CN115050845B - 一种基于沟道材料的半导体器件、制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于沟道材料的半导体器件、制备方法和用途。一种基于沟道材料的半导体器件，包括基底层、设置在所述基底层上的二硒化铂层，设置在所述二硒化铂层远离所述基底层一侧的黑磷膜层，以及设置在所述黑磷膜层远离所述二硒化铂层一侧的电极层；所述二硒化铂层为具有半金属性质的二硒化铂材料层。本申请提供的半导体器件，具有较宽光吸收光谱和高载流子迁移率，且表现出了对高温引起的声子散射的有效抑制，为获得具有高温工作温度的光电探测器提供研发基础。
Description
技术领域
本发明属于光探测器领域，具体涉及一种基于沟道材料的半导体器件、制备方法和用途。
背景技术
高温短波红外(SWIR)光电探测器在军事和航天领域等极端条件下有重要应用，如红外制导导弹、高温热红外成像仪和空间遥感系统。
高温短波红外(SWIR)光电探测器已被广泛应用于信息技术、生命科学和航空航天领域，尤其是在军事和航天领域等极端条件下有重要应用，如红外制导导弹、高温热红外成像仪和空间遥感系统。
在极端条件下，特别是在高温环境下，SWIR光电探测器是红外制导导弹、高温热红外成像仪和空间遥感系统的关键传感部件。但对于SWIR光电探测器来说，由于光敏材料中的声子散射随温度升高而增加，导致传统的光电探测器在高工作温度(HOT)下显示出强的电子散射和低光辐射率。因此，在传统的SWIR光电探测器中，单晶锗、砷化镓铟和磷化镓铟是具有窄带隙的主要感光材料，随着工作温度的升高热激发载流子数量剧增，导致较强的电子散射和光响应电流，以及低的光响应度和红外成像不佳。
因此，开发基于高迁移率材料、高性能、耐高温的SWIR光电探测器是非常必要的，同时也可以避免复杂冷却设备的限制。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请目的之一是提供一种基于沟道材料的半导体器件，包括基底层、设置在所述基底层上的二硒化铂层，设置在所述二硒化铂层远离所述基底层一侧的黑磷膜层，以及设置在所述黑磷膜层远离所述二硒化铂层一侧的电极层；
所述二硒化铂层为具有半金属性质的二硒化铂材料层。
本申请提供的半导体器件，利用黑磷从可见光到红外范围的可调谐带隙，以及其二维层状结构带来的宽带隙、无悬挂键、机械弹性好、可大面积集成、能够构建肖特基结构等有益特性，结合二硒化铂的半金属特性，获得了具有较宽光吸收光谱和高载流子迁移率的半导体器件。且申请人意外的发现，本申请提供的半导体器件，表现出了对高温引起的声子散射的有效抑制，为获得具有高温工作温度的光电探测器提供研发基础。
优选地，所述二硒化铂层为1T相二硒化铂层。
1T相PtSe2表现出宽的光吸收光谱和高载流子迁移率。
优选地，所述二硒化铂层厚度为3～5nm，所述黑磷膜层厚度为15～18nm(例如16nm、17nm等)。
黑磷膜层厚度为15～18nm能够使黑磷的吸光度更合适，从而吸收更多的光子。
优选地，所述电极层为金属铬、金属镍、金属金、金属钯中的任意一种或至少两种的组合，优选金属金和金属铬的复合层。
优选地，所述电极层为金层以及附着在所述金层之上的铬层。
优选地，所述基底层为电导率＜10-8s/cm的刚性材料层。
优选地，所述基底层材料包括二氧化硅/硅材料层、云母层、聚酰亚胺层中的任意一种或至少两种的组合。
本申请目的之二是提供一种如目的之一所述的基于沟道材料的半导体器件的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一个基底材料板；
S2向所述基底材料板上转移二硒化铂膜层，一次退火，得到基底材料板-二硒化铂膜层的结构；
S3将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构以二硒化铂膜层向上的状态置于去离子水中，然后将黑磷纳米片分散液滴加在去离子水表面，自组装成一张黑磷薄膜；然后将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构水平向上取出，使所述黑磷薄膜附着于所二硒化铂膜层上表面；
S4将步骤S3的层状结构进行二次退火，形成基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的结构；
S5在所述基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的结构的黑磷膜层的表面形成电极层。
在本申请提供的制备方法中，通过现在基底上转移二硒化铂，退火后形成二硒化铂的界面；利用黑磷的分散特性，在去离子水表面自组装成黑磷薄膜；然后将黑磷薄膜转移至二硒化铂表面，形成由黑磷薄膜和二硒化铂膜层组成的沟道材料；然后再黑磷一侧图案化形成电极，获得半导体器件。制备方法简单，黑磷薄膜的厚度可控。
优选地，步骤S3和S4之间进行步骤S3’重复步骤S3步骤n次，直至黑磷膜层的厚度为15～18nm。
优选地，所述n≥2，例如3、4、5、6、7等，优选3～5，最优选3或4。
优选地，步骤S2所述二硒化铂膜层厚度为3～5nm。
优选地，所述一次退火的条件为在280～320sccm流量的氩气氛围下，300～350℃退火25～30min。
一次退火能够去除转移过程中可能残留的溶剂，并让二硒化铂与基底接触的更好。
优选地，所述二次退火的条件为在280～320sccm流量的氩气和90～110sccm流量的氢气氛围下，300～350℃退火80～90min。
二次退火能够去除黑磷膜层中残留的溶剂，并增强黑磷膜层和二硒化铂膜层的接触。
通过一次退火和二次退火，能够提高器件形成过程中的接触，降低内部的势垒，提高器件性能。
优选地，步骤S3所述黑磷纳米片分散液中，黑磷纳米片的浓度为1.4～1.9mg/mL，例如1.5mg/mL、1.6mg/mL、1.7mg/mL、1.8mg/mL等。
黑磷纳米片的浓度过低，在黑磷成膜时片层容易出现缺陷；浓度过高，在黑磷成膜时，膜层均匀性容易出现缺陷。
优选地，所述黑磷纳米片分散液通过将块体黑磷进行插层电离获得。
进一步优选地，所述插层电离的插层剂为四丁基乙酸铵，所述插层电离的电压为20～25V，插层电离时间为28～40min。
电离插层制备黑磷纳米片，黑磷纳米片更薄，片层尺寸更大。
优选地，步骤S3所述“将黑磷纳米片分散液滴加在去离子水表面”的黑磷纳米片分散液的滴加量为1.1～1.4μL/cm2。
合适的黑磷滴加量有利于黑磷膜层的平铺，在器件形成过程中，黑磷膜层更均匀，黑磷膜层的不均匀会导致光响应时间、响应度和最高使用温度的劣化。
优选地，所述基底材料板为二氧化硅/硅材料。
优选地，所述电极层的形成方式包括热蒸发法或磁控溅射；所述电极层的图案化方式包括电子束光刻法或物理掩模版法。
本申请目的之三是提供一种如目的之一所述的基于沟道材料的半导体器件的用途，所述基于沟道材料的半导体器件用于光电探测器，优选用于短波红外光探测器，进一步优选用于在非制冷条件下，最高工作温度不超过270℃的短波红外光探测器；
优选地，所述半导体器件用于红外制导导弹、红外夜视、火灾安全成像或空间探测传感中的任意一种。
本申请目的之四是提供一种短波红外光探测器，所述短波红外光探测器的基础元件为如目的之一所述的基于沟道材料的半导体器件。
由于本申请提供的半导体器件能够抑制高温引起的声子散射，因此基于本申请提供的半导体器件研发的高温工作温度的光电探测器可以省略用于其冷却的冷却设备。
与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：
本申请提供的半导体器件，具有较宽光吸收光谱和高载流子迁移率的半导体器件，且本申请提供的半导体器件表现出了对高温引起的声子散射的有效抑制，为获得具有高温工作温度的光电探测器提供研发基础。
附图说明
图1为本申请提供的半导体器件的结构示意图；
图2为实施例1(黑磷/PtSe2复合膜)、对比例1(PtSe2膜)和对比例2(黑磷膜)的拉曼光谱；
图3为实施例1(黑磷/PtSe2复合膜)的AFM原子力显微镜表征；
图4为实施例1(黑磷/PtSe2复合膜)的KPFM图；
图5为实施例1提供的半导体器件在黑暗条件下、532nm可见光条件下和1850nm的短波红外光条件下的输出特性曲线；
图6为实施例1提供的半导体器件从可见光(532nm)到近红外光(2200nm)的宽波长范围内的光响应图像；
图7为实施例1提供的半导体器件在1850nm光照下的响应图像的放大图；
图8为实施例1提供的半导体器件在1850nm光照下的光响应度(R)、光响应电流(Iph)与光功率密度的关系图；
图9为实施例1提供的半导体器件在1850nm光照下的比探测率(D*)与光功率密度的关系图；
图10为实施例1、对比例1和对比例2提供的半导体器件的在工作温升过程中的光响应电流和最高工作温度的测试结果。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案做进一步地的解释说明但应该说明的是，具体实施方式只是对本发明技术方案实质的一种具体化的实施和解释，不应该理解为是对本发明保护范围的一种限制。
实施例所用试剂和仪器均可以从市售商品购买，检测方法为本领域所熟知的常规方法。
黑磷纳米片的制备例1
以铂片作为阳极和阴极，并在阴极铂片上固定块体黑磷(购于牧科纳米公司，纯度>99.999％)，两电极平行放置，固定距离为2cm；配制浓度为0.002mol/L的四丁基乙酸铵(CH3COO·TBA)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中作为电解液；在外加直流电压为20V的条件下电化学插层剥离30min，剥离获得黑磷纳米片分散液；
然后，将剥离获得的黑磷纳米片分散液于离心机中以1000r/min的转速离心5min后取出上清液，以去除厚层黑磷片；然后将上清液进一步浓缩，以3000r/min的转速离心5min将薄层黑磷纳米片聚集于离心管底部，去除上层溶液，获得黑磷纳米片浓度为1.5mg/mL的分散液。
黑磷纳米片的制备例2
以铂片作为阳极和阴极，并在阴极铂片上固定块体黑磷(购于牧科纳米公司，纯度>99.999％)，两电极平行放置，固定距离为2cm；配制浓度为0.002mol/L的四丁基乙酸铵(CH3COO·TBA)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中作为电解液；在外加直流电压为25V的条件下电化学插层剥离40min，剥离获得黑磷纳米片分散液；
然后，将剥离获得的黑磷纳米片分散液于离心机中以1000r/min的转速离心5min后取出上清液，以去除厚层黑磷片；然后将上清液进一步浓缩，以3000r/min的转速离心5min将薄层黑磷纳米片聚集于离心管底部，去除上层溶液，获得黑磷纳米片浓度为1.9mg/mL的分散液。
黑磷纳米片的制备例3
以铂片作为阳极和阴极，并在阴极铂片上固定块体黑磷(购于牧科纳米公司，纯度>99.999％)，两电极平行放置，固定距离为2cm；配制浓度为0.002mol/L的四丁基乙酸铵(CH3COO·TBA)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中作为电解液；在外加直流电压为20V的条件下电化学插层剥离28min，剥离获得黑磷纳米片分散液；
然后，将剥离获得的黑磷纳米片分散液于离心机中以1000r/min的转速离心5min后取出上清液，以去除厚层黑磷片；然后将上清液进一步浓缩，以3000r/min的转速离心5min将薄层黑磷纳米片聚集于离心管底部，去除上层溶液，获得黑磷纳米片浓度为1.4mg/mL的分散液。
黑磷纳米片的制备例4
以铂片作为阳极和阴极，并在阴极铂片上固定块体黑磷(购于牧科纳米公司，纯度>99.999％)，两电极平行放置，固定距离为2cm；配制浓度为0.002mol/L的四丁基乙酸铵(CH3COO·TBA)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中作为电解液；在外加直流电压为20V的条件下电化学插层剥离45min，剥离获得黑磷纳米片分散液；
然后，将剥离获得的黑磷纳米片分散液于离心机中以1000r/min的转速离心5min后取出上清液，以去除厚层黑磷片；然后将上清液进一步浓缩，以3000r/min的转速离心5min将薄层黑磷纳米片聚集于离心管底部，去除上层溶液，获得黑磷纳米片浓度为2.2mg/mL的分散液。
黑磷纳米片的制备例5
以铂片作为阳极和阴极，并在阴极铂片上固定块体黑磷(购于牧科纳米公司，纯度>99.999％)，两电极平行放置，固定距离为2cm；配制浓度为0.002mol/L的四丁基乙酸铵(CH3COO·TBA)溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中作为电解液；在外加直流电压为20V的条件下电化学插层剥离20min，剥离获得黑磷纳米片分散液；
然后，将剥离获得的黑磷纳米片分散液于离心机中以1000r/min的转速离心5min后取出上清液，以去除厚层黑磷片；然后将上清液进一步浓缩，以3000r/min的转速离心5min将薄层黑磷纳米片聚集于离心管底部，去除上层溶液，获得黑磷纳米片浓度为1.0mg/mL的分散液。
实施例1
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一个基底材料板(氧化层厚度为300nm SiO2/Si高掺杂P型硅基底)；
S2向所述基底材料板上转移二硒化铂膜层(购于深圳六碳科技有限公司)，在300sccm流量的氩气氛围下，320℃退火28min(一次退火)，得到基底材料板-二硒化铂膜层的结构；
S3将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构以二硒化铂膜层向上的状态置于截面积为半径为16mm的圆形的容器中，向所述容器中加入去离子水，然后将10μL黑磷纳米片分散液(黑磷纳米片的制备例1)滴加在去离子水表面，自组装成一张黑磷薄膜；将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构水平向上取出，使所述黑磷薄膜附着于所二硒化铂膜层上表面；
S3’重复步骤S3的步骤3次；
S4将得到的层状结构水平向上取出，使所述黑磷薄膜附着于所二硒化铂膜层上表面，在300sccm流量的氩气和100sccm流量的氢气氛围下，350℃退火80min(二次退火)，形成基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的结构；
S5选用无载物膜的400目方型透射电镜铜网微栅作为掩膜板，铜网的肋宽为23μm，方孔的边长为38μm，把铜网放置在所述基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的表面(黑磷膜层的表面)；然后利用真空热蒸发镀膜机(微纳真空VNANO，型号：VZZ300)先在基底上蒸镀一层铬(Cr，10nm)，然后蒸镀一层金(Au，70nm)，最后除掉掩膜板，得到半导体器件。
所述半导体器件的结构示意图如图1所示(图1为本申请提供的半导体器件的结构示意图)。如图1所示，本申请提供的半导体器件包括基底材料板100，设置在所述基底材料板100上层的二硒化铂膜层200，设置在二硒化铂膜层200上层的黑磷膜层300，以及设置在所述黑磷膜层300上表面的源电极400和漏电极500。
实施例2
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一个基底材料板(氧化层厚度为300nm SiO2/Si高掺杂P型硅基底)；
S2向所述基底材料板上转移二硒化铂膜层(购于深圳六碳科技有限公司)，在300sccm流量的氩气氛围下，350℃退火30min(一次退火)，得到基底材料板-二硒化铂膜层的结构；
S3将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构以二硒化铂膜层向上的状态置于截面积为半径为16mm的圆形的容器中，向所述容器中加入去离子水，然后将9μL黑磷纳米片分散液(黑磷纳米片的制备例1)滴加在去离子水表面，自组装成一张黑磷薄膜；将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构水平向上取出，使所述黑磷薄膜附着于所二硒化铂膜层上表面；
S3’重复步骤S3的步骤3次；
S4将得到的层状结构水平向上取出，使所述黑磷薄膜附着于所二硒化铂膜层上表面，在300sccm流量的氩气和100sccm流量的氢气氛围下，320℃退火85min(二次退火)，形成基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的结构；
S5选用无载物膜的400目方型透射电镜铜网微栅作为掩膜板，铜网的肋宽为23μm，方孔的边长为38μm，把铜网放置在所述基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的表面(黑磷膜层的表面)；然后利用真空热蒸发镀膜机(微纳真空VNANO，型号：VZZ300)先在基底上蒸镀一层铬(Cr，10nm)，然后蒸镀一层金(Au，70nm)，最后除掉掩膜板，得到半导体器件。
实施例3
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一个基底材料板(氧化层厚度为300nm SiO2/Si高掺杂P型硅基底)；
S2向所述基底材料板上转移二硒化铂膜层(购于深圳六碳科技有限公司)，在280sccm流量的氩气氛围下，300℃退火25min(一次退火)，得到基底材料板-二硒化铂膜层的结构；
S3将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构以二硒化铂膜层向上的状态置于截面积为半径为16mm的圆形的容器中，向所述容器中加入去离子水，然后将11μL黑磷纳米片分散液(黑磷纳米片的制备例1)滴加在去离子水表面，自组装成一张黑磷薄膜；将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构水平向上取出，使所述黑磷薄膜附着于所二硒化铂膜层上表面；
S3’重复步骤S3的步骤3次；
S4将得到的层状结构水平向上取出，使所述黑磷薄膜附着于所二硒化铂膜层上表面，在280sccm流量的氩气和90sccm流量的氢气氛围下，300℃退火90min(二次退火)，形成基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的结构；
S5选用无载物膜的400目方型透射电镜铜网微栅作为掩膜板，铜网的肋宽为23μm，方孔的边长为38μm，把铜网放置在所述基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的表面(黑磷膜层的表面)；然后利用真空热蒸发镀膜机(微纳真空VNANO，型号：VZZ300)先在基底上蒸镀一层铬(Cr，10nm)，然后蒸镀一层金(Au，70nm)，最后除掉掩膜板，得到半导体器件。
实施例4
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，与实施例1的区别仅在于步骤S3的黑磷纳米片分散液替换为黑磷纳米片的制备例2制备的黑磷纳米片分散液。
实施例5
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，与实施例1的区别仅在于步骤S3的黑磷纳米片分散液替换为黑磷纳米片的制备例3制备的黑磷纳米片分散液。
实施例6
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，与实施例1的区别仅在于步骤S3的黑磷纳米片分散液替换为黑磷纳米片的制备例4制备的黑磷纳米片分散液。
实施例7
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，与实施例1的区别仅在于步骤S3的黑磷纳米片分散液替换为黑磷纳米片的制备例5制备的黑磷纳米片分散液。
实施例8
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，与实施例1的区别仅在于步骤S3’为重复步骤S3的步骤4次。
实施例9
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，与实施例1的区别仅在于步骤S3’为重复步骤S3的步骤1次。
对比例1
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一个基底材料板(氧化层厚度为300nm SiO2/Si高掺杂P型硅基底)；
S2向所述基底材料板上转移二硒化铂膜层(购于深圳六碳科技有限公司)，在300sccm流量的氩气氛围下，320℃退火28min(一次退火)，得到基底材料板-二硒化铂膜层的结构；
S3选用无载物膜的400目方型透射电镜铜网微栅作为掩膜板，铜网的肋宽为23μm，方孔的边长为38μm，把铜网放置在所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构的表面(二硒化铂膜层的表面)；然后利用真空热蒸发镀膜机(微纳真空VNANO，型号：VZZ300)先在基底上蒸镀一层铬(Cr，10nm)，然后蒸镀一层金(Au，70nm)，最后除掉掩膜板，得到半导体器件。
对比例2
一种基于沟道材料的半导体器件的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一个基底材料板(氧化层厚度为300nm SiO2/Si高掺杂P型硅基底)；
S2将所述基底材料板水平置于截面积为半径为16mm的圆形的容器中，向所述容器中加入去离子水，然后将10μL黑磷纳米片分散液(黑磷纳米片的制备例1)滴加在去离子水表面，自组装成一张黑磷薄膜；
S4将所述基底材料板水平向上取出，使所述黑磷薄膜附着于所基底材料板上表面，在300sccm流量的氩气和110sccm流量的氢气氛围下，350℃退火80min(二次退火)，形成基底材料板-黑磷膜层的结构；
S5选用无载物膜的400目方型透射电镜铜网微栅作为掩膜板，铜网的肋宽为23μm，方孔的边长为38μm，把铜网放置在所述基底材料板-黑磷膜层的表面(黑磷膜层的表面)；然后利用真空热蒸发镀膜机(微纳真空VNANO，型号：VZZ300)先在基底上蒸镀一层铬(Cr，10nm)，然后蒸镀一层金(Au，70nm)，最后除掉掩膜板，得到半导体器件。
材料表征：
(1)拉曼光谱表征：测试仪器：英国雷尼绍公司的显微共焦激光拉曼光谱仪，型号是In via Reflex，测试条件：室温，激发光波长为514nm。分别对实施例1(黑磷/PtSe2复合膜)、对比例1(PtSe2膜)和对比例2(黑磷膜)进行了拉曼测试，图2给出了实施例1(黑磷/PtSe2复合膜)、对比例1(PtSe2膜)和对比例2(黑磷膜)的拉曼光谱。从图2可以看出，在PtSe2薄膜(对比例1)的拉曼光谱中，178cm-1和210cm-1的两个峰值分别对应于Eg和A1g的两个振动模；在黑磷薄膜(对比例2)的拉曼光谱中，362cm-1、439cm-1和466cm-1处的三个峰分别对应A1g、B2g和A2g振动模式，这与之前报道PtSe2和黑磷的研究一致；而PtSe2和黑磷的特征峰同时出现在黑磷/PtSe2复合膜(实施例1)的光谱中，表明PtSe2和黑磷薄膜在肖特基结形成后晶体结构保持不变。
(2)AFM原子力显微镜表征：测试仪器：布鲁克公司的原子力显微镜，型号为Dimension ICON，测试条件：室温。分别对实施例1(黑磷/PtSe2复合膜)、对比例1(PtSe2膜)和对比例2(黑磷膜)进行了AFM原子力显微镜表征。图3给出了实施例1(黑磷/PtSe2复合膜)的AFM原子力显微镜表征。从图3b可以看出，黑磷薄膜的厚度约为15nm，从图3c可以看出PtSe2薄膜的厚度约3nm。
(3)扫描开尔文探针力显微镜(KPFM)表征：测试仪器：布鲁克公司的表面电势显微镜，型号为Dimension ICON，测试条件：室温。
图4给出了实施例1(黑磷/PtSe2复合膜)的KPFM图。从图4可以看出，本申请提供的器件，在黑磷/PtSe2的界面形成了肖特基结并伴随能带的重排。
光电性能测试：
(1)将实施例1提供的半导体器件在带有温度控制单元的真空室探测站中利用KEITHLEY 2614B进行光电测试，测试光为单色激光源，测试波长为532nm、980nm、1550nm、1850nm和2200nm。
图5给出了实施例1提供的半导体器件在黑暗条件下、532nm可见光条件下和1850nm的短波红外光条件下的输出特性曲线。可以看出，本申请提供的半导体器件(BP/PtSe2肖特基结)在可见光和短波红外光照射下有明显的光电流产生。
图6给出了实施例1提供的半导体器件从可见光(532nm)到近红外光(2200nm)的宽波长范围内的光响应图像。可以看出，本申请提供的半导体器件能够在较宽的波长范围内产生信号，尤其是在近红外范围内具有可以捕捉的响应电流。
图7给出了实施例1提供的半导体器件在1850nm光照下的响应图像的放大图，从图7可以看出，本申请提供半导体器件的响应和衰减时间分别为40ms和19ms，响应的时间非常短。
图8给出了实施例1提供的半导体器件在1850nm光照下的光响应度(R)、光响应电流(Iph)与光功率密度的关系图。图9给出了实施例1提供的半导体器件在1850nm光照下的比探测率(D*)与光功率密度的关系图。从图8和图9可以看出在1.1mW/cm2的光功率下，最大响应度可以达到70A W-1，最大比探测率可以达到5.3×1012Jones，可以看出，本申请提供的半导体器件对短波红外范围具有高度敏感的探测能力。
(2)将实施例1～9和对比例1～2提供的半导体器件在测试源表(KEITHLEY2614B)和激光信号发生器(RIGOL DG1022)上，在偏置电压2V，波长1850nm条件下，测定加热条件下(300K～480K)的光响应电流，判断在该温度下是否存在光响应电流。图10给出了实施例1、对比例1和对比例2提供的半导体器件的在工作温升过程中的光响应电流和最高工作温度的测试结果。实施例和对比例提供的半导体器件的最高工作温度见表1。
从图10和表1可以看出，实施例提供的半导体器件最高工作温度在420～470K，对比例1提供的半导体器件的最高工作温度为340K，对比例2提供的半导体器件的最高工作温度为400K.
(2)将实施例1～9和对比例1～2提供的半导体器件在带有温度控制单元的真空室探测站中利用KEITHLEY 2614B进行光电测试，测试光为单色激光源，测试波长为1850nm。表1给出了实施例和对比例提供的半导体器件的光响应时间的响应和衰减时间，以及在1.1mW/cm2的光功率下的响应度。
表1
| 实例 | 响应时间，ms | 衰减时间，ms | 响应度，A/W | 最高工作温度，K |
| 实施例1 | 40 | 19 | 70 | 470 |
| 实施例2 | 41 | 19 | 55 | 450 |
| 实施例3 | 39 | 22 | 65 | 470 |
| 实施例4 | 38 | 23 | 68 | 470 |
| 实施例5 | 43 | 18 | 58 | 450 |
| 实施例6 | 36 | 27 | 60 | 420 |
| 实施例7 | 43 | 28 | 54 | 420 |
| 实施例8 | 38 | 20 | 60 | 470 |
| 实施例9 | 47 | 36 | 23 | 410 |
| 对比例1 | 60 | 53 | 1.2 | 340 |
| 对比例2 | 42 | 50 | 11 | 400 |
从表1可以看出，本申请提供的半导体器件，在近红外区间具有响应，且能够在高温470K下工作，适合于近红外高温的工作环境。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (19)
1.一种基于沟道材料的半导体器件，其特征在于，包括基底层、设置在所述基底层上的二硒化铂层，设置在所述二硒化铂层远离所述基底层一侧的黑磷膜层，形成由黑磷薄膜和二硒化铂膜层组成的沟道材料，以及设置在所述黑磷膜层远离所述二硒化铂层一侧的电极层；
所述基底层为电导率＜10-8 s/cm的刚性材料层；
所述电极层为金属铬、金属镍、金属金、金属钯中的任意一种或至少两种的组合；
所述二硒化铂层为具有半金属性质的二硒化铂材料层；所述二硒化铂层为1T相二硒化铂层；
二硒化铂和黑磷膜层形成肖特基结；
所述半导体器件，在近红外区间具有响应，且能够在高温470K下工作。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述二硒化铂层厚度为3~5nm，所述黑磷膜层厚度为15~18nm。
3.根据权利要求1所述的半导体器件半导体器件，其特征在于，所述电极层为金层以及附着在所述金层之上的铬层。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述基底层材料包括二氧化硅/硅材料层、云母层、聚酰亚胺层中的任意一种或至少两种的组合。
5.一种如权利要求1~4之一所述的基于沟道材料的半导体器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1 提供一个基底材料板；
S2 向所述基底材料板上转移二硒化铂膜层，一次退火，得到基底材料板-二硒化铂膜层的结构；
S3 将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构以二硒化铂膜层向上的状态置于去离子水中，然后将黑磷纳米片分散液滴加在去离子水表面，自组装成一张黑磷薄膜；然后将所述基底材料板-二硒化铂膜层的结构水平向上取出，使所述黑磷薄膜附着于所二硒化铂膜层上表面；所述黑磷纳米片分散液中，黑磷纳米片的浓度为1.4~1.9 mg/mL；
S4 将步骤S3的层状结构进行二次退火，形成基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的结构；
S5 在所述基底材料板-二硒化铂膜层-黑磷膜层的结构的黑磷膜层的表面形成电极层。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S3和S4之间进行步骤S3’重复步骤S3步骤n次，直至黑磷膜层的厚度为15~18nm；所述n≥2。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2所述二硒化铂膜层厚度为3~5nm。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述一次退火的条件为在280~300 sccm流量的氩气氛围下，300~350℃退火25~30min。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述二次退火的条件为在280~300 sccm流量的氩气和90~110 sccm流量的氢气氛围下，300~350℃退火80~90min。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述黑磷纳米片分散液通过将块体黑磷进行插层电离获得。
11.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述插层电离的插层剂为四丁基乙酸铵，所述插层电离的电压为20~25V，插层电离时间为28~40min。
12.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S3所述“将黑磷纳米片分散液滴加在去离子水表面”的黑磷纳米片分散液的滴加量为1.1~1.4 μL/cm2。
13.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述基底材料板为二氧化硅/硅材料。
14.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电极层的形成方式包括热蒸发法或磁控溅射；所述电极层的图案化方式包括电子束光刻法或物理掩模版法。
15.一种如权利要求1~4之一所述的基于沟道材料的半导体器件的用途，其特征在于，所述基于沟道材料的半导体器件用于光电探测器。
16.如权利要求15所述的用途，其特征在于，所述基于沟道材料的半导体器件用于短波红外光探测器。
17.如权利要求15所述的用途，其特征在于，所述基于沟道材料的半导体器件用于在非制冷条件下，最高工作温度不超过270℃的短波红外光探测器。
18.如权利要求15所述的用途，其特征在于，所述半导体器件用于红外制导导弹、红外夜视、火灾安全成像或空间探测传感中的任意一种。
19.一种短波红外光探测器，其特征在于，所述短波红外光探测器的基础元件为如权利要求1~4之一所述的基于沟道材料的半导体器件。
Priority Applications (1)
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| 二硒化铂材料制备及其在光电探测器件中的应用;周凯;《中国硕士学位论文电子期刊》(第8期);正文第1-49页 * |
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