CN207611774U - 一种近红外光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种光电探测器，包括：基底、依次设置在基底表面上的隔离层和光吸收层、以及设置在光吸收层相对的两端且分别与光吸收层接触的源极和漏极，源极和漏极之间形成的沟道结构暴露出部分光吸收层，光吸收层为β‑InSe纳米薄片。所述光电探测器具有很高的近红外光响应度和环境稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电探测器领域，具体涉及一种近红外电探测器。
背景技术
光电探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起的被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电探测器用途广泛，涵盖军事和国民经济的各个领域，如在可见光和近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等。目前科学研究和工业生产领域利用新型二维材料半导体形成高效光电探测器正在迅猛发展。
III-VI半导体材料由于具有特殊的电学和光学性能，在电子和光电子领域具有巨大的潜在应用。在这些半导体中，InSe是一种重要的层状半导体，其光电探测范围可从可见光到近红外波段，且具有高的光电响应，但是目前报道的γ-InSe在环境条件下容易被氧化，这极大地限制了其应用。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种近红外光电探测器。本实用新型提供的近红外光电探测器具有很高的近红外光响应度，同时具有很好的环境稳定性。
本实用新型提供了一种近红外光电探测器，包括：基底、依次设置在所述基底表面上的隔离层和光吸收层、以及设置在所述光吸收层相对的两端且分别与所述光吸收层接触的源极和漏极，所述源极和所述漏极之间形成的沟道结构暴露出部分所述光吸收层，所述光吸收层的材料为β-InSe纳米薄片。
其中，所述光吸收层的厚度为2-20nm。
其中，所述光吸收层的厚度为5-10nm。
其中，所述源极和所述漏极之间暴露出的光吸收层沿垂直于所述源极和所述漏极延伸方向的长度为1-10μm，沿平行于所述源极和所述漏极延伸方向的宽度为1-15μm。
其中，所述源极和所述漏极之间暴露出的光吸收层的长度为3μm，宽度为10μm。
其中，所述基底的材质为硅，所述基底的厚度为300-500μm，电阻率为1-10Ω·cm。
其中，所述隔离层的材质为二氧化硅，所述隔离层的厚度为200-500nm。
其中，所述光吸收层上还设置有石墨烯层、纳米金属层或量子点层。
其中，所述源极和漏极为金层、钛层、铝层、铬层、钨层和镍层中的一种或多种。
其中，所述源极和漏极均为由铬层和金层层叠形成的复合电极，其中，所述铬层与所述光吸收层接触，所述铬层的厚度为5-10nm，所述金层的厚度为20-80nm。
本实用新型提供的近红外光电探测器在具有很高的近红外光响应度的同时，具有很好的环境稳定性。这表明所述探测器能够在非低温、非真空的空气环境中持续稳定的工作。可以省去为了防止二维材料氧化等问题必须要进行的器件封装保护的过程，为器件的实际生产使用大大地简化了加工工序，同时得到的探测器结构简单。
附图说明
图1为本实用新型实施方式提供的近红外光电探测器的结构示意图；
图2为本实用新型实施方式提供的近红外光电探测器的制备过程示意图；
图3为本实用新型实施方式提供的近红外光电探测器的环境稳定性测试结果；
图4为本实用新型实施方式提供的近红外光电探测器进行光电探测测试结果。
具体实施方式
以下所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
请参照图1，本实用新型实施例提供了一种近红外光电探测器10，包括：基底1、设置在所述基底表面的隔离层2、设置在所述隔离层2表面的光吸收层3、设置在所述光吸收层3相对的两端且分别与所述光吸收层3接触的源极4和漏极5，所述源极4和所述漏极5之间形成的沟道结构暴露部分所述光吸收层3，所述光吸收层3为β-InSe纳米薄片。
本实用新型实施例中，所述β-InSe纳米薄片的层数小于或等于25层。可选地，所述β-InSe纳米薄片的层数为2-25层。进一步可选地，所述β-InSe纳米薄片的层数为2-10层。
本实用新型实施例中，所述光吸收层3的厚度为2-20nm。可选地，所述光吸收层3的厚度为5-10nm。
本实用新型实施例中，所述光吸收层3上还可以设置石墨烯层、纳米金属层或量子点层以形成异质结，以有效提高光电探测器的性能。可选地，所述纳米金属可以选自Au、Ag或Al等。可选地，在所述光吸收层表面设置金属纳米点阵列。可选地，所述量子点包括PbS或SnSe等。可选地，所述量子点旋涂在所述光吸收层表面形成异质结。
本实用新型实施例中，所述β-InSe纳米薄片是从β-InSe单晶块通过撕胶带的方法得到的。
本实用新型实施例中，所述基底1的材质为硅，所述基底1的厚度为300-500μm，电阻率为1-10Ω·cm。可选地，所述基底1为p型或n型掺杂的硅片。
本实用新型实施例中，所述隔离层2的材质为二氧化硅，所述隔离层2的厚度为200-500nm。
本实用新型实施例中，所述源极4和漏极5为金层、钛层、铝层、铬层、钨层和镍层中的一种或上述多种金属层层叠形成的复合电极。可选地，所述源极4和漏极5均为由铬层和金层层叠形成的复合电极，其中，所述铬层与所述光吸收层接触，所述铬层的厚度为5-10nm，所述金层的厚度为20-80nm。所述源极4和所述漏极5连接外部电源。可选地，所述源极4和所述漏极5与所述光吸收层3实现接触即可，至于接触的面积不做特殊限定。可选地，所述源极4和所述漏极5中的一部分与所述光吸收层3部分接触，另一部分与所述隔离层2接触。
请参照图1，本实用新型实施例中，所述源极和所述漏极之间暴露出的光吸收层沿垂直于所述源极和所述漏极延伸方向的长度L为1-10μm，沿平行于所述源极和所述漏极延伸方向的宽度W为1-15μm。在所述长度和宽度条件下，得到的光点探测器性能良好。可选地，所述源极和所述漏极之间暴露出的光吸收层的长度L为3μm，宽度W为10μm。
本实用新型实施例中，所述近红外光电探测器可以实现对近红外光的有效探测，可选地，所述近红外光电探测器可以实现对波长为780-980nm的近红外光的探测。
本实用新型实施例提供的近红外光电探测器，采用β-InSe纳米薄片作为半导体材料，环境稳定性良好，不容易被氧化，解决了现有半导体材料γ-InSe存在的缺陷。得到的光电探测器在具有很高的近红外光响应度的同时，具有很好的环境稳定性。这表明所述探测器能够在非低温、非真空的空气环境中持续稳定的工作。可以省去为了防止二维材料氧化等问题必须要进行的器件封装保护的过程，为器件的实际生产使用大大地简化了加工工序，同时得到的探测器结构简单。
参照图2，本实用新型实施例还提供了一种近红外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
S01、提供基底1和设置在所述基底1上的隔离层2；
S02、提供β-InSe单晶块，将β-InSe单晶块粘到胶带上，反复撕10-20次，得到β-InSe纳米薄片3，再将得到的β-InSe纳米薄片3转移到有机薄膜6上，最后将所述有机薄膜6上的β-InSe纳米薄片31转移到所述隔离层2上，形成光吸收层；
S03、在所述β-InSe纳米薄片31上方以及未被所述β-InSe纳米薄片31覆盖的隔离层2上方旋涂光刻胶7，经曝光和显影后，形成电极图案8；
S04、沉积电极材料，随后用有机溶剂剥离光刻胶，形成源极4和漏极5。
本实用新型实施例中，步骤S01中，提供p型或n型掺杂的具有二氧化硅层的硅片，所述硅片包括两层，分别为二氧化硅层和硅层，所述硅层的厚度为300-500μm，电阻率为1-10Ω·cm，所述二氧化硅层厚度为200-500nm。其中，所述硅层作为基底1，所述二氧化硅层作为隔离层2。具体地，用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片切成1×1cm2大小，得到待使用的硅片。
本实用新型实施例中，步骤S01中还包括对所述硅片进行清洗的操作，所述清洗按照以下方法操作：
将待使用的硅片依次通过丙酮溶液、异丙醇(或为乙醇)分别超声3-5分钟，再用去离子水超声3-8min，并用高纯氮气快速吹干待用。
本实用新型实施例中，步骤S02中，所述胶带为Scotch胶带。所述有机薄膜6包括聚二甲基硅氧烷((PDMS))薄膜。通过撕胶带的方法可以得到厚度较薄、层数较少的β-InSe薄片，同时该方法简单易操作。
本实用新型实施例中，步骤S02中，所述β-InSe单晶块按照以下方法制得：
将In源和Se源以摩尔比为1:1混合，然后在400-800℃范围内采用温度梯度的方法制得所述β-InSe单晶块。
本实用新型实施例中，步骤S03中，在所述β-InSe薄片31上方以及未被所述β-InSe薄片31覆盖的隔离层2上方旋涂一层光刻胶7(PMMA)(型号为950，A4-A10)，转速为2000-4000转/分钟，并在加热板上烘1-5分钟，烘干温度为50-180摄氏度。将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案8。所述电极图案8为穿透所述光刻胶且暴露出部分所述β-InSe薄片的两个通孔。
本实用新型实施例中，步骤S04中，在所述通孔上方进行沉积电极材料，所述电极材料填充所述通孔并与所述β-InSe薄片相接触，形成源极4和漏极5。可选地，通过热蒸镀或磁控溅射等方法进行沉积。可选地，先沉积5-10nm厚度的铬层9，然后沉积20-80nm的金层10以形成复合电极。沉积结束之后，将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮等有机溶剂中浸泡用于剥离光刻胶，并放置在加热板上加热10-30分钟，其中加热板温度设置为30-50摄氏度，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。
本实用新型实施例提供的近红外光电探测器的制备方法工艺简单易操作。制得的具有很好的环境稳定性，同时所述光电探测器具有高的光响应度，极具实用价值。
实施例1：
一种近红外光电探测器，包括依次层叠的硅基体、二氧化硅隔离层和β-InSe纳米薄片，设置在β-InSe纳米薄片相对的两端且分别与β-InSe纳米薄片接触的源极和漏极，源极和漏极之间形成的沟道结构暴露出部分β-InSe纳米薄片。硅基体的厚度为300μm，二氧化硅隔离层的厚度为300nm，β-InSe纳米薄片的厚度为10nm，源极和漏极分别为5nm厚的铬层和40nm厚的金层层叠形成的复合电极。
一种近红外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗硅片；用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为300μm，电阻率为1-10Ω·cm，SiO2部分的厚度为300nm)切成1×1cm2大小，通过丙酮溶液、异丙醇(异丙醇也可以采用乙醇替代)分别超声5分钟，再用去离子水超声5min并用高纯氮气快速吹干待用。
(2)制备β-InSe纳米薄片；取少量β-InSe单晶粘到胶带(如Scotch胶带)上，反复撕10-20次，得到厚度为10nm的β-InSe纳米薄片。再将撕好的样品转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，最后将PDMS薄膜上的样品转移到步骤(1)中清洗干净的待用硅片上。
(3)旋涂烘干；在上述硅片表面旋涂一层光刻胶PMMA(A4)，转速为3000转/分钟，并在加热板上烘5分钟，烘干温度为120摄氏度。
(4)电子束曝光、显影；将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案。
(5)镀膜；通过热蒸镀的方法先后蒸镀5nm厚的铬层和40nm厚的金层，形成源极和漏极。
(6)去金；将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮中浸泡，并放置在加热板上加热10分钟，其中加热板温度设置为50摄氏度，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。
实施例2：
一种近红外光电探测器，包括依次层叠的硅基体、二氧化硅隔离层和β-InSe纳米薄片，设置在β-InSe纳米薄片相对的两端且分别与β-InSe纳米薄片接触的源极和漏极，源极和漏极之间形成的沟道结构暴露出部分β-InSe纳米薄片。硅基体的厚度为500μm，二氧化硅隔离层的厚度为500nm，β-InSe纳米薄片的厚度为5nm，源极和漏极分别为10nm厚的铬层和80nm厚的金层层叠形成的复合电极。
一种近红外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗硅片；用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为500μm，电阻率为1-10Ω·cm，SiO2部分的厚度为500nm)切成1×1cm2大小，通过丙酮溶液、异丙醇(异丙醇也可以采用乙醇替代)分别超声5分钟，再用去离子水超声3min并用高纯氮气快速吹干待用。
(2)制备β-InSe纳米薄片；取少量β-InSe单晶粘到胶带(如Scotch胶带)上，反复撕10-20次，得到厚度为5nm的β-InSe纳米薄片。再将撕好的样品转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，最后将PDMS薄膜上的样品转移到步骤(1)中清洗干净的待用硅片上。
(3)旋涂烘干；在上述硅片表面旋涂一层光刻胶PMMA(A4)，转速为2000转/分钟，并在加热板上烘1分钟，烘干温度为180摄氏度。
(4)电子束曝光、显影；将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案。
(5)镀膜；通过热蒸镀的方法先后蒸镀10nm厚的铬层和80nm厚的金层，形成源极和漏极。
(6)去金；将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮中浸泡，并放置在加热板上加热30分钟，其中加热板温度设置为30摄氏度，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。
实施例3：
一种近红外光电探测器，包括依次层叠的硅基体、二氧化硅隔离层和β-InSe纳米薄片，设置在β-InSe纳米薄片相对的两端且分别与β-InSe纳米薄片接触的源极和漏极，源极和漏极之间形成的沟道结构暴露出部分β-InSe纳米薄片。硅基体的厚度为400μm，二氧化硅隔离层的厚度为200nm，β-InSe纳米薄片的厚度为2nm，源极和漏极分别为10nm厚的铬层和80nm厚的金层层叠形成的复合电极。
一种近红外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗硅片；用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为400μm，电阻率为1-10Ω·cm，SiO2部分的厚度为200nm)切成1×1cm2大小，通过丙酮溶液、异丙醇(异丙醇也可以采用乙醇替代)分别超声5分钟，再用去离子水超声8min并用高纯氮气快速吹干待用。
(2)制备β-InSe纳米薄片；取少量β-InSe单晶粘到胶带(如Scotch胶带)上，反复撕10-20次，得到厚度为2nm的β-InSe纳米薄片。再将撕好的样品转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，最后将PDMS薄膜上的样品转移到步骤(1)中清洗干净的待用硅片上。
(3)旋涂烘干；在上述硅片表面旋涂一层光刻胶PMMA(A4)，转速为2000转/分钟，并在加热板上烘5分钟，烘干温度为50摄氏度。
(4)电子束曝光、显影；将涂有光刻胶的样品进行电子束曝光，并通过显影工艺得到特定的电极图案。
(5)镀膜；通过热蒸镀的方法先后蒸镀7nm厚的铬层和20nm厚的金层，形成源极和漏极。
(6)去金；将蒸镀好铬/金电极的样品放入丙酮中浸泡，并放置在加热板上加热20分钟，其中加热板温度设置为40摄氏度，最后取出样品用高纯氮气快速吹干即可。
实施例4：
将实施例1制得的近红外光电探测器进行电学稳定性的测试，测试方法包括以下步骤：
(1)取实施例1中制作好的近红外光电探测器，用硅片刀在硅片的一个角划开二氧化硅层。
(2)将其放在半导体特性分析仪配套的探针平台上，通过配套的CCD成像系统找到硅片上探测器的准确位置。
(3)选取探针台配套的两个探针分别接触到探测器的源、漏电极，选取另一探针接触步骤(1)中划开的二氧化硅层，当做探测器的背栅电极。
(4)打开半导体特性分析仪测试软件，栅极探针选择电压扫描模式，扫描范围为-60V-60V，设置漏极电压为1V，源极电压为0V。
(5)运行测试软件，得到探测器的电学测试图。
(6)将探测器分别置于空气环境中2天、4天、6天、8天、10天后重复上述测试，最终得到图3的环境稳定的电学测试结果图。
实施例5：
将实施例1制得的近红外光电探测器进行近红外光探测的测试，测试方法包括以下步骤：
(1)取实施例1中制作好的近红外光电探测器，用硅片刀在硅片的一个角划开二氧化硅层。
(2)将其放在半导体特性分析仪配套的探针平台上，通过配套的CCD成像系统找到硅片上探测器的准确位置。
(3)选取探针台配套的两个探针分别接触到探测器的源、漏电极，选取另一探针接触步骤(1)中划开的二氧化硅层，当做探测器的背栅电极。
(4)打开半导体特性分析仪测试软件，漏极探针选择电压扫描模式，扫描范围为-3V-3V，设置源极电压为0V，栅极电压为0V。
(5)运行测试软件，得到探测器在无光条件下电学测试图。
(5)引入800nm激光，垂直照射在基于β-InSe的新型光电探测器上。
(6)分别在激光功率为2.20mW/cm2、12.0mW/cm2、44.6mW/cm2、94.2mW/cm2、168.0mW/cm2、255.0mW/cm2的条件下运行测试软件，分别得到图4的探测器对应不同入射激光功率的电学测试图。
从图3和图4中可以看出，本实用新型实施例制得的近红外光电探测器具有较高的近红外光响应度，同时具有很好的环境稳定性。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种近红外光电探测器，其特征在于，包括：基底、依次设置在所述基底表面上的隔离层和光吸收层、以及设置在所述光吸收层相对的两端且分别与所述光吸收层接触的源极和漏极，所述源极和所述漏极之间形成的沟道结构暴露出部分所述光吸收层，所述光吸收层为β-InSe纳米薄片。
2.如权利要求1所述的近红外光电探测器，其特征在于，所述光吸收层的厚度为2-20nm。
3.如权利要求2所述的近红外光电探测器，其特征在于，所述光吸收层的厚度为5-10nm。
4.如权利要求1所述的近红外光电探测器，其特征在于，所述源极和所述漏极之间暴露出的光吸收层沿垂直于所述源极和所述漏极延伸方向的长度为1-10μm，沿平行于所述源极和所述漏极延伸方向的宽度为1-15μm。
5.如权利要求4所述的近红外光电探测器，其特征在于，所述源极和所述漏极之间暴露出的光吸收层的长度为3μm，宽度为10μm。
6.如权利要求1所述的近红外光电探测器，其特征在于，所述基底的材质为硅，所述基底的厚度为300-500μm，电阻率为1-10Ω·cm。
7.如权利要求1所述的近红外光电探测器，其特征在于，所述隔离层的材质为二氧化硅，所述隔离层的厚度为200-500nm。
8.如权利要求1所述的近红外光电探测器，其特征在于，所述光吸收层上还设置有石墨烯层、纳米金属层或量子点层。
9.如权利要求1所述的近红外光电探测器，其特征在于，所述源极和漏极为金层、钛层、铝层、铬层、钨层和镍层中的一种或多种。
10.如权利要求9所述的近红外光电探测器，其特征在于，所述源极和漏极均为由铬层和金层层叠形成的复合电极，其中，所述铬层与所述光吸收层接触，所述铬层的厚度为5-10nm，所述金层的厚度为20-80nm。
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Cited By (2)
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2017
- 2017-11-03 CN CN201721459164.6U patent/CN207611774U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN107863402A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-03-30 | 深圳大学 | 一种近红外光电探测器及其制备方法 |
| WO2019085595A1 (zh) * | 2017-11-03 | 2019-05-09 | 深圳大学 | 一种近红外光电探测器及其制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |