CN116469955A - 一种光电器件光控二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米半导体材料光电探测器和光电存储器的研发与应用领域，具体为一种光电器件光控二极管及其制作方法。光控二极管是由六方氮化硼(h‑BN)保护层、石墨烯电极、二硫化钼(MoS2)n‑n‑结、h‑BN光栅层和栅极介质层组成。基于以MoS2n‑n‑结和h‑BN为光栅层异质结构的光控二极管，能够实现光照下电流状态由关态到整流态转换，因而在集成时不需要外部的选通器件。随着h‑BN光栅层厚度增加，光控二极管由单一功能的光电探测器变为多功能的光电存储器。基于光控二极管的光电存储器具备弱光探测、非易失性高响应度、长时间存储等功能；并且，制作了没有任何外部选择器的光电存储阵列，演示了图像存储和信息处理功能。
Description
技术领域
本发明涉及纳米半导体材料光电探测器和光电存储器的研发与应用领域，具体为一种光电器件光控二极管及其制作方法。
背景技术
光电探测器是一种能够将光信号转变为电信号的电子元件，被广泛应用于成像，光通讯等领域。光电存储器能够同时实现光信号检测、存储和处理功能，有望应用于未来人工视觉神经形态系统。在光照作用下，现有的光电探测器和光电存储器的电流状态只能由关态到开态或者由整流态到开态转换，使得其在集成时需要增加额外的选通器件。
在后摩尔时代，多功能芯片是最重要的发展方向之一[文献1]。光电系统以其发射光、调制光、传输光和探测光的功能将光信号处理功能充分融合进现代芯片中，是多功能芯片最重要的组成部分之一。其中，探测光的功能主要由各类光电探测器来实现[文献2-4]。光电存储器，因其同时具备光信号探测，存储和处理功能，有望应用于未来人工视觉系统中[文献5-7]。尽管光电探测器和光电存储器的种类繁多，按照接受光信号前后器件输出端电流随电压的变化情况，目前已有的器件可以分成两大类；以光电二极管为代表的器件在受到光照后，将使输出信号由整流态变成开态；以光电导和光电晶体管为代表的器件将使输出信号由关态变为开态[文献8-9]。
尽管尚未有报道，从信号变化类型的完备性来看，应该还存在光照下使电流输出状态由关态变为整流态的器件。这种新型光电探测器件预计将在光逻辑、高精度成像等光电系统中发挥不可替代的关键作用。比如，随着光电探测精度的逐步提高，迫切需要像素单元进一步小型化的光电探测和光电存储阵列。然而，为避免阵列串扰的影响，现有的阵列必须为每一个探测单元配备一个用于控制信号读取的晶体管或二极管作为选择器，这从根本上限制了阵列的集成度，同时也提升了系统功耗、成本并降低了可靠性，这为未来实现高精度、高性能探测阵列带来了巨大的挑战。因此，为了解决这一问题，需要一种在光照后可使输出电流由关态变为整流态的新型器件。这是因为这种器件可以被视为集成了一个光电探测器(光电存储器)和一个二极管，只用一个器件便可以实现原本需要使用两个器件来完成的功能。
参考文献：
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发明内容：
本发明的目的在于提出一种能够实现电流状态由关态到整流态转换的光控二极管及其制作方法，基于以MoS2n-n-结和h-BN为光栅层异质结构的光控二极管，能够实现光照下电流状态由关态到整流态转换，因而在集成时不需要外部的选通器件。随着h-BN光栅层厚度增加，光控二极管由单一功能的光电探测器变为多功能的光电存储器。基于光控二极管的光电存储器具备弱光探测、非易失性高响应度、长时间存储等功能；并且，制作了没有任何外部选择器的光电存储阵列，演示了图像存储和信息处理功能。
本发明的技术方案：
一种光电器件光控二极管，光控二极管是由h-BN保护层、石墨烯电极、MoS2n-n-结、h-BN光栅层和栅极介质层组成，具体结构如下：
栅极介质层由硅半导体衬底作为栅电极，以衬底上二氧化硅绝缘层作为介电层，h-BN光栅层设置于介电层上，MoS2n-n-结设置于h-BN光栅层上，MoS2n-n-结为n型MoS2与p型掺杂MoS2一体组合结构，h-BN保护层覆盖n型MoS2；石墨烯电极包括作为接触电极的阳极石墨烯电极和阴极石墨烯电极，阴极石墨烯电极和阳极石墨烯电极分别设置于n型MoS2之上与p型掺杂MoS2之上，阴极引线电极位于阴极石墨烯电极的一端上表面，阳极引线电极位于阳极石墨烯电极的一端下表面，阳极石墨烯电极的另一端搭接于p型掺杂MoS2之上。
所述的光电器件光控二极管，h-BN保护层为多数层，多数层是指大于30层。
所述的光电器件光控二极管，MoS2为5～30层单晶。
所述的光电器件光控二极管，h-BN光栅层为少数层单晶，少数层是指1～30层。
所述的光电器件光控二极管的制作方法，包括如下步骤：
(1)通过微机械剥离将石墨烯、MoS2和h-BN片剥离到表面有100nm或300nm厚SiO2绝缘层的p型掺杂Si衬底上；
(2)通过异质结转印平台，用碳酸丙烯酯(PPC)抬起h-BN保护层，然后依次抬起阴极石墨烯电极和MoS2，并将其堆叠在位于100nm或300nm SiO2/Si衬底上的h-BN光栅层上，从而形成h-BN/MoS2/h-BN异质结；
(3)将堆叠完成的h-BN/MoS2/h-BN异质结放入真空退火炉中退火处理；
(4)通过电子束曝光、反应离子刻蚀、电子束蒸发和剥离工艺，构建石墨烯电极的引线电极；
(5)利用氧等离子体，对未被h-BN保护层保护的MoS2进行p型掺杂处理，形成MoS2n-n-结；
(6)通过异质结转印平台，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为介质转移阳极石墨烯电极，分别与p型掺杂MoS2和阳端的引线电极接触。
所述的光电器件光控二极管的制作方法，步骤(2)中，保护层h-BN只覆盖一部分MoS2，保护本征MoS2。
所述的光电器件光控二极管的制作方法，步骤(3)中，通过退火去除异质结表面的PPC残留，控制真空退火温度为350～450℃，升温时间为0.5～1.5h，保温时间为0.5～2h，随炉冷却至室温。
所述的光电器件光控二极管的制作方法，步骤(4)中，引线电极为Ti层与Au层复合，先在基底及阴极石墨烯电极上蒸镀厚度范围为4～6nm的Ti层，然后继续蒸镀厚度范围为50～60nm的Au层。
所述的光电器件光控二极管的制作方法，步骤(5)中，通过氧等离子体处理实现MoS2的p型掺杂，控制氧气流量为160～200sccm，氧等离子处理仪的功率为160～200W，时间为0.5～1.5h。
所述的光电器件光控二极管的制作方法，步骤(6)中，控制阳极石墨烯电极释放过程中样品温度为70～90℃。
本发明的设计思想：
光电探测器是光电芯片和成像阵列的重要组成部分。光电存储器是一种能够实现光信号检测、存储和处理的电子器件，其阵列有望应用于未来视觉神经形态系统。本发明利用栅压和光栅层对n-n-结二极管的调制作用，使器件可以在光照下由关态转变为整流态。随着光栅层厚度增加，这种整流态在光照去掉后由易失性变为非易失性，因此器件可以由单一功能的光电探测器变为多功能的光电存储器。本发明提出一种基于MoS2n-n-结/h-BN结构的光控二极管，其中MoS2n-n-结作为二极管层，h-BN作为光栅层。在栅压作用下，MoS2n-n-结二极管被调制为关态；在光照条件下，h-BN光栅层产生的光生载流子将屏蔽栅压，二极管层处于整流态，从而实现光照下输出电流由关态转变为整流态。此外光栅层对光照极其敏感，进而使得光控二极管具备弱光探测、高的响应度。当光栅层厚度增加，产生的光生载流子具有非易失性，因此光控二极管作为光电存储器时具有长时间存储的特性。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提出的新型光电器件光控二极管设计结构，通过调整光栅层厚度，器件可以作为光电探测器或光电存储器；光照下器件电流输出状态能由关态变为整流态，为未来最终实现高集成度光光电系统奠定基础。
2、本发明所获得的光控二极管器表现出优异光电性能：当器件作为光电探测器时，在405nm激光照射下，器件的响应度超过105A/W；器件的响应速度低于1s。当器件作为光电存储器时，在405nm激光照射下，可探测0.7μW/cm2的弱光、非易失性响应度高达4.8×107A/W、长时间存储至75天。
附图说明
图1为光控二极管制造工艺流程图。
图2为光控二极管的结构和表征图。其中，(a)光控二极管的示意图，采用MoS2 n-n-结作为二极管，石墨烯作为接触电极，顶部和底部h-BN分别作为保护层和光栅层，SiO2作为介电层，p型掺杂Si作为栅电极；top h-BN代表h-BN保护层，top Gr代表阳极石墨烯电极，bottom Gr代表阴极石墨烯电极，bottom h-BN代表h-BN光栅层，n-MoS2代表本征MoS2，n--MoS2代表p型掺杂MoS2；(b)光控二极管横截面的透射电子显微镜(TEM)照片，显示了MoS2n-n-结和h-BN光栅层之间具有高质量界面；top h-BN代表h-BN保护层，top Gr代表阳极石墨烯电极，bottom h-BN代表h-BN光栅层，n-MoS2代表本征MoS2，n--MoS2代表p型掺杂MoS2，标尺是10纳米；(c)TEM成像中n--MoS2/h-BN/SiO2层对应的O、Mo、S、N、Si的能量色散X射线光谱(EDX)元素图(图1b中的白色虚线)，标尺是5纳米；(d)TEM成像中n-MoS2/h-BN/SiO2层对应的O、Mo、S、N、Si的能量色散X射线光谱(EDX)元素图(图1b中的黑色虚线)，标尺是5纳米；(e)光控二极管在栅压为0V下的电流-电压曲线；横坐标VA代表偏置电压(V)，纵坐标abs(IA)代表电流(A)；(f)在栅压为–60V时，黑暗和功率密度(Pin)为32μW/cm2的405nm激光照射10秒条件下光控二极管的电流-电压曲线；横坐标VA代表偏置电压(V)，纵坐标abs(IA)代表电流(A)；(g)光控二极管的等效电路图，Anode代表阳极，Light代表光照，Gate代表栅极，Cathode阴极。
图3为光控二极管作为光电探测器结构和光电性能图。(a)器件的光学显微镜照片。采用MoS2n-n-结作为二极管，石墨烯作为接触电极，顶部和底部h-BN分别作为保护层和光栅层，100nm厚SiO2作为介电层，p型掺杂Si作为栅电极；top h-BN代表h-BN保护层，topGr代表阳极石墨烯电极，bottom Gr代表阴极石墨烯电极，bottom h-BN代表h-BN光栅层，n-MoS2代表本征MoS2，n--MoS2代表p型掺杂MoS2，标尺是10微米；(b)h-BN光栅层的光学照片及厚度表征，其厚度约为1.6 nm，标尺是10微米；(c)器件在405nm光照下的光电响应图。在栅压为–15V时，黑暗和不同功率密度的405nm激光下光控二极管的电流-电压曲线；横坐标VA代表偏置电压(V)，纵坐标abs (IA)代表电流(A)；(d)在偏压为3V、栅压为–15V、405nm激光的条件下响应度(R)随入射光功率密度的变化，R＝(Iph-Idark)/Pin，Iph为光电流(A)，Idark是暗电流(A)；(e)器件的编程-读取-擦除循环曲线，光电探测器在栅压为–15V时通过光照进行编程和读取，在栅压为0V时擦除；横坐标代表时间(s)，纵坐标IA代表电流(A)；(f)光电探测器在0V时擦除机制。
图4为光控二极管作为光电存储器的光电和存储性能图。(a)在偏压分别为3V和–3V下编程后光电存储器的电流保持能力；横坐标代表时间(s)，纵坐标abs(IA)代表电流(A)；(b)在100nm厚SiO2上制作的光电存储器的编程-读取-擦除循环曲线，光电存储器在栅压为–15V时通过光照进行编程和读取，在栅压为15V通过光照进行擦除；横坐标代表时间(s)，纵坐标IA代表电流(A)；(c)在偏压为3V、栅压为–60V、405nm激光的条件下非易失性响应度(NR)和探测度(D*)随Pin的变化，NR＝(Istore–Idark)/Pin,，Idark是暗电流(A)，Istore是存储电流(A)，D*＝(AB)1/2NR/S1/2，A是30μm2的有效面积，B是带宽(1Hz)，S是功率密度谱(A2/Hz)；(d)在偏压为3V、栅压为–60V、638nm激光的条件下响应度(R)和非易失性响应度(NR)随Pin的变化，R＝(Iph–Idark)/Pin，Iph为光电流(A)，Idark是暗电流(A)。图a，c，d器件在厚度为300nm SiO2介电层上构筑。
图5为光控二极管的工作机制图。(a)编程前光控二极管的能带图，EC是导带最小值，EF是费米能级，EV是价带最大值，e代表电子；(b)编程过程光控二极管能带示意图，h代表空穴；(c)编程后光控二极管的能带图；(d)光控二极管作为光电存储器时擦除过程的能带结构示意图。
图6为基于光控二极管的作为基本单元的光电存储阵列及其在图像存储和处理中的功能演示。(a)无选择器的3×3光电存储阵列示意图；SiO2作为介电层，p型掺杂Si作为栅电极；(b)阵列单元示意图；top h-BN代表h-BN保护层，bottom Gr代表阴极石墨烯电极，topGr代表阳极石墨烯电极，bottom h-BN代表h-BN光栅层，n-MoS2代表本征MoS2，n--MoS2代表p型掺杂MoS2；(c)阵列的光学显微镜照片，标尺是10微米；top h-BN代表h-BN保护层，bottomGr代表阴极石墨烯电极，top Gr代表阳极石墨烯电极，bottom h-BN代表h-BN光栅层，n-MoS2代表本征MoS2，n--MoS2代表p型掺杂MoS2；(d)光电存储器阵列的等效电路图；(e)在偏压为3V、栅压为–40V条件下阵列无串扰功能的演示，左图为光信号输入，右图为电信号输出；(f)在偏压为3V、栅压为–40V条件下波长选择功能的演示，左图为光信号输入，右图为电信号输出；(g)在偏压为3V、栅压为–40V条件下功率选择功能的演示，左图为光信号输入，右图为电信号输出；Pin代表功率密度(μW/cm2)，IA代表电流(A)或(pA)。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明用电子束曝光(EBL)、反应离子刻蚀(RIE)、电子书蒸发(EBV)、干法转移、氧等离子体(O2plasma)掺杂和真空退火技术制备光控二极管的方法如下：
(1)通过微机械剥离将石墨烯、MoS2和h-BN薄片剥离到表面有100nm或300nm厚SiO2绝缘层的p型掺杂Si衬底上；
(2)通过自组装的异质结转印平台，用碳酸丙烯酯(PPC)抬起足够厚的h-BN保护层，然后依次抬起阴极石墨烯电极和MoS2，并将其堆叠在位于100nm或300nm SiO2/Si衬底上的薄的h-BN光栅层上，从而形成h-BN/MoS2/h-BN异质结；
(3)将堆叠完成的h-BN/MoS2/h-BN异质结放入真空退火炉中退火处理，去除PPC；
(4)通过EBL、RIE、EBV和剥离工艺，构建石墨烯电极的阴极引线电极和阳极引线电极；
(5)利用O2plasma，对未被h-BN保护层保护的MoS2进行p型掺杂处理，形成MoS2n-n-结；
(6)通过自组装的异质结转印平台，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为介质转移阳极石墨烯电极，分别与p型掺杂MoS2和阳极端的引线电极接触。
下面，通过实施例进一步证实本发明的可行性。
实施例
如图1所示，光控二极管通过如下六个步骤构筑器件：
(a)用PDMS底部附着的PPC抬起足够厚的h-BN保护层(top h-BN)，然后依次抬起阴极石墨烯(Graphene)电极和n型MoS2。
(b)将上述二维材料堆叠在位于SiO2/Si衬底上(SiO2层为p型掺杂Si上表面的氧化层，其厚度为300nm或100nm)薄的h-BN光栅层上，在120～140℃的高温下落至h-BN光栅层表面，使n型MoS2设置于h-BN光栅层表面，阴极石墨烯电极随形搭接于h-BN光栅层表面和n型MoS2表面，h-BN保护层覆盖于阴极石墨烯电极表面，h-BN保护层的一端部搭接于n型MoS2表面；h-BN保护层只覆盖一部分n型MoS2，起保护本征n型MoS2、防止其被之后氧等离子体p型掺杂的作用。
(c)通过真空退火，去除异质结表面的PPC残留，控制真空退火温度为350℃，升温时间为0.5h，保温时间为1h，随炉冷却至室温，在h-BN保护层与阴极石墨烯电极搭接的一端形成接触窗口。
(d)通过电子束曝光(EBL)、反应离子刻蚀(RIE)、电子束蒸发(EBV)和剥离工艺，在所述接触窗口处构建阴极石墨烯电极的引线电极；另外，在h-BN光栅层表面的n型MoS2一侧构建阳极石墨烯电极的引线电极。
引线电极为钛(Ti)层与金(Au)层复合，先在h-BN光栅层及石墨烯电极上分别蒸镀厚度范围为4～6nm的Ti层，然后继续蒸镀厚度范围为50～60nm的Au层。
(e)利用氧等离子体(O2plasma)，对未被h-BN保护层保护的n型MoS2进行p型掺杂处理，控制氧气(O2)流量为180sccm，氧等离子处理仪的功率200W，时间60min，形成p型掺杂MoS2，获得MoS2n-n-结。
(f)通过自组装的异质结转印平台，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为介质转移阳极石墨烯电极，在阳极石墨烯电极释放过程中控制样品温度为80℃，形成光控二极管。
光控二极管是由h-BN保护层、石墨烯电极、面内MoS2n-n-结、h-BN光栅层和栅极介质层组成，栅极介质层由p型掺杂的硅(p+-Si)半导体衬底作为栅电极，以衬底上二氧化硅(SiO2)绝缘层作为介电层，h-BN光栅层设置于介电层上，面内MoS2 n-n-结设置于h-BN光栅层上，h-BN保护层覆盖n型MoS2；石墨烯电极包括作为接触电极的阴极石墨烯电极和阳极石墨烯电极，阴极石墨烯电极和阳极石墨烯电极分别设置于n型MoS2之上与p型掺杂MoS2之上，阴极引线电极位于阴极石墨烯电极的一端上表面，阳极引线电极位于阳极石墨烯电极的一端下表面，阳极石墨烯电极的另一端搭接于h-BN保护层的一端上表面，见图2a。
其中，在SiO2/p+-Si衬底上剥离多层二维材料采用微机械剥离法：Novoselov,K.S.,Geim,A.K.,Morozov,S.V.,et al.(2004)Electric Field Effect in AtomicallyThin Carbon Films.Science,306,666-669.
h-BN保护层的厚度为20～50nm，h-BN光栅层的厚度为1～20nm，Graphene层的厚度为1～10nm，MoS2层的厚度为5～20nm。
如图2所示，器件结构和表征图。(a)采用层转移法制作了具有背栅结构的光控二极管。二极管是堆叠在h-BN光栅层上的MoS2n-n-结，接触电极材料是石墨烯。为了形成MoS2片的n-n-结，采用厚h-BN片保护一部分MoS2不被掺杂，另一部分用氧等离子体进行p掺杂；(b)器件的横截面展示了高质量的范德华异质结，不同材料之间没有气泡以及明显的缺陷；(c)对成功制备的器件进行能量色散X射线能谱(EDX)元素图分析，在O2plasma处理的MoS2薄片中发现了大量的氧，导致p型掺杂；(d)在top h-BN保护的MoS2未发现氧元素存在，表明处于本征状态；(e)在栅压(VG)为0V时，光控二极管表现出了明显的整流特性，整流比大于105；(f)在VG为-60V时，黑暗条件下器件处于关态；在而在功率密度(Pin)为32μW/cm2的405nm激光照射下器件表现为整流态；(g)根据器件在恒定VG下，可以通过光照由关态转变为整流态的特性，绘制了器件的等效电路图。
如图3所示，光控二极管作为光电探测器时，器件结构和光电特性表征。(a)器件的光学照片。采用MoS2n-n-结作为二极管，石墨烯作为接触电极，顶部和底部h-BN分别作为保护层和光栅层，100nm厚SiO2作为介电层，p型掺杂Si作为栅电极；top h-BN代表h-BN保护层，top Gr代表阳极石墨烯电极，bottom Gr代表阴极石墨烯电极，bottom h-BN代表h-BN光栅层，n-MoS2代表本征MoS2，n--MoS2代表p型掺杂MoS2；(b)h-BN光栅层厚度约为1.6nm；(c)在为VG–15V时，黑暗条件下器件处于关态，在405nm激光下光控二极管处于开态，并且随着光功率密度增加，器件的光响应增强；(d)在VA为3V、VG为–15V、405nm激光的条件下响应度(R)随入射光功率密度的增强先增加后降低，峰值超过了105A/W；(e)器件的编程-读取-擦除循环曲线，光电探测器在栅压为–15V时通过光照进行编程和读取，在黑暗态栅压为0V时擦除；(f)光电探测器在0V下擦除是由于光生载流子可以在库仑力作用下从MoS2隧穿回h-BN光栅层。
如图4所示，光空二极管作为电存储器的光电和存储性能表征。当使用7nm厚h-BN作为光栅层时，光控二极管表现为光电存储器特性(图2b)。(a)75天后，器件的整流比仍然保持在105以上，表明光电存储器具有稳定的非易失性；(b)该器件对405nm光具有极高的灵敏度，在Pin为0.7μW/cm2时，其非易失性响应度(NR)为4.8×107A/W，探测度(D*)为2.4×1016Jones；(c)光电存储器的典型动态行为，包括编程、读取和擦除过程。该设备可在负栅压和Pin为0.1mW/cm2的405nm激光下编程；去掉光照后进行读取；并在正栅压下使用Pin为100mW/cm2的405nm激光擦除。编程时间为0.5秒，擦除时间为1秒，具有大于106的开关比(Istore/Ierase)；(d)对于638nm的光，器件的光响应急剧降低。随着光的去除，器件的光电流将迅速减小，尤其是对于弱光，器件波长和功率相关的响应度可以被用于光信号处理功能。
如图5所示，光控二极管工作原理示意图。(a)在负栅压下，由于电子无法从石墨烯电极注入MoS2，因此该器件最初处于关闭状态；(b)在光照下，h-BN中施主类缺陷的电子被光子激发到导带，并在负栅压的帮助下移动到MoS2的导带。电离缺陷带正电荷存在h-BN中，且它们有效地屏蔽了背栅；(c)因此，电子可以从石墨烯电极注入MoS2，器件从闭态变为整流态。此外，因为高能光子可以激发更深层次的缺陷，这种器件对405nm激光比638nm激光更敏感。在405nm激光照射下，器件的光电流主要来源于光栅效应。而在638nm激光照射下，光电流来自光栅效应和MoS2自身的光响应，因此关闭光照后MoS2自身产生的光生载流子会迅速复合，导致光电流迅速降低；(d)当h-BN光栅层非常厚时，由于高的势垒，即使移除负栅压并关闭激光，激发的电子也无法与h-BN中的电离缺陷重新结合，因此器件表现为光电存储器功能。对于光电存储器，擦除操作是通过在光照下施加栅压来实现的。在此过程中，h-BN中的电离产生的缺陷正电荷被来自h-BN价带的光激发电子填充，生成的空穴移动到MoS2的价带，并与光生电子复合。因此，h-BN中的局部正电荷消失，器件返回其原始关闭状态。
如图6所示，没有任何选择器的基于光控二极管的3×3光电存储阵列及其在图像存储和处理中的功能演示。(a)光电存储器阵列的示意图；(b)光电存储器单元的示意图；(c)阵列的光学照片；(d)阵列的等效电路图；(e)使用Pin＝200μW/cm2的405nm光输入图像。编程器件的电流比关器件的电流高105，这有力地证明了器件本身可以构建无串扰的光电存储阵列。(f)我们还证明了该阵列具有波长选择性的功能；使用Pin＝200μW/cm2的405nm和638nm光输入信号，持续5秒，输出405nm光致电信号的电流大于100nA，而638nm光致电信号的电流低至2pA；(g)使用638nm光以低对比度(780μW/cm2/26μW/cm2)输入光信号5秒，而输出图像显示高对比度(400pA/1.7pA)，证明了阵列的功率选择性功能。
实例结果表明，本发明提出的一种新型光电器件光控二极管，利用在光照条件下h-BN光栅层对栅压的屏蔽作用，MoS2n-n-结会在负栅压下由黑暗条件的关态转变为光照条件下的整流态，从而实现新的信号处理行为。与此同时，光控二极管对光信号响应灵敏；基于光控二极管的光电存储器具备长时间存储的特性。使用光控二极管构筑阵列将有效抑制潜行通路电流，能够实现无串扰的光电存储(探测)阵列。本发明为高集成度、高性能光电系统的制造提供了新技术和新思路。
Claims (10)
1.一种光电器件光控二极管，其特征在于，光控二极管是由h-BN保护层、石墨烯电极、MoS2n-n-结、h-BN光栅层和栅极介质层组成，具体结构如下：
栅极介质层由硅半导体衬底作为栅电极，以衬底上二氧化硅绝缘层作为介电层，h-BN光栅层设置于介电层上，MoS2n-n-结设置于h-BN光栅层上，MoS2n-n-结为n型MoS2与p型掺杂MoS2一体组合结构，h-BN保护层覆盖n型MoS2；石墨烯电极包括作为接触电极的阳极石墨烯电极和阴极石墨烯电极，阴极石墨烯电极和阳极石墨烯电极分别设置于n型MoS2之上与p型掺杂MoS2之上，阴极引线电极位于阴极石墨烯电极的一端上表面，阳极引线电极位于阳极石墨烯电极的一端下表面，阳极石墨烯电极的另一端搭接于p型掺杂MoS2之上。
2.按照权利要求1所述的光电器件光控二极管，其特征在于，h-BN保护层为多数层，多数层是指大于30层。
3.按照权利要求1所述的光电器件光控二极管，其特征在于，MoS2为5～30层单晶。
4.按照权利要求1所述的光电器件光控二极管，其特征在于，h-BN光栅层为少数层单晶，少数层是指1～30层。
5.一种权利要求1至4之一所述的光电器件光控二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过微机械剥离将石墨烯、MoS2和h-BN片剥离到表面有100nm或300nm厚SiO2绝缘层的p型掺杂Si衬底上；
(2)通过异质结转印平台，用碳酸丙烯酯(PPC)抬起h-BN保护层，然后依次抬起阴极石墨烯电极和MoS2，并将其堆叠在位于100nm或300nm SiO2/Si衬底上的h-BN光栅层上，从而形成h-BN/MoS2/h-BN异质结；
(3)将堆叠完成的h-BN/MoS2/h-BN异质结放入真空退火炉中退火处理；
(4)通过电子束曝光、反应离子刻蚀、电子束蒸发和剥离工艺，构建石墨烯电极的引线电极；
(5)利用氧等离子体，对未被h-BN保护层保护的MoS2进行p型掺杂处理，形成MoS2n-n-结；
(6)通过异质结转印平台，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为介质转移阳极石墨烯电极，分别与p型掺杂MoS2和阳端的引线电极接触。
6.按照权利要求5所述的光电器件光控二极管的制作方法，其特征在于，步骤(2)中，保护层h-BN只覆盖一部分MoS2，保护本征MoS2。
7.按照权利要求5所述的光电器件光控二极管的制作方法，其特征在于，步骤(3)中，通过退火去除异质结表面的PPC残留，控制真空退火温度为350～450℃，升温时间为0.5～1.5h，保温时间为0.5～2h，随炉冷却至室温。
8.按照权利要求5所述的光电器件光控二极管的制作方法，其特征在于，步骤(4)中，引线电极为Ti层与Au层复合，先在基底及阴极石墨烯电极上蒸镀厚度范围为4～6nm的Ti层，然后继续蒸镀厚度范围为50～60nm的Au层。
9.按照权利要求5所述的光电器件光控二极管的制作方法，其特征在于，步骤(5)中，通过氧等离子体处理实现MoS2的p型掺杂，控制氧气流量为160～200sccm，氧等离子处理仪的功率为160～200W，时间为0.5～1.5h。
10.按照权利要求5所述的光电器件光控二极管的制作方法，其特征在于，步骤(6)中，控制阳极石墨烯电极释放过程中样品温度为70～90℃。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN118016768A (zh) * | 2024-03-12 | 2024-05-10 | 国科大杭州高等研究院 | 一种波导集成的范德华异质结器件制备方法 |
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2022
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