CN116130529B - 一种具有宽频光电响应的探测器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽频光电响应的探测器件及其制备方法，将机械剥离的具有高迁移率的铊镍硒纳米片为基本结构单元转移到本征高阻硅和二氧化硅衬底上，然后利用紫外光刻技术和电子束蒸发技术制作源、漏电极，通过超声引线键合等工艺制备出高灵敏超宽带探测的铊镍硒光电探测器。本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件及其制备方法是基于铊镍硒纳米片的光电探测器，具有高响应率、可见到中波红外的宽谱光电探测、空气稳定性高、集成度高、工艺成熟及可重复等优点。

Description

一种具有宽频光电响应的探测器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光电探测器，具体涉及一种具有宽频光电响应的探测器件及其制备方法。

背景技术

现有技术中，已有的各种半导体光电探测器件，由于受到自身半导体带隙宽度的限制，只能用于单波段的光电探测，一般存在响应范围比较窄的问题和不足，如紫外光波段、可见光波段、近红外波段和中红外波段，使器件的适用范围减小。近年来，具有宽谱带响应的光电探测器件的研制受到了国内外众多研究人员的广泛关注，主要原因为：通过对不同波段光的响应分析及对比，可以有效避免外在条件的信号干扰，大幅提高器件光信号传播和接收的准确性。

随着光电探测器应用范围的逐步扩大，对高性能光电探测器的需求，特别是对覆盖多波段响应的超宽带光电探测器的需求日益增加。迄今为止，基于硅、碲镉汞和铟镓砷等材料的光电探测器在实际应用中占据了主要市场。然而，这些化合物具有毒性，合成难度大，且受低温的工作温度的限制。并且这些传统半导体与衬底之间的晶格不匹配问题进一步阻碍了它们在便携、可集成和柔性器件中的应用。

近年来，具有片层结构的二维半导体材料已成为传统半导体材料的替代品或补充。基于二维材料的光电探测器因其原子级薄的厚度、连续可调谐的带隙、优异的力学性能和光电性能得到了迅速的发展。自从石墨烯被发现以来，越来越多的二维材料例如二硫化钼、过渡金属二卤化物、黑磷等被广泛地应用于光电探测，由于其显著的电学、光学和热性能优势，在光电器件、光催化、能源和其他领域方面具有广泛的应用前景，引起了人们密切的关注。二维层状材料可以在整个电磁光谱中设计柔性光电纳米器件，已广泛应用于光电探测器，在性能、响应率等方面有了很大的突破。然而，基于二维材料的探测器具有带隙大、光吸收弱、载流子寿命短等问题，因此迫切需要高响应、稳定、窄带隙的超宽带光活性材料，以实现广泛的宽带、低功耗和高性能探测器。

铊镍硒是近年来备受关注的三元硫属化合物之一，但其研究却出奇的少。铊镍硒是一种由弱范德华相互作用叠加而成的层状化合物，在体态下表现出0.36 eV窄带隙的直接带隙结构。不同于过渡金属二卤族化合物，当扩展到单层时，铊镍硒不会经历从直接带隙结构到间接带隙结构的转变，保持了直接带隙特性。这一特性使铊镍硒具有高的载流子密度和良好的光吸收效率，是一种有前途的电子和光电子器件的候选材料。然而，薄层的二维材料表现出非常低效的光子捕获，这阻碍了高性能光电器件的应用，特别是难以实现高响应和低能耗的器件。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明的第一个目的是提供一种具有宽频光电响应的半金属铊镍硒材料复合结构的探测器件。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种具有宽频光电响应的探测器件，其特征在于：所述探测器自下而上设置有：电绝缘基底、铊镍硒纳米片和金属源、漏电极，铊镍硒纳米片上端的两侧是金属源、漏电极层，铊镍硒纳米片作为光敏元件，金属源、漏电极层与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路，

所述电绝缘基底包括本征高阻硅衬底及其上覆盖的二氧化硅层，所述本征高阻硅衬底的电阻率为10000 Ω·cm，厚度为300 μm；所述二氧化硅层覆盖在本征高阻硅衬底上，厚度为300 nm，

所述铊镍硒纳米片为机械剥离的单分子层，厚度为10 nm，

所述金属源、漏电极为金属复合电极，通过紫外光刻技术和电子束蒸发技术制作，下层为源、漏铬电极用作粘附层，厚度为5nm，上层金属为源、漏金电极，厚度为70 nm，

所述引线电极厚度为200~400 nm。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述的金属源、漏电极层整体尺寸为220 μm×140 μm。

作为本发明的优选技术方案：所述铊镍硒纳米片在一侧上端设置石墨烯层，石墨烯层与铊镍硒纳米片通过片层间范德华力粘合。

作为本发明的优选技术方案：所述石墨烯层厚度为2 nm。

作为本发明的优选技术方案：所述二氧化硅层在一侧上端设置所述铊镍硒纳米片，另一侧上端设置硒化铋层，其中，硒化铋层与铊镍硒纳米片搭建异质结结构。

作为本发明的优选技术方案：硒化铋层的厚度为40 nm。

本发明的第二个目的是提供一种具有宽频光电响应的探测器件的制备方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种具有宽频光电响应的探测器件的制备方法，包括以下步骤：

S1，使用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水将覆盖高阻硅衬底和二氧化硅层的衬底进行表面超声清洗，通过精密切割技术将衬底切成1 cm×1 cm的样品；

S2，通过转移平台微区定位方法，使用蓝胶胶带将沉积生长的铊镍硒纳米片进行机械剥离，利用干法转移技术转移到S1生成的电绝缘基底上，进行编号定位标记；

S3，使用热板烘烤以及匀胶机匀胶涂覆，使光刻胶AZ5214均匀附着在S1制备的衬底和铊镍硒纳米片上；

S4，结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及传统剥离工艺制备与铊镍硒纳米片接触的金属源、漏电极层，形成良好的接触；

S5，最后，采用标准的半导体封装技术，把器件贴到PCB底座上，引线，简单封装完成复合结构的探测器件的制备。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案，还包括以下步骤：

在步骤S2基础上，将机械剥离的石墨烯层转移到铊镍硒纳米片的一侧的上端，与铊镍硒纳米片接触形成结区。

作为本发明的优选技术方案：还包括以下步骤：

将机械剥离的硒化铋层转移到二氧化硅层上，并与另一侧的铊镍硒纳米片接触形成异质结。

与现有技术相比，本发明所提供的一种具有宽频光电响应的探测器件及其制备方法，利用载流子迁移率高且能带可调的铊镍硒材料作为光敏导电沟道，当铊镍硒薄片缩小到单分子层时不会发生从直接带隙结构到间接带隙结构的转变，保持了0.36 eV的直接带隙特性，铊镍硒对称结构器件可以在室温下实现从可见光到中波红外的快速宽波段探测；利用金属与铊镍硒纳米片接触处的显著光伏效应，通过一组铊镍硒-石墨烯范德华接触和金属-铊镍硒肖特基接触组成的非对称性接触器件，打破了对称器件的金属-铊镍硒之间内建电场的镜像对称性，使得器件镜像电流无法相互抵消而对外产生了大的净光电流，实现了室温下器件的高响应光电探测；利用铊镍硒材料和表面为金属态的硒化铋材料搭建范德华异质结构，使得电子迁移率变大，缓解了原子薄二维材料的缺点。通过垂直堆叠结构，在实现上述非对称性接触的同时，实现了势垒的非对称，大的电势差进一步增加净的光电流，提高了器件的性能。

附图说明

图1为本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件实施例1铊镍硒对称结构光电探测器的前侧示意图；

图2为本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件实施例2铊镍硒非对称结构光电探测器的前侧示意图；

图3为本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件实施例3铊镍硒和硒化铋异质结结构光电探测器的前侧示意图；

图4为本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件实施例1铊镍硒对称结构光电探测器在1 V偏置电压下，对可见光638 nm，近红外1550 nm和中波红外4600 nm的响应波形图；

图5为本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件实施例2铊镍硒非对称结构光电探测器在1 V偏置电压下，对可见光638 nm，近红外1550 nm和中波红外4600 nm的响应波形图；

图6为本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件实施例3铊镍硒和硒化铋异质结结构光电探测器在1 V偏置电压下，对可见光638 nm， 近红外1550 nm和中波红外4600nm的响应波形图；

图7为本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件实施例2铊镍硒和石墨烯非对称结构光电探测器在没有任何偏置电压下，在可见光638 nm激光扫描二维光敏面时所产生的非对称性光电流分布图；

图8为与本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件实施例1对比的纯材料铊镍硒对称性结构光电探测器在没有任何偏置电压下，在可见光638 nm激光扫描二维光敏面时所产生的对称性光电流分布图；

图9为本发明铊镍硒光电探测器、铊镍硒非对称性结构光电探测器以及铊镍硒和硒化铋异质结结构光电探测器在近红外1550nm的响应率对比图；

附图中，二氧化硅层1，铊镍硒纳米片2，本征高阻硅衬底3，源、漏铬电极4，源、漏金电极5，引线电极6，石墨烯层7，硒化铋层8。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式进行详述，以便发明技术方案易于理解、掌握。

本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件，自下而上设置有：电绝缘基底、铊镍硒纳米片和金属源、漏电极，铊镍硒纳米片上端的两侧是金属源、漏电极层，铊镍硒纳米片作为光敏元件，金属源、漏电极层与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路。在本征高阻硅衬底3上的是二氧化硅层2，在二氧化硅层2上的是铊镍硒纳米片1，在铊镍硒纳米片1两端是金属源、漏电极层，金属源、漏电极层包括源、漏铬电极4和源、漏金电极5，最后，源、漏电极与相应的引线电极6相连用于连接电路。

所述本征高阻硅衬底3是本征高阻硅，其电阻率为10000 Ω·cm，厚度为300 μm；覆盖其上的是二氧化硅层2，厚度为300 nm；

所述的铊镍硒纳米片1为薄层材料，厚度为10 nm；

所述的源、漏电极层为金属复合电极，整体大小为220 μm×140 μm，下层金属为源、漏铬电极4，作为粘附层，厚度是5 nm，上层金属为源、漏金电极5，厚度是70 nm；相应的引线电极6，厚度为200~400 nm；

本发明的上述目的，是通过以下技术方案制作完成的。

（1）首先使用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水将覆盖二氧化硅的硅衬底进行表面超声清洗，通过精密切割技术将衬底切成1 cm×1 cm的样品；

（2）通过转移平台微区定位方法，使用蓝胶胶带将沉积生长的铊镍硒进行机械剥离，利用干法转移技术转移到上述衬底上，进行编号定位标记；

（3）使用热板烘烤以及匀胶机匀胶涂覆，使光刻胶AZ5214均匀附着在上述衬底和铊镍硒材料上；

（4）结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及传统剥离工艺制备与铊镍硒接触的源、漏电极，形成良好的接触；

（5）最后，采用标准的半导体封装技术，把器件贴到PCB底座上，引线，简单封装完成制备复合结构的探测器件。

本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件及其制备方法，是一种具有宽频光电响应的半金属铊镍硒材料复合结构的探测器件，制备方法包括如下步骤，将机械剥离的具有高迁移率的铊镍硒纳米片为基本结构单元转移到本征高阻硅衬底3和二氧化硅层2衬底上，然后利用紫外光刻技术和电子束蒸发技术制作金属源、漏电极层，通过超声引线等工艺制备出高灵敏超宽带探测的铊镍硒光电探测器。本发明中，利用具有铊镍硒-石墨烯范德华接触与金属-铊镍硒肖特基接触组成非对称结构的探测器来打破器件的镜像电流。此外，通过引入拓扑绝缘体硒化铋与铊镍硒搭建异质结结构进行调控，在实现上述非对称性接触的同时，实现了势垒的非对称，大的电势差进一步增加净的光电流，提升器件的性能。本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件利用铊镍硒纳米片的光电探测器具有高响应率、可见到中波红外光电探测、空气稳定性、集成度高、工艺成熟及可重复性等优点，在通信、光电子等领域具备应用前景，为实现室温下宽带且多功能性的光电探测研究奠定器件与理论基础。

具体制备和测试流程如下：

步骤1 首先使用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水将覆盖二氧化硅的硅衬底进行表面超声清洗，通过精密切割技术将衬底切成长宽为1 cm×1 cm的样品；

步骤2 通过转移平台微区定位方法，使用蓝胶胶带将沉积生长的铊镍硒纳米片进行机械剥离，利用干法转移技术转移到上述衬底上，进行编号定位标记；

步骤3 转移所得到的铊镍硒纳米片，利用拉曼光谱对铊镍硒的物理特性进行了表征。利用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对铊镍硒样品微观形貌进行表征。

步骤4 使用热板烘烤以及匀胶机匀胶涂覆，使光刻胶AZ5214均匀附着在上述衬底和铊镍硒纳米片材料上；

步骤5 结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及传统剥离工艺制备与铊镍硒纳米片接触的金属源、漏电极层；

步骤6 最后，采用标准的半导体封装技术，把器件贴到PCB底座上，引线，简单封装完成制备集成的复合结构的探测器件。

本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件及其制备方法，复合结构可以缓解薄层二维材料的缺点，由高载流子迁移率的石墨烯和表面态为金属态的拓扑绝缘体硒化铋和铊镍硒搭建的复合结构，具有制备简单、势垒非对称和光电流大等优点。

实施例

如图1所示，本发明的一种具有宽频光电响应的探测器，覆盖介质层二氧化硅层为300 nm，其下本征高阻硅衬底的厚度300 μm；铊镍硒纳米片的厚度约为10 nm，金属源、漏电极层整体尺寸为：长220 μm，宽140 μm，沟道长度为6 μm；源、漏复合电极厚度为75 nm，相应的引线电极6厚度200~400 nm，金属源、漏电极与相应的引线电极6相连用于连接电路；首先在可见光638 nm，近红外1550 nm和中波红外4600 nm的波长范围下测试了器件的光电响应，图4为偏置电压为1 V时测量的铊镍硒对称结构的光电探测器的波形图，结果说明本发明实施例1提供的具有宽频光电响应的探测器件，铊镍硒对称结构的太赫兹光电探测器可以实现可见光到中波红外范围内的宽谱高灵敏探测。图8为纯材料铊镍硒对称性结构的探测器，激光扫描对称性的器件时所产生的光电流呈现明显的镜像对称，光响应电流靠近金属与铊镍硒材料两边的区域，幅值和区域只有微弱的差别，而两个区域光响应电流极性方向具有明显相反的方向。

实施例

如图2所示，本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件，覆盖二氧化硅层1的本征高阻硅衬底3的厚度为300 μm；铊镍硒纳米片2的厚度约为10 nm，石墨烯层7厚度为2 nm，金属源、漏电极层整体尺寸为：长220 μm，宽140 μm，沟道长度为6 μm；金属源、漏电极层厚度为75 nm，相应的引线电极6厚度200~400 nm，金属源、漏电极层与相应的引线电极相连用于连接电路。其中，所述铊镍硒纳米片2在右侧上端设置石墨烯层7，石墨烯层7与铊镍硒纳米片2通过片层间范德华力粘合。图5展示了偏置电压为1 V时测量的铊镍硒非对称结构光电探测器的波形图，结果说明本发明图2所示的提供的一种具有宽频光电响应的探测器件，铊镍硒非对称结构太赫兹光电探测器可以实现可见光到中波红外范围内的宽谱高灵敏探测。

如图7所示是实施例2的非对称性设计结构探测器件在没有任何偏置电压下，在可见光638 nm激光扫描二维光敏面时所产生的光电流分布图呈现着非对称性，光响应电流更靠近于一边金属与铊镍硒材料接触区域；石墨烯层的介入让探测器具有非对称性接触，打破了相互抵消的镜像光电流，极大地提高了净光响应电流。与图8所示的纯材料铊镍硒对称性结构的探测器的光电流扫描图形成明显对比。

实施例

如图3所示，本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件，覆盖二氧化硅层1的本征高阻硅衬底的厚度为300 μm；铊镍硒纳米片2的厚度约为10 nm，硒化铋层8厚度为40 nm，金属源、漏电极层整体尺寸为：长220 μm，宽140 μm，沟道长度为6 μm；金属源、漏电极层厚度为75 nm，相应的引线电极厚度200~400 nm，金属源、漏电极层与相应的引线电极6相连用于连接电路。

所述二氧化硅层1的上端，一侧设置所述铊镍硒纳米片2，另一侧设置硒化铋层8，其中，硒化铋层8与铊镍硒纳米片搭建异质结结构。

图6分别展示了偏置电压为1 V时测量的铊镍硒和硒化铋异质结构光电探测器的波形图，结果说明本发明提供的铊镍硒和硒化铋异质结构可以实现可见光到中波红外范围内的宽谱高灵敏探测。

如图9所示，本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件，通过对比实施例1、实施例2和本实施例3的探测器件在近红外1550 nm的响应率大小，可以看出从铊镍硒对称结构光电探测器，到铊镍硒非对称结构光电探测器以及铊镍硒和硒化铋异质结构光电探测器，器件响应率有了数量级的提升。结果说明本发明提供的通过非对称结构和异质结结构产生定向电场来增大响应电流，来提高器件的探测能力的方法是合理的、有效的。

本发明的一种具有宽频光电响应的探测器件及其制备方法，器件中的光电流、响应率等各种参数在一定范围内变化，利用载流子迁移率高且能带可调的铊镍硒材料作为光敏导电沟道，实现在室温下实现从可见光到中波红外的快速宽波段探测。分别引入石墨烯层和硒化铋层，进一步构建了具有铊镍硒-石墨烯范德华接触与金属-铊镍硒肖特基接触的非对称结构的探测器来打破器件的镜像电流，打破了相互抵消的镜像光电流，极大地提高了净光响应电流。此外，通过引入拓扑绝缘体硒化铋与铊镍硒搭建异质结结构进行调控，在实现上述非对称性接触的同时，实现了势垒的非对称，大的电势差进一步增加净的光电流，提升了器件的性能。本发明的优点是基于铊镍硒纳米片的光电探测器，具有高响应率、可见到中波红外的宽带光电探测、空气稳定性高、集成度高、工艺成熟及可重复性等优点。本发明中的具有宽频光电响应的探测器件在电子和光电子领域具有潜在的应用前景，为实现室温下高灵敏且多功能性的光电探测研究奠定器件与理论基础。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (9)

1.一种具有宽频光电响应的探测器件，其特征在于：所述探测器自下而上设置有：电绝缘基底、铊镍硒纳米片和金属源、漏电极，铊镍硒纳米片上端的两侧是金属源、漏电极层，铊镍硒纳米片作为光敏元件，金属源、漏电极层与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路，

所述电绝缘基底包括本征高阻硅衬底及其上覆盖的二氧化硅层，所述本征高阻硅衬底的电阻率为10000Ω·cm，厚度为300μm；所述二氧化硅层覆盖在本征高阻硅衬底上，厚度为300nm，

所述铊镍硒纳米片为机械剥离的单分子层，厚度为10nm，

所述金属源、漏电极为金属复合电极，通过紫外光刻技术和电子束蒸发技术制作，下层为源、漏铬电极用作粘附层，厚度为5nm，上层金属为源、漏金电极，厚度为70nm，

所述引线电极厚度为200～400nm。

2.如权利要求1所述的具有宽频光电响应的探测器件，其特征在于：所述的金属源、漏电极层整体尺寸为220μm×140μm。

3.如权利要求1所述的具有宽频光电响应的探测器件，其特征在于：所述铊镍硒纳米片在一侧上端设置石墨烯层，石墨烯层与铊镍硒纳米片通过片层间范德华力粘合。

4.如权利要求3所述的具有宽频光电响应的探测器件，其特征在于：所述石墨烯层厚度为2nm。

5.如权利要求1所述的具有宽频光电响应的探测器件，其特征在于：所述二氧化硅层在一侧上端设置所述铊镍硒纳米片，另一侧上端设置硒化铋层，其中，硒化铋层与铊镍硒纳米片搭建异质结结构。

6.如权利要求5所述的具有宽频光电响应的探测器件，其特征在于：硒化铋层的厚度为40nm。

7.如权利要求1-6任一权利要求所述的具有宽频光电响应的探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，使用丙酮、异丙醇、乙醇和去离子水将覆盖二氧化硅的硅衬底进行表面超声清洗，通过精密切割技术将衬底切成1cm×1cm的样品；

S2，通过转移平台微区定位方法，使用蓝胶胶带将沉积生长的铊镍硒纳米片进行机械剥离，利用干法转移技术转移到S1生成的电绝缘基底上，进行编号定位标记；

S3，使用热板烘烤以及匀胶机匀胶涂覆，使光刻胶AZ5214均匀附着在S1制备的衬底和铊镍硒纳米片上；

S4，结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及传统剥离工艺制备与铊镍硒纳米片接触的金属源、漏电极层，形成良好的接触；

S5，最后，采用标准的半导体封装技术，把器件贴到PCB底座上，引线，简单封装完成复合结构的探测器件的制备。

8.如权利要求7所述的具有宽频光电响应的探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在步骤S2基础上，将机械剥离的石墨烯层转移到铊镍硒纳米片的一侧的上端，与铊镍硒纳米片接触形成结区。

9.如权利要求7所述的具有宽频光电响应的探测器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将机械剥离的硒化铋层转移到二氧化硅层上，并与另一侧的铊镍硒纳米片接触形成异质结。