CN116705889B - 梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法 - Google Patents

梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法，包括：源电极、半导体基底、二维层状材料、一维半导体纳米柱阵列、石墨烯层、绝缘层和漏电极；源电极设置在所述半导体基底上表面的一侧，一维半导体纳米柱阵列设置于半导体基底上表面图案化区域，绝缘层设置在半导体基底上表面远离源电极的另一侧以及一维半导体纳米柱阵列的间隙位置，二维层状材料置于一维半导体纳米柱阵列和绝缘层上，石墨烯层置于二维层状材料上，漏电极设置在所述石墨烯层上方。本发明具有一定的普适性，不仅局限于使用的几种材料，凡是可以构筑出类似结构的材料均可由此方法进行研究，拓宽了材料应变工程的研究范围。

Description

梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法。
背景技术
目前，在传统半导体行业，应变工程已经得到了比较广泛的应用，如已经成熟使用的应变硅技术，使得在较低成本的前提下获得成倍增长的载流子迁移率。但是相对局限的是，由于块体单晶材料自身结构的限制，使其仅能承受不超过1.5％的应变，而二维材料由于其优异的机械力学强度，为应变工程的发展提供了更加广阔的空间。
应变工程可以有效地调节二维材料的能带结构，实现对其载流子行为的有效控制。目前，在实验中已经证明了二维材料的弹性应变场引起的能带弯曲可以实现激子的集中，这已经应用于单光子发射
现有技术中公开了一种二维过渡金属硫族化合物纳米片褶皱应变的调控方法。其利用聚甲基丙烯酸甲酯固定住过渡金属硫族化合物，然后通过腐蚀液腐蚀载体基底产生小气泡从而诱导材料产生褶皱应变，但是这种方法产生的应变强度只能通过控制腐蚀速率来调控，且控制褶皱应变的产生位置，无法在同一材料上完成梯度应变的设置。现有技术中还公开了一种基于应变调控的Ge光电探测器及其制作方法。其使用了应变介质层对Ge PIN结构产生张应变并进行调控，研究围绕了传统的Ge半导体材料。但是需要考虑晶格错配等问题，且可承受的应变量较小。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法，通过精确控制一维半导体纳米柱阵列高度来定量控制二维层状材料产生的双轴应变强度，从而提供一种工艺稳定、操作流程简单以及应变强度可控的光电探测器。
一方面，为实现上述目的，本发明提供了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，包括：
源电极、半导体基底、二维层状材料、一维半导体纳米柱阵列、石墨烯层、绝缘层和漏电极；
所述源电极设置在所述半导体基底上表面的一侧，所述一维半导体纳米柱阵列设置于所述半导体基底上表面图案化区域，所述绝缘层设置在所述半导体基底上表面远离所述源电极的另一侧以及所述一维半导体纳米柱阵列的间隙位置，所述二维层状材料置于所述一维半导体纳米柱阵列和所述绝缘层上，所述石墨烯层置于所述二维层状材料上，所述漏电极设置在所述石墨烯层上方。
优选地，所述一维半导体纳米柱阵列为外延生长的一维氧化锌纳米柱阵列，且所述一维半导体纳米柱阵列中纳米柱的高度不同，设置的高度范围为50nm-2um。
优选地，所述半导体基底为氧化锌单晶衬底，所述二维层状材料包括二维硒化钨、二维碲化钼或二维硫化钨，厚度为0.6nm-10nm。
优选地，所述石墨烯层为机械剥离的石墨烯层状材料，厚度为0.6nm-10nm；所述绝缘层厚度设置为20nm-1um；所述绝缘层采用氧化铪、氧化锆、氧化铝或氧化硅。
优选地，所述源电极和所述漏电极为利用热蒸镀沉积获取的铬/金金属电极，所述源电极和所述漏电极的厚度为5nm-100nm。
另一方面，本发明还提供了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器的制备方法，包括：
设置不同高度的一维半导体纳米柱阵列；
通过精确转移方法将二维层状材料和石墨烯层先后转移至所述一维半导体纳米柱阵列顶部，诱导所述二维层状材料产生纳米压印力；
基于电子束曝光方法对源电极和漏电极形状进行图案化，并采用热蒸镀或电子束蒸镀方法沉积所述源电极和所述漏电极。
优选地，设置所述不同高度的一维半导体纳米柱阵列，包括：
在半导体基底表面旋涂紫外曝光负胶，使用设计的掩模板进行一次光刻；
通过原子层沉积方法在图案化区域沉积绝缘层；
溶解掉曝光区域的所述紫外曝光负胶，留下具有预设周期性孔洞结构的绝缘层；
在所述周期性孔洞结构分布的绝缘层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用电子束曝光技术分批次曝光出部分孔洞，用以生长不同高度的一维氧化锌纳米柱阵列；
外延生长一维半导体纳米柱阵列；
重复电子束曝光和外延生长的过程，通过控制生长时间的不同来控制半导体纳米柱的高度。
优选地，通过所述精确转移方法将二维层状材料和石墨烯层先后转移至所述一维半导体纳米柱阵列顶部，包括：
以表面覆盖有二氧化硅的硅片作为牺牲基底，将二维层状材料剥离至牺牲基底上后，在所述牺牲基底表面旋涂一层PPC薄膜，在所述牺牲基底一侧缓慢注入去离子水，将所述牺牲基底上的二维层状材料随所述PPC薄膜被转移下来；
使用精确转移平台，将带有二维层状材料的PPC薄膜与所述一维半导体纳米柱阵列贴合，将所述二维层状材料精确覆盖在阵列顶部；
使用加热温度在100-120℃的热板，对转移层状材料的阵列进行热烘，通过水的缓慢蒸发诱导二维层状材料产生双轴应变；
将转移层状材料的阵列使用温度为50-70℃的丙酮溶液浸泡15min,溶解PPC，然后使用临界点干燥仪，通过液态二氧化碳置换结构中的丙酮，完成丙酮的干燥。
优选地，沉积所述源电极和所述漏电极，包括：
通过热蒸镀或电子束蒸镀方法，在图案化的区域沉积厚度50nm-100nm的铬/金电极，完成所述源电极和所述漏电极的设置。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
(1)本发明通过精确控制一维半导体纳米柱阵列的高度，对二维层状材料成功施加了易于量化的双轴应变，可施加的应变量更加可控且范围较广，可有调控二维材料的电学与光电性能；
(2)本发明通过多部光刻、电子束曝光以及外延生长等实验操作，在同一区域实现了二维层状材料的梯度应变施加，可原位测试不同应变量对二维层状材料电学与光电性能的影响，对二维材料的应变工程研究具有深远意义；
(3)本发明的设计方法具有一定的普适性，不仅局限于使用的几种材料，凡是可以构筑出类似结构的材料均可由此方法进行研究，拓宽了材料应变工程的研究范围。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器结构组成示意图，其中1-单晶氧化锌衬底，2-一维氧化锌纳米柱阵列，3-绝缘层氧化硅，4-多层硒化钨纳米片，5-石墨烯，6-源漏电极；
图2为本发明实施例中绝缘层的厚度及绝缘层上方生长出的氧化锌纳米柱的高度示意图；
图3为本发明实施例中在一维氧化锌纳米柱阵列顶部转移完多层硒化钨后，不同高度纳米柱顶端对应的多层硒化钨的拉曼谱线变化图；
图4为本发明实施例中完成梯度应变调控的硒化钨/氧化锌范德华异质结型光电探测器的构筑后，器件结构的扫描电子显微镜图像；
图5为本发明实施例中完成梯度应变调控的硒化钨/氧化锌范德华异质结型光电探测器的构筑后，器件结构的光电流mapping的扫描图谱。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明提出了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，包括：
源电极，半导体基底，二维层状材料，不同高度的一维半导体纳米柱阵列，石墨烯层，绝缘层和漏电极；
其中：源电极设置在半导体基底上表面的一侧，不同高度的一维半导体纳米柱阵列设置在半导体基底表面图案化的区域，绝缘层设置在半导体基底表面的另一侧，包括一维半导体纳米柱阵列的间隙位置。二维层状材料设置在一维半导体纳米柱阵列和所述绝缘层上，石墨烯层设置在所述二维层状材料上，漏电极设置在绝缘层和二维层状材料上的石墨烯层上方。通过一维半导体纳米柱阵列高度的控制实现梯度应变场的施加。
半导体基底为氧化锌单晶衬底；
一维半导体纳米柱阵列为外延生长的一维氧化锌纳米柱阵列，设置的高度范围在50nm-2um；
二维层状材料包括二维硒化钨，二维碲化钼，二维硫化钨，厚度为0.6-10nm；
石墨烯层为机械剥离的石墨烯层状材料，厚度为0.6-10nm；
绝缘层厚度设置为20nm-1um；绝缘层为氧化铪、氧化锆、氧化铝或氧化硅；
源电极和漏电极为利用热蒸镀沉积得到的铬/金金属电极，厚度为50-100nm。
本实施例还提供了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1、一次光刻：在半导体基底表面旋涂紫外曝光负胶，使用设计的掩模板进行一次光刻，图案化后续绝缘层沉积位置及一维半导体纳米柱的位置；
S2、绝缘层沉积：通过原子层沉积技术在图案化区域沉积绝缘层；
S3、Lift-off去除掩膜：50-90℃保温的丙酮中浸泡15-60min，溶解掉曝光区域的紫外曝光负胶，留下具有预设的周期性孔洞结构的绝缘层；
S4、二次光刻：在完成上述操作的基底上再次旋涂紫外曝光负胶，利用第一次光刻中预留的标记位点进行光刻，图案化后续与石墨烯接触的漏电极的位置；
S5、电极区域的沉积：通过热蒸镀技术，在S4中图案化的区域沉积厚度50-100nm的铬/金电极，完成金属电极的预埋；
S6、电子束曝光：在周期性孔洞分布的绝缘层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用电子束曝光技术分批次曝光出部分孔洞，用以设置不同高度的一维半导体纳米柱阵列；
S7、外延生长一维半导体纳米柱阵列；
S8、不同高度的一维半导体纳米柱阵列的设置：重复S6电子束曝光和S7外延生长的过程，通过控制生长时间的不同来控制半导体纳米柱的高度。
S9、采用精确无损转移技术依次将二维层状材料和石墨烯转移至预置的梯度高度设置的一维半导体纳米柱阵列的顶端，并保证其紧密贴合；
S10、采用电子束曝光技术图案化源电极和漏电极的沉积区域；
S11、采用热蒸镀技术在S10中图案化的区域沉积厚度50-100nm的铬/金电极，完成源电极和漏电极的设置。
进一步地，S9中的精确无损转移技术包括：
S9.1、以表面覆盖有300nm二氧化硅的硅片作为牺牲基底，将二维层状材料剥离至牺牲基底上后，在牺牲基底表面旋涂一层PPC薄膜，在其一侧缓慢注入去离子水，使得牺牲基底上的二维层状材料随PPC薄膜被转移下来。
S9.2、使用精确转移平台，将带有二维层状材料的PPC薄膜与一维半导体纳米柱阵列贴合，使得二维层状材料精确覆盖在阵列顶部。
S9.3、使用加热温度在100-120℃的热板，对转移层状材料的阵列进行30min的热烘，通过水的缓慢蒸发诱导二维层状材料产生双轴应变。
S9.4、将转移层状材料的阵列使用温度为50-70℃的丙酮溶液浸泡15min,溶解PPC。随后使用临界点干燥仪，通过液态二氧化碳置换结构中的丙酮，完成丙酮的干燥。
以多层硒化钨和氧化锌纳米柱阵列为例，构筑梯度应变调控的硒化钨/氧化锌范德华异质结型光电探测器，其结构组成如图1所示，由单晶氧化锌衬底1，外延生长在衬底上的不同高度的一维氧化锌纳米柱阵列2，覆盖在衬底一侧及纳米柱阵列间隙处的绝缘层氧化硅3，无损精确转移至纳米柱阵列顶部的多层硒化钨纳米片4和石墨烯5以及沉积在石墨烯上和氧化锌衬底另一侧的源漏电极6组成。其中，氧化锌纳米柱阵列的直径为2um，相邻的氧化锌纳米柱之间的间距为10um。
制备方法为：
(1)选用单晶氧化锌作为半导体基底，使用去离子水，丙酮和异丙醇依次对其进行超声清洗；
(2)在单晶氧化锌基底的抛光面一旋涂紫外曝光负胶，使用设计的掩模板进行一次光刻，图案化后续绝缘层沉积位置及一维氧化锌纳米柱阵列外延生长的位置；
(3)采用原子层沉积技术在图案化区域沉积厚度为75nm的氧化硅绝缘层；
(4)将沉积氧化硅层后的基底在90℃保温的丙酮中浸泡15min，溶解掉曝光区域的紫外曝光负胶，留下具有预设的周期性孔洞结构的绝缘层；
(5)在完成上述操作的基底抛光面一侧再次旋涂紫外曝光负胶，利用第一次光刻中预留的标记位点进行光刻，图案化后续与源漏极电极条接触的金属电极块的位置；
(6)采用热蒸镀技术，在上一步中图案化的区域沉积厚度80nm的铬/金电极，完成金属电极块的预埋；
(7)在周期性孔洞分布的绝缘层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用电子束曝光技术分批次曝光出部分孔洞，用以生长不同高度的一维氧化锌纳米柱阵列；
(8)将衬底放入等摩尔比的六水合硝酸锌水溶液与六亚甲基四胺水溶液等比例混合在90℃的条件下进行反应，通过水热法法在预设的位置生长一维氧化锌纳米柱阵列；
(9)重复步骤(7)电子束曝光和步骤(8)水热生长，通过控制生长时间分别在1h，2h，3h和4h来控制半导体纳米柱的高度，绝缘层的厚度及绝缘层上方生长出的氧化锌纳米柱的高度如图2，由原子力显微镜测量得到；
(10)采用机械剥离法将多层硒化钨从硒化钨块材上剥离至牺牲基底上，并在其表面旋涂一层PPC薄膜在其一侧缓慢注入去离子水，使得牺牲基底上的多层硒化钨随PPC薄膜被转移下来；
(11)使用精确转移平台，将带有多层硒化钨的PPC薄膜与一维氧化锌纳米柱阵列贴合，使得二其精确覆盖在阵列顶部；
(12)使用加热温度在120℃的热板，对转移转移后的氧化锌基底进行30min的热烘，通过水的缓慢蒸发诱导多层硒化钨产生双轴应变；
(13)对精确转移后的阵列使用温度为60℃的丙酮溶液浸泡15min，溶解PPC；随后使用临界点干燥仪，通过液态二氧化碳置换结构中的丙酮，完成丙酮的干燥，得到无损转移多层硒化钨后的阵列结构；
(14)石墨烯的转移过程重复步骤(10)-(13)，只将多层硒化钨材料替换为石墨烯；
(15)采用电子束曝光技术图案化源漏电极与材料接触的电极调部分的沉积区域；
(16)采用热蒸镀技术，在上一步中图案化的区域沉积厚度60nm的铬/金电极，完成整个结构的构筑过程。
图3为本发明实例在一维氧化锌纳米柱阵列顶部转移完多层硒化钨后，不同高度纳米柱顶端对应的多层硒化钨的拉曼谱线变化图，证明随着随着纳米柱高度的增加，谱线的特征峰位逐渐右移，证明对应的多层硒化钨产生的应变量逐渐增加。
图4为本发明实例在完成梯度应变调控的硒化钨/氧化锌范德华异质结型光电探测器的构筑后，器件结构的扫描电子显微镜图像，其中框选位置为后续采用光电流mapping扫描的区域。
图5为本发明实例在完成梯度应变调控的硒化钨/氧化锌范德华异质结型光电探测器的构筑后，器件结构的光电流mapping的扫描图谱，证明了随着双轴应变的增强，异质结区域的短路电流逐渐增强，光响应度逐渐升高。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，包括：
源电极、半导体基底、二维层状材料、一维半导体纳米柱阵列、石墨烯层、绝缘层和漏电极；所述一维半导体纳米柱阵列为外延生长的一维氧化锌纳米柱阵列，且所述一维半导体纳米柱阵列中纳米柱的高度不同，设置的高度范围为50nm-2um；
所述源电极设置在所述半导体基底上表面的一侧，所述一维半导体纳米柱阵列设置于所述半导体基底上表面图案化区域，所述绝缘层设置在所述半导体基底上表面远离所述源电极的另一侧以及所述一维半导体纳米柱阵列的间隙位置，所述二维层状材料置于所述一维半导体纳米柱阵列和所述绝缘层上，所述石墨烯层置于所述二维层状材料上，所述漏电极设置在所述石墨烯层上方。
2.根据权利要求1所述的梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，所述半导体基底为氧化锌单晶衬底，所述二维层状材料包括二维硒化钨、二维碲化钼或二维硫化钨，厚度为0.6nm-10nm。
3.根据权利要求1所述的梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，所述石墨烯层为机械剥离的石墨烯层状材料，厚度为0.6nm-10nm；所述绝缘层厚度设置为20nm-1um；所述绝缘层采用氧化铪、氧化锆、氧化铝或氧化硅。
4.根据权利要求1所述的梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，所述源电极和所述漏电极为利用热蒸镀沉积获取的铬/金金属电极，所述源电极和所述漏电极的厚度为5nm-100nm。
5.梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
设置不同高度的一维半导体纳米柱阵列；
通过精确转移方法将二维层状材料和石墨烯层先后转移至所述一维半导体纳米柱阵列顶部，诱导所述二维层状材料产生纳米压印力；
基于电子束曝光方法对源电极和漏电极的沉积区域进行图案化，并采用热蒸镀或电子束蒸镀方法沉积源电极区域和漏电极区域；
其中，梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，包括：
源电极、半导体基底、二维层状材料、一维半导体纳米柱阵列、石墨烯层、绝缘层和漏电极；
所述源电极设置在所述半导体基底上表面的一侧，所述一维半导体纳米柱阵列设置于所述半导体基底上表面图案化区域，所述绝缘层设置在所述半导体基底上表面远离所述源电极的另一侧以及所述一维半导体纳米柱阵列的间隙位置，所述二维层状材料置于所述一维半导体纳米柱阵列和所述绝缘层上，所述石墨烯层置于所述二维层状材料上，所述漏电极设置在所述石墨烯层上方。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，设置所述不同高度的一维半导体纳米柱阵列，包括：
在半导体基底表面旋涂紫外曝光负胶，使用设计的掩模板进行一次光刻；
通过原子层沉积方法在图案化区域沉积绝缘层；
溶解掉曝光区域的所述紫外曝光负胶，留下具有预设周期性孔洞结构的绝缘层；
在所述周期性孔洞结构分布的绝缘层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用电子束曝光技术分批次曝光出部分孔洞，用以生长不同高度的一维氧化锌纳米柱阵列；
外延生长一维半导体纳米柱阵列；
重复电子束曝光和外延生长的过程，通过控制生长时间的不同来控制半导体纳米柱的高度。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，通过所述精确转移方法将二维层状材料和石墨烯层先后转移至所述一维半导体纳米柱阵列顶部，包括：
以表面覆盖有二氧化硅的硅片作为牺牲基底，将二维层状材料剥离至牺牲基底上后，在所述牺牲基底表面旋涂一层PPC薄膜，在所述牺牲基底一侧缓慢注入去离子水，将所述牺牲基底上的二维层状材料随所述PPC薄膜被转移下来；
使用精确转移平台，将带有二维层状材料的PPC薄膜与所述一维半导体纳米柱阵列贴合，将所述二维层状材料精确覆盖在阵列顶部；
使用加热温度在100-120℃的热板，对转移层状材料的阵列进行热烘，通过水的缓慢蒸发诱导二维层状材料产生双轴应变；
将转移层状材料后的阵列使用温度为50-70℃的丙酮溶液浸泡15min,溶解PPC，然后使用临界点干燥仪，通过液态二氧化碳置换结构中的丙酮，完成丙酮的干燥。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，沉积所述源电极和所述漏电极，包括：
通过热蒸镀或电子束蒸镀方法，在图案化的区域沉积厚度50nm-100nm的铬/金金属电极，完成所述源电极和所述漏电极。
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