CN220963362U - 一种正负光电导特性可调的ws2探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种正负光电导特性可调的WS2探测器，包括：衬底，采用表面覆盖有氧化硅的硅衬底；二硫化钨栅极介质层，作为栅极沟道材料负载于衬底表面；金属电极，两金属电极与二硫化钨栅极介质层接触；二硫化钨栅极介质层采用三个原子层。本实用新型正负光电导特性可调的探测器，可同一器件中同时实现正负光电导效应，为发展新型光电探测器、高性能光电存储器等应用提供新的思路，扩大晶体管的应用范围。
Description
技术领域
本实用新型属于光电导探测器领域，尤其涉及一种基于激光功率和栅极电压可调正负光电导特性WS2探测器。
背景技术
光电导效应是一种光照变化引起材料电导变化的基本物理现象。对于半导体材料，在吸收大于带隙的入射光子能量后产生光生载流子，根据导致材料导电性的增强或减弱，光电导效应也相应分为正光电导和负光电导两种效应。这两种光电效应在低能耗、高频率响应光电器件等领域展现了重要的应用前景，也受到了广泛的研究关注。
正负光电导效应可以应用于光电探测器领域，光电探测器能把光信号转换为电信号，在传感、光电显示、成像、环境监测、宇宙探索及国防军事等方面都有重要的应用。大多数光电探测器为正光电导探测器，即在光照下的电流(光电流)大于黑暗条件下的电流(暗电流)，一般来讲，正光电导器件主要基于光电效应。而负光电器件与正光电导器件相反，该类器件的光电流小于暗电流，并且产生该现象的机理还需要进一步探究。此外，很少能有一种光电探测器既能呈现出正光电导，也能呈现出负光电导。
正负光电导效应可以应用于光电探测器领域，而最近的研究表明其与生物视觉通路中双极细胞的生物特性类似。双极细胞是脊椎动物视网膜的中间神经元，它接收光感受器(视锥细胞，视杆细胞)的信号输入，并把视觉信号分流为给光信号(ON)和撤光信号(OFF)，在整合后传递至无长突细胞和神经节细胞。在人脑处理的信息中，超过80％都是通过眼睛获得的，而由眼睛传入的光信息有很大部分是冗余的，双极细胞的作用并不只是简单地对光起反应，而是开始分析视觉信息，对输入的图像信息进行预处理，提取特征要素传入到大脑，从而提高了对信息处理的效率。构建一个媲美人眼的类脑视觉系统，是科研人员一直在研究探索的方向。基于正负光电导效应的类视网膜形态器件有望进一步扩展忆阻器的常规功能，实现一种集视觉信息感知和处理一体的人工视觉系统。
基于以上背景，如果能够在同一器件中同时实现正负两种光电导效应，以及这两种效应之间的高效调控，将有望为发展新型光电探测器、高性能光电存储器等应用提供新的思路。
发明内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种正负光电导特性可调的探测器，由此在同一器件中同时实现正负光电导效应，为发展新型光电探测器、高性能光电存储器等应用提供新的思路，扩大晶体管的应用范围。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种正负光电导特性可调的WS2探测器，包括：
衬底，采用表面覆盖有氧化硅的硅衬底；
二硫化钨栅极介质层，作为栅极沟道材料负载于衬底表面；
金属电极，两金属电极与二硫化钨栅极介质层接触；
二硫化钨栅极介质层采用三个原子层和四个原子层。
随着激光功率和栅极电压的增加，本实用新型二硫化钨栅极介质层采用三个原子层的探测器，由正光电导转变为负光电导，而二硫化钨栅极介质层采用四个原子层的器件则随着激光功率和栅极电压的增加一直显示负光电导。
进一步的，本实用新型WS2探测器的栅极沟道长度为3μm，宽度为5μm。
进一步的，上述衬底的厚度为300nm，氧化物电容Cox为115μF·m-2。
进一步的，上述金属电极采用Cr/Au电极。金属电极厚度为80nm。
本实用新型相比现有技术具有以下优点：
本实用新型以三个原子层的WS2作为栅极沟道材料构造WS2正负光电导特性可调的探测器件，固定漏极电压1V,随着栅极电压从-60V到60V以及激光功率从0.16nW到8.1nW，显示出由正光电导向负光电导的转变。本实用新型探测器可通过调控栅极电压和激光功率于同一器件中同时实现正负两种光电导效应，为发展新型光电探测器、高性能光电存储器等应用提供新的思路。
附图说明
图1是本实用新型正负光电导特性可调的WS2探测器的结构示意图；
图1中，1-金属电极，2-二硫化钨栅极介质层，3-衬底；
图2是通过施加1.0V的固定漏极电压，本实用新型具有三个原子层WS2的探测器件在栅极电压从-60V到60V变化时的输出特性曲线；
图3是通过施加1.0V的固定漏极电压，具有四个原子层WS2的探测器件在栅极电压从-60V到60V变化时的输出特性曲线；
图4分别是具有三个原子层WS2和四个原子层WS2的探测器件在-60V固定栅极电压和1.0V漏极电压下的低温光响应特性；
图4中，3L-WS2为具有三个原子层WS2的探测器件，4L-WS2为具有四个原子层WS2的探测器件。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对本实用新型基于激光功率和栅极电压可调正负电导特性WS2探测器进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他技术方案，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型正负光电导特性可调的WS2探测器，器件包括两个Cr/Au金属电极1、二硫化钨栅极介质层2、衬底3，二硫化钨栅极介质层2与两金属电极1接触。其中，二硫化钨栅极介质层2为三个原子层，栅极沟道长度为3μm，沟道宽度为5μm，衬底(即Si/SiO2电介质层)的厚度为300nm，氧化物电容Cox为115μF·m-2，金属电极1厚度约为80nm。
本实用新型WS2探测器通过以下方法制备：
步骤1、使用透明胶带将WS2薄片从商业大块2H-WS2晶体中机械剥离。
步骤2、通过转移方法将残留在胶带上的二硫化钨薄片转移到清洗干净的衬底3上，通过光学显微镜选择原子层为三层和四层的二硫化钨薄片，然后通过拉曼光谱和原子力显微镜进一步确认层数。
步骤3、使用标准电子束光刻工艺在薄片上图案化源电极和漏电极。光刻后，金属电极Cr/Au在高真空下在薄片上热蒸发，然后在丙酮中进行剥离工艺，以获得清晰的金属电极。
进一步地，步骤1中，将各层从整体分离到单层，称为“自上而下的过程”。有各种自上而下的方法来获得单层和多层的二维材料，如微机械剥离、液体剥离和化学气相沉积。在本实施例中，我们采用的是机械剥离的方法。在胶带中放置一块干净的大块二硫化钨(WS2)来进行剥离，在胶带上获得所需的厚度。
进一步地，步骤2中，对于机械剥离方法得到的二硫化钨薄片，通过粘贴的方式负载于衬底表面。负载前可先对衬底进行清洗。
进一步地，步骤3中，将聚甲基丙烯酸甲酯滴在衬底上，用旋涂仪以4000rpm旋转涂覆60秒。薄膜的厚度与旋涂的速度和时间有关，旋涂后，衬底在热板上以175℃加热1分钟，这有助于硬化抗蚀剂并提高电子束光刻的分辨率，进行电子束光刻以形成所需图案。在芯片上涂上一小点银膏，有助于聚焦光束。下一步是在异丙醇和甲基异丁基酮溶液中溶解聚甲基丙烯酸甲酯。随后，在异丙醇中冲洗衬底并用氮气干燥。再采用热蒸发来沉积金属触点，最后，将基底放入丙酮中以去除多余的金属膜，获得清晰的金属电极。
以上步骤最终获得的具有四个原子层WS2的器件和本实用新型具有三个原子层WS2的器件性能对比如下：
图2和图3是通过施加1.0V的固定漏极电压，具有三个原子层WS2的FET(本实用新型正负光电导特性可调的探测器)和具有四个原子层WS2的FET在栅极电压从-60V到60V变化时的低温输出特性曲线。激光功率从0.16nW增加到8.1nW，波长为532nm。激光功率0.16mW增加到8.1nW和栅极电压从-60V增加到-30V时，具有三个原子层WS2的器件显示为正光电导效应，随着栅极电压从-30V到60V时，器件则转变为负光电导效应。而在相同的条件下，随着栅极电压和激光功率的增加，具有四个原子层WS2的器件则完全显示出负光电导效应。
图4分别是具有三个原子层WS2 FET(3L-WS2)和具有四个原子层WS2 FET(4L-WS2)在-60V固定栅极电压和1.0V漏极电压下的光响应特性。具有三个原子层WS2的器件则显示出正光电导效应，而四个原子层的WS2器件则显示出负光电导效应。使用三个激光功率分别为0.16、2.0和8.1nW，波长为532nm。光电流数据是从发光电流中减去暗电流后获得的。
本实用新型通过机械剥离获得三个原子层的WS2，并且构造WS2正负光电导探测器件，固定漏极电压1V,随着栅极电压从-60V到-30V以及激光功率从0.16nW到8.1nW，该探测器件光电导为正光电导特性，随着栅极电压(-60V-60V)和激光功率(0.16nW-8.1nW)的增加，则显示出由正光电导向负光电导的转变。本实用新型探测器可通过调控栅极电压和激光功率同一器件中同时实现正负两种光电导效应，为发展新型光电探测器、高性能光电存储器等应用提供新的思路。
Claims (4)
1.一种正负光电导特性可调的WS2探测器，其特征在于，包括：
衬底，采用表面覆盖有氧化硅的硅衬底；
二硫化钨栅极介质层，作为栅极沟道材料负载于所述衬底表面；
金属电极，两金属电极与二硫化钨栅极介质层接触；
所述二硫化钨栅极介质层采用三个原子层和四个原子层。
2.根据权利要求1所述的WS2探测器，其特征在于，所述WS2探测器的栅极沟道长度为3μm，宽度为5μm。
3.根据权利要求2所述的WS2探测器，其特征在于，所述衬底的厚度为300nm，氧化物电容Cox为115μFm-2。
4.根据权利要求3所述的WS2探测器，其特征在于，所述金属电极采用Cr/Au电极。
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