直流光电探测器的制备：
(1)通过等离子体表面活化仪处理上述周期性极化的铌酸锂铁电基底表面，得到表面活化的周期性极化的铌酸锂铁电基底；
(2)通过机械剥离法制备得到WSe2，并将其转移到PDMS膜表面上，通过光学显微镜寻找单层WSe2，将PDMS膜表面上的单层WSe2与上述周期性极化的铌酸锂铁电基底进行对齐后缓慢降低，直至两者紧密结后，抬起PDMS，使得单层WSe2与PDMS分离，脱离落到周期性极化的铌酸锂铁电基底上，在周期性极化的铌酸锂铁电基底上形成WSe2层；
(3)在所述WSe2层上蒸镀一层Pt金属层，利用旋涂的方法，采用5000rpm/min的转速，将光刻胶均匀旋涂在金属层表面上；将具有叉指电极镂空图案的光刻板覆盖在所述光刻胶表面上(使得叉指电极镂空图案的光刻板的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域正中心)，采用UV光照射，暴露的部分光刻胶发生性质变化可以在显影液中被反应掉，暴露的部分光刻胶反应掉后露出下面的金属层，然后放到刻蚀液里刻蚀，暴露的金属层在刻蚀液中被刻蚀，而光刻胶不会和刻蚀液反应，被光刻胶遮盖住的金属层部分不受影响，最后依次用丙酮、甲醇、去离子水，在超声机里振动，把光刻胶洗掉形成叉指电极，得到所述直流光探测器，其中叉指电极的厚度为20nm，叉指电极中叉指的宽度为20μm，两相邻叉指间隔为20μm。
对实施例1制备得到的直流光电探测器进行性能测试：
使用高精度探针台-薄膜半导体测试仪来测量光电流，将直流光电探测器固定在探针台上，探针对准后使用不同功率的激光束照射，光激发使得结区中出现电子-空穴对，结果如图4a-4c所示，从直流光探测器在暗态和365nm波长不同光照强度下、暗态和532nm波长不同光照强度下、暗态和808nm波长不同光照强度下的电流-电压特性曲线可以看出，在暗态和光照后所述直流光电探测器都表现出非常好的电流整流特性；随着入射光强度的增加，光电流曲线上移，说明所述直流光电探测器对光强度的变化非常敏感，工作中能准确探测出光的强弱。此外，从紫外到红外均具有光电流响应说明本实施例中的直流光电探测器探测范围广，适用于多种光波长的探测环境。通过计算，所述直流光电探测器在波长为532nm可见光的光响应度最高，可达978A/W，比探测率高达8.26×1011Jones。所述直流光电探测器的瞬态光响应曲线如图5所示，可以看出所述直流光电探测器在强度为49mW/cm2、波长为532nm的光照射下对光响应时间约为20ms，具有优异的光电信号转换特性和开关特性。在光照下，所述直流光电探测器能汇整出显著的直流光电流，普遍高于传统二维材料的光电响应度和响应时间，充分说明本发明提供的直流光电探测器具有光响应度高、光响应速度快的优点，具有优秀的光电探测能力。
综上所述，本发明提供一种直流光电探测器及其制备方法，本发明以周期性极化的铁电基底作为直流光电探测器的基底，对其表面上设置的TMDs层的载流子密度分布进行非易失性调控，调制出载流子(电子、空穴)掺杂状态呈周期性分布的TMDs层，从而在TMDs层形成具有电活性和超窄特性的多个同质PN结，其能对光照强度产生敏感的反应，能有效提升电子-空穴分离能力，使得光电探测器具有优秀的光响应能力(光响应度高且光响应速度快)，同时产生的畴壁结区对宽波段光敏感，使得光电探测器具有宽波段响应性能；多个同质PN结匹配电极后，多个同质PN结并联，相当于形成了多个并联的光电器件，具体地，两个叉指电极施加偏压后，在光照条件下，TDMs层中光激发产生的电子和空穴发生分离，漂移到PN结所接触的电极上，产生直流光电流，同时多个PN结并联能够汇总光电流，从而极大地增强了器件的光电响应性能。另外，TMDs同时作为直流光电探测器的透明栅极，导通直流电后，可以通过栅极偏置横向操控能带结构，实现PN结内光生载流子的电限制和操纵，调控畴壁光电子的迁移，进一步提升光电探测器性能。本发明提供的直流光电探测器具有光响应度高、光响应速度快、宽波段响应等优点。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流光电探测器，其特征在于，包括：
周期性极化的铁电基底，所述周期性极化的铁电基底包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴；
过渡金属硫族化合物层，所述过渡金属硫族化合物层设置在所述周期性极化的铁电基底上；
两个叉指电极，所述两个叉指电极相对设置在所述过渡金属硫族化合物层上，所述两个叉指电极的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域内。
2.根据权利要求1所述的直流光电探测器，其特征在于，所述铁电基底的材料选自铌酸锂、钛酸钡、铁酸铋中的一种。
3.根据权利要求1所述的直流光电探测器，其特征在于，所述每个极化周期内极化方向相反的两个极化畴为极化方向相反的两个宽度相等的长方体极化畴，所述宽度为40～80μm。
4.根据权利要求1所述的直流光电探测器，其特征在于，所述铁电基底的厚度为50～200μm。
5.根据权利要求1所述的直流光电探测器，其特征在于，所述过渡金属硫族化合物选自MoS2、WS2、WSe2、MoSe2、SnS、SnSe、InSe中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的直流光电探测器，其特征在于，所述MoS2、WS2、WSe2、MoSe2为单层结构，所述单层的厚度为0.6～1.5nm。
7.根据权利要求5所述的直流光电探测器，其特征在于，所述SnS、SnSe、InS为多层结构，其中，1～10层的厚度为0.6～10nm。
8.根据权利要求1所述的直流光电探测器，其特征在于，所述两个叉指电极的厚度均为10～120nm，所述两个叉指电极的叉指的宽度均为20～40μm，所述两个叉指电极的相邻叉指间隔均为30～120μm。
9.根据权利要求1所述的直流光电探测器，其特征在于，所述两个叉指电极的材料均选自镍、铬、钛、钯、铂、金中的一种。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的直流光电探测器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供周期性极化的铁电基底，所述周期性极化的铁电基底包括多个极化周期，每个极化周期内包括极化方向相反的两个极化畴；
对所述周期性极化的铁电基底进行等离子体表面活化，得到活化后的周期性极化的铁电基底；
在所述活化后的周期性极化的铁电基底上形成过渡金属硫族化合物层；
在所述过渡金属硫族化合物层上相对设置两个叉指电极，使得所述两个叉指电极的叉指在所述周期性极化的铁电基底上的投影分别位于所述周期性极化的铁电基底上极化方向相反的极化畴区域内。
CN202210645834.2A 2022-06-09 2022-06-09 一种直流光电探测器及其制备方法 Active CN115000195B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210645834.2A CN115000195B (zh) 2022-06-09 2022-06-09 一种直流光电探测器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210645834.2A CN115000195B (zh) 2022-06-09 2022-06-09 一种直流光电探测器及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115000195A true CN115000195A (zh) 2022-09-02
CN115000195B CN115000195B (zh) 2024-05-24

Family

ID=83033927

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210645834.2A Active CN115000195B (zh) 2022-06-09 2022-06-09 一种直流光电探测器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115000195B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101537492B1 (ko) * 2014-12-26 2015-07-16 성균관대학교산학협력단 강유전체를 이용한 2차원 구조 물질의 p―n 접합 형성 방법 및 강유전체를 이용하여 p―n 접합된 2차원 구조 물질
CN109950403A (zh) * 2019-03-29 2019-06-28 中国科学院上海技术物理研究所 一种铁电场调控的二维材料pn结光电探测器及制备方法
CN111192967A (zh) * 2020-02-28 2020-05-22 中国科学院上海技术物理研究所 一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结及制备方法
US20200312398A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-01 Shanghai Institute Of Technical Physics Of The Chinese Academy Of Sciences Ferroelectric Domain Regulated Optical Readout Mode Memory And Preparing Method Thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101537492B1 (ko) * 2014-12-26 2015-07-16 성균관대학교산학협력단 강유전체를 이용한 2차원 구조 물질의 p―n 접합 형성 방법 및 강유전체를 이용하여 p―n 접합된 2차원 구조 물질
CN109950403A (zh) * 2019-03-29 2019-06-28 中国科学院上海技术物理研究所 一种铁电场调控的二维材料pn结光电探测器及制备方法
US20200312398A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-01 Shanghai Institute Of Technical Physics Of The Chinese Academy Of Sciences Ferroelectric Domain Regulated Optical Readout Mode Memory And Preparing Method Thereof
CN111192967A (zh) * 2020-02-28 2020-05-22 中国科学院上海技术物理研究所 一种铁电畴定义的MoTe2面内PN结及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115000195B (zh) 2024-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chakrabartty et al. Improved photovoltaic performance from inorganic perovskite oxide thin films with mixed crystal phases
Qi et al. Enhanced photocurrent in BiFeO3 materials by coupling temperature and thermo-phototronic effects for self-powered ultraviolet photodetector system
Chen et al. Highly sensitive and tunable self-powered UV photodetectors driven jointly by pn junction and ferroelectric polarization
Feng et al. Frequency response characteristics of pyroelectric effect in pn junction UV detectors
CN109950403B (zh) 一种铁电场调控的二维材料pn结光电探测器及制备方法
CN107342345A (zh) 一种基于铁电栅介质和薄层二硫化钼沟道的光电晶体管
CN209929345U (zh) 一种铁电场调控的二维材料pn结光电探测器
Feng et al. Giant persistent photoconductivity in rough silicon nanomembranes
CN115832108A (zh) 一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法
CN113948594A (zh) 可编程光电探测器及其制备方法
CN109873046B (zh) 双异质结光敏二极管及制备方法
Xue et al. Pyro-phototronic effect enhanced pyramid structured p-Si/n-ZnO nanowires heterojunction photodetector
CN111599830B (zh) 一种基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件
CN115000195B (zh) 一种直流光电探测器及其制备方法
KR102658035B1 (ko) 강유전성 2차원 재료 기반의 광전 소자 및 이의 제조 방법
CN110808294B (zh) 二维铌酸锶纳米片紫外光电晶体管探测器
CN211480068U (zh) 一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器
CN114784125A (zh) 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
CN110310972B (zh) 光电探测器以及制备方法
Zhao et al. Enhanced Photoresponse in GeSe‐Based Phototransistors by Ferroelectric Gating
CN213905369U (zh) 一种铁电畴定义的串联二维光伏电池
CN114709280B (zh) 一种光电探测器及其制备方法
Xing et al. Sensitive and Broadband Wavelength Sensor Based on Two Graphene/Si/Graphene Heterojunctions
CN114361289B (zh) 一种基于范德华金属电极的自驱动超快光电探测器构筑方法
CN116825878B (zh) 一种面外p-n结面内自发电极化二维体光伏材料及其制备方法和应用

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