CN115832108A - 一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法，包括衬底、第一金属电极、PdSe₂/WSe₂二维范德华异质结、石墨烯层、第二金属电极；所述的衬底为SiO₂/Si衬底；所述的PdSe₂/WSe₂二维范德华异质结包括PdSe₂层、WSe₂层；所述的PdSe₂层底面设于衬底顶面上；所述的WSe₂层底面设有台阶，所述的WSe₂层底面分别设于衬底顶面、PdSe₂层顶面上；所述的石墨烯层底面设有台阶，所述的石墨烯层底面分别设于衬底顶面、WSe₂层顶面上；所述的第一金属电极底面设于PdSe₂层顶面上，所述的第一金属电极与WSe₂层不接触；所述的第二金属电极底面设于石墨烯层顶面上。本发明成本低廉、工艺简单，通过范德华异质结和栅极调控，有效地抑制了暗电流，大大提高了光灵敏度和响应速度。

Description

一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法

技术领域

本发明涉及光电探测器技术领域，具体为一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法。

背景技术

光电探测器已广泛应用于军用和民用领域，如光通信、光纤传感、光电成像、射线测量和工业自动控制等，此外，与传统的薄膜光电探测器相比，基于二维材料的光电探测器具有更优异的性能，具有更广阔的应用前景。

随着光电探测器件的发展，需要不断提高探测精度和深化探测维度，偏振光电探测器件可探测光的强度和波长，可实现对光偏振方向的响应，并可显著提升成像效果和对物体的探测能力，随着集成电路的发展，小型化、集成化和低功耗设计已成为偏振探测的重要方向；最近，具有面内低对称性和强的极化敏感性的二维材料，例如黑磷，黑砷等，被人们广泛应用于偏振探测器中，越来越多的二维偏振探测器被科学家关注与研究；此外，二维层状半导体晶体通过层间弱范德华力结合，而无需考虑晶格失配，因此，基于各向异性二维材料的结构偏振敏感光电探测器将在未来的复杂环境中显示出更精确地识别目标的巨大潜力，利用二维材料的本征结构各向异性来构筑偏振探测器件，有望解决传统偏振光电探测系统体积大、结构复杂等问题，在实现器件小型化、集成化等方面具有独优势。

硒化钯(PdSe₂)是一种新兴的材料，由于其不对称的五边形晶格结构而具有强大的面内各向异性，但是PdSe₂基偏振光电探测器的低响应度和响应速度慢等问题阻碍了其的进一步应用，因此开发一种成本低廉、工艺简单且具有高响应度和快速响应的PdSe₂硒化钯光电探测器的制备方法，是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于改进PdSe₂基偏振光电探测器的低响应度和响应速度慢等问题，提供一种成本低廉、工艺简单的基于PdSe₂光电晶体管及其异质结构，并通过范德华异质结和栅极调控，有效地抑制了暗电流，提高光灵敏度和响应速度的栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法，包括衬底、第一金属电极、PdSe₂/WSe₂二维范德华异质结、石墨烯层、第二金属电极；所述的衬底为SiO₂/Si衬底；所述的PdSe₂/WSe₂二维范德华异质结包括PdSe₂层、WSe₂层；所述的PdSe₂层底面设于衬底顶面上；所述的WSe₂层底面设有台阶，所述的WSe₂层底面分别设于衬底顶面、PdSe₂层顶面上；所述的石墨烯层底面设有台阶，所述的石墨烯层底面分别设于衬底顶面、WSe₂层顶面上；所述的第一金属电极底面设于PdSe₂层顶面上，所述的第一金属电极与WSe₂层不接触；所述的第二金属电极底面设于石墨烯层顶面上；所述的第一金属电极与第二金属电极之间形成具有垂直方向内置电场的PdSe₂/WSe₂ PN结，其中，所述的石墨烯层与WSe₂层之间形成高低台阶、所述的WSe₂层与PdSe₂层形成高低台阶。

本方案构筑的范德华异质结结构，利用异质结内置电场对各向异性半导体材料，即PdSe₂进行调控，器件结构为金属电极-PdSe₂/WSe₂-石墨烯-金属电极，该器件在栅极为36.5V时，响应度可达3.8A/W，比探测率为5.6×10¹²Jones；本方案的PdSe₂/WSe₂-石墨烯器件中，通过将石墨烯、PdSe₂以及WSe₂材料结合，构成异质结光探测器，入射光可以很容易地穿透石墨烯薄膜，到达异质结，激发的电子-空穴对被内置电场分离，从而实现较高的光响应度和较快的响应速度；此外，由于PdSe₂材料的各向异性，器件可以实现偏振敏感光探测，对器件的集成化具有重大意义。

作为本发明优选的方案，包括如下制作步骤：

步骤一：将SiO₂/Si衬底放置于丙酮溶液、乙醇溶液以及去离子水中依次进行超声清洗并烘干，在转移材料前进行表面等离子处理；

步骤二：将PdSe₂的块体单晶置于胶带上，进行反复粘贴从而剥离该块体材料，使其变为层状材料；

步骤三：在透明胶带表面附有的层状PdSe₂材料表面采用电子束蒸发沉积一层厚度为50～150nm的金膜，使用热释放胶带将层状PdSe₂材料及金膜从透明胶带上剥离下来，按压至洁净的SiO₂/Si衬底上，100～150℃下加热，热释放胶带失去粘性后移除，SiO₂/Si衬底由下及上留下层状PdSe₂材料及金膜，将SiO₂/Si衬底放入KI/I₂溶液2～3min，对表面的金膜进行充分刻蚀后，用去离子水冲洗衬底，用N₂枪吹干后，通过光学显微镜选择厚度均匀、表面洁净的层状PdSe₂材料；

步骤四：将WSe₂块体单晶置于透明胶带上，进行反复粘贴从而剥离该块体材料，使其变为层状WSe₂材料，将具有自吸附粘性的聚二甲基硅氧烷裁剪成长宽为0.5～1cm大小的承载片，按压在透明胶带的层状WSe₂材料上，保持1～2min，轻轻揭起，将有材料面朝上，粘附在透明载玻片上，通过光学显微镜，选择厚度均匀、表面洁净的层状WSe₂材料；

步骤五：将透明载玻片固定在转移平台上，将层状WSe₂材料与步骤三中获得的SiO₂/Si衬底上的层状PdSe₂材料对应接触，下降转移平台悬臂高度使聚二甲基硅氧烷承载片与SiO₂/Si衬底充分接触按压，保持3～5min，慢慢升起透明载玻片，将聚二甲基硅氧烷承载片与SiO₂/Si衬底分开，制得PdSe₂/WSe₂异质结构；

步骤六：采用同步骤四一样的方法，对石墨烯进行剥离并转移至层状WSe₂材料上，用N₂枪吹干，并在加热台上120℃加热5～10min制得PdSe₂/WSe₂/石墨烯结构；

步骤七：在层状PdSe₂和石墨烯材料上分别光刻蒸镀金属电极，把有异质结构的SiO₂/Si衬底旋涂上光刻胶，进行紫外光刻出电极图案，并用电子束热蒸发蒸镀金属电极作为源漏电极，以Si层为底栅电极，用丙酮去除多余光刻胶和金属，用N₂枪吹干后得到带有电极的光电器件。

本方案制备PdSe₂/WSe₂-石墨烯器件主要过程是在室温下无水环境转移过程来完成，结构简单、制备工艺简便，有望大幅降低制备成本，显示了其在未来低成本、稳定和高效偏振光探测应用方面的巨大潜力。

作为本发明优选的方案，所述的衬底厚度为250-300nm，所述的第一金属电极、第二金属电极厚度为50～100nm，所述的PdSe₂层的厚度为10～30nm，所述的WSe₂层的厚度为20～60nm，所述的石墨烯层的厚度为1～10nm。

作为本发明优选的方案，所述的第一金属电极、第二金属电极材料为金。

作为本发明优选的方案，所述的第一金属电极、第二金属电极材料为钛/金或铬/金或镍/金，其中，钛/金中钛厚度为5～15nm、金厚度为50～80nm，铬/金中铬厚度为5～15nm、金厚度为50～80nm，镍/金中镍厚度为5～15nm，金厚度为50～80nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：成本低廉、工艺简单，通过范德华异质结和栅极调控，有效地抑制了暗电流，大大提高了光灵敏度和响应速度。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图。

图2为本发明制得的偏振光电探测器的光学显微镜图。

图3为本发明制得的偏振光电探测器在405nm激光照射下的转移曲线图像。

图4为本发明制得的偏振光电探测器在405nm的偏振光下提取并拟合的归一化的角分辨光电流极坐标图。

图5为本发明制得的偏振光电探测器的单个开/关循环的放大图。

图中：1-衬底 2-第一金属电极 3-石墨烯层 4-第二金属电极5-PdSe₂层6-WSe₂层。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述,给出了本发明的若干实施例,但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例,相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件,当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件,本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术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例的目的，不是旨在于限制本发明,本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1-图5，本发明提供一种技术方案：

一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法，包括衬底1、第一金属电极2、PdSe₂/WSe₂二维范德华异质结、石墨烯层3、第二金属电极4；衬底1为SiO₂/Si衬底；PdSe₂/WSe₂二维范德华异质结包括PdSe₂层5、WSe₂层6；PdSe₂层5底面设于衬底1顶面上；WSe₂层6底面设有台阶，WSe₂层6底面分别设于衬底1顶面、PdSe₂层5顶面上；石墨烯层3底面设有台阶，石墨烯层3底面分别设于衬底1顶面、WSe₂层6顶面上；第一金属电极2底面设于PdSe₂层5顶面上，第一金属电极2与WSe₂层6不接触；第二金属电极4底面设于石墨烯层3顶面上；第一金属电极2与第二金属电极4之间形成具有垂直方向内置电场的PdSe₂/WSe₂ PN结，其中，石墨烯层3与WSe₂层6之间形成高低台阶、WSe₂层6与PdSe₂层5之间形成高低台阶。

衬底1厚度为250-300nm，第一金属电极2、第二金属电极4厚度为50～100nm，PdSe₂层5的厚度为10～30nm，WSe₂层6的厚度为20～60nm，石墨烯层3的厚度为1～10nm。

第一金属电极2、第二金属电极4材料为金；或者，第一金属电极2、第二金属电极4材料为钛/金或铬/金或镍/金，其中，钛/金中钛厚度为5～15nm、金厚度为50～80nm，铬/金中铬厚度为5～15nm、金厚度为50～80nm，镍/金中镍厚度为5～15nm，金厚度为50～80nm。

具体使用过程是：包括如下制作步骤：

步骤一：将SiO₂/Si衬底放置于丙酮溶液、乙醇溶液以及去离子水中依次进行超声清洗并烘干，在转移材料前进行表面等离子处理；

步骤二：将PdSe₂的块体单晶置于胶带上，进行反复粘贴从而剥离该块体材料，使其变为层状材料；

步骤三：在透明胶带表面附有的层状PdSe₂材料表面采用电子束蒸发沉积一层厚度为50～150nm的金膜，使用热释放胶带将层状PdSe₂材料及金膜从透明胶带上剥离下来，按压至洁净的SiO₂/Si衬底上，100～150℃下加热，热释放胶带失去粘性后移除，SiO₂/Si衬底由下及上留下层状PdSe₂材料及金膜，将SiO₂/Si衬底放入KI/I₂溶液2～3min，对表面的金膜进行充分刻蚀后，用去离子水冲洗衬底，用N₂枪吹干后，通过光学显微镜选择厚度均匀、表面洁净的层状PdSe₂材料；

步骤四：将WSe₂块体单晶置于透明胶带上，进行反复粘贴从而剥离该块体材料，使其变为层状WSe₂材料，将具有自吸附粘性的聚二甲基硅氧烷裁剪成长宽为0.5～1cm大小的承载片，按压在透明胶带的层状WSe₂材料上，保持1～2min，轻轻揭起，将有材料面朝上，粘附在透明载玻片上，通过光学显微镜，选择厚度均匀、表面洁净的层状WSe₂材料；

步骤五：将透明载玻片固定在转移平台上，将层状WSe₂材料与步骤三中获得的SiO₂/Si衬底上的层状PdSe₂材料对应接触，下降转移平台悬臂高度使聚二甲基硅氧烷承载片与SiO₂/Si衬底充分接触按压，保持3～5min，慢慢升起透明载玻片，将聚二甲基硅氧烷承载片与SiO₂/Si衬底分开，制得PdSe₂/WSe₂异质结构；

步骤六：采用同步骤四一样的方法，对石墨烯进行剥离并转移至层状WSe₂材料上，用N₂枪吹干，并在加热台上120℃加热5～10min制得PdSe₂/WSe₂/石墨烯结构；

步骤七：在层状PdSe₂和石墨烯材料上分别光刻蒸镀金属电极，把有异质结构的SiO₂/Si衬底旋涂上光刻胶，进行紫外光刻出电极图案，并用电子束热蒸发蒸镀金属电极作为源漏电极，以Si层为底栅电极，用丙酮去除多余光刻胶和金属，用N₂枪吹干后得到带有电极的光电器件，即栅极可调高灵敏偏振探测器。

对所制得的光电器件进行如下观察测试：

图2所示是对光电器件进行观察得到的光学显微图，在这个基于二维范德华异质结的器件中，PdSe₂、WSe₂、石墨烯形成器件沟道，两个电极形成源极和漏极，p型Si衬底用作控制栅极，由图2中可看出异质结构的堆叠区域并没有观察到明显的气泡，表明高度耦合的PdSe₂、WSe₂、石墨烯间具有良好的界面质量，实现了超洁净的组装；

图3是对光电器件在405nm激光照射下的转移曲线图像，由图3中可知，可以通过栅极偏置连续调控光电流，当栅极电压为36.5V时，实现了超低暗电流约为10^-13A，与暗电流相比，在激光照射下，器件表现出几个数量级的电流增加，黑暗和光照小开关比约为10³；

图4显示的是光电器件在405nm的偏振光下提取并拟合的归一化的角分辨光电流极坐标图，由于PdSe₂晶格不对称性赋予PdSe₂/WSe₂异质结二维面内各向异性电学性质，计算得到探测器二向色比为1.8，与现有的一些各向异性2D材料相比都非常具有竞争力；

图5是光电器件的器件单个开/关循环的放大图，上升和衰减时间分别为≈56/28ms；

通过以上观察测试可以证明，本方案的光电器件的是利用新型结构制备的栅极可调高灵敏偏振探测器，是一种具有高响应度、快速响应的偏振敏感光电探测器。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法，其特征在于：包括衬底、第一金属电极、PdSe₂/WSe₂二维范德华异质结、石墨烯层、第二金属电极；

所述的衬底为SiO₂/Si衬底；

所述的PdSe₂/WSe₂二维范德华异质结包括PdSe₂层、WSe₂层；所述的PdSe₂层底面设于衬底顶面上；所述的WSe₂层底面设有台阶，所述的WSe₂层底面分别设于衬底顶面、PdSe₂层顶面上；

所述的石墨烯层底面设有台阶，所述的石墨烯层底面分别设于衬底顶面、WSe₂层顶面上；

所述的第一金属电极底面设于PdSe₂层顶面上，所述的第一金属电极与WSe₂层不接触；

所述的第二金属电极底面设于石墨烯层顶面上；

所述的第一金属电极与第二金属电极之间形成具有垂直方向内置电场的PdSe₂/WSe₂PN结，其中，所述的石墨烯层与WSe₂层之间形成高低台阶、所述的WSe₂层与PdSe₂层形成高低台阶。

2.根据权利要求1所述的一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法，其特征在于：包括如下制作步骤：

步骤一：将SiO₂/Si衬底放置于丙酮溶液、乙醇溶液以及去离子水中依次进行超声清洗并烘干，在转移材料前进行表面等离子处理；

步骤二：将PdSe₂的块体单晶置于胶带上，进行反复粘贴从而剥离该块体材料，使其变为层状材料；

步骤三：在透明胶带表面附有的层状PdSe₂材料表面采用电子束蒸发沉积一层厚度为50～150nm的金膜，使用热释放胶带将层状PdSe₂材料及金膜从透明胶带上剥离下来，按压至洁净的SiO₂/Si衬底上，100～150℃下加热，热释放胶带失去粘性后移除，SiO₂/Si衬底由下及上留下层状PdSe₂材料及金膜，将SiO₂/Si衬底放入KI/I₂溶液2～3min，对表面的金膜进行充分刻蚀后，用去离子水冲洗衬底，用N₂枪吹干后，通过光学显微镜选择厚度均匀、表面洁净的层状PdSe₂材料；

步骤四：将WSe₂块体单晶置于透明胶带上，进行反复粘贴从而剥离该块体材料，使其变为层状WSe₂材料，将具有自吸附粘性的聚二甲基硅氧烷裁剪成长宽为0.5～1cm大小的承载片，按压在透明胶带的层状WSe₂材料上，保持1～2min，轻轻揭起，将有材料面朝上，粘附在透明载玻片上，通过光学显微镜，选择厚度均匀、表面洁净的层状WSe₂材料；

步骤五：将透明载玻片固定在转移平台上，将层状WSe₂材料与步骤三中获得的SiO₂/Si衬底上的层状PdSe₂材料对应接触，下降转移平台悬臂高度使聚二甲基硅氧烷承载片与SiO₂/Si衬底充分接触按压，保持3～5min，慢慢升起透明载玻片，将聚二甲基硅氧烷承载片与SiO₂/Si衬底分开，制得PdSe₂/WSe₂异质结构；

步骤六：采用同步骤四一样的方法，对石墨烯进行剥离并转移至层状WSe₂材料上，用N₂枪吹干，并在加热台上120℃加热5～10min制得PdSe₂/WSe₂/石墨烯结构；

步骤七：在层状PdSe₂和石墨烯材料上分别光刻蒸镀金属电极，把有异质结构的SiO₂/Si衬底旋涂上光刻胶，进行紫外光刻出电极图案，并用电子束热蒸发蒸镀金属电极作为源漏电极，以Si层为底栅电极，用丙酮去除多余光刻胶和金属，用N₂枪吹干后得到带有电极的光电器件。

3.根据权利要求1所述的一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法，其特征在于：所述的衬底厚度为250-300nm，所述的第一金属电极、第二金属电极厚度为50～100nm，所述的PdSe₂层的厚度为10～30nm，所述的WSe₂层的厚度为20～60nm，所述的石墨烯层的厚度为1～10nm。

4.根据权利要求1或3所述的一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法，其特征在于：所述的第一金属电极、第二金属电极材料为金。

5.根据权利要求1或3所述的一种栅极可调高灵敏偏振探测器的制备方法，其特征在于：所述的第一金属电极、第二金属电极材料为钛/金或铬/金或镍/金，其中，钛/金中钛厚度为5～15nm、金厚度为50～80nm，铬/金中铬厚度为5～15nm、金厚度为50～80nm，镍/金中镍厚度为5～15nm，金厚度为50～80nm。

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