基於二維層狀原子晶體材料的光探測器的製作方法

2023-05-30 14:40:06

專利名稱：基於二維層狀原子晶體材料的光探測器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光探測器領域，具體的涉及一種基於二維層狀原子晶體材料的光探測器。
背景技術：
對光探測器而言，光探測器的探測帶寬和響應速度是衡量其性能的重要參數。傳統的基於IV族和II1-V族半導體(例如矽和砷化鎵)的光探測器的波譜範圍和探測帶寬受到其能帶和載流子渡 越時間的限制，因此難以實現超快寬帶吸收的光探測器，不適用於某些對器件性能要求更加嚴格的應用場合，如超快寬帶數據傳輸領域。另一方面，隨著對器件集成度的要求的提高，器件尺寸需要不斷減小，傳統基於IV族和II1- V族半導體的器件尺寸已經接近其極限。目前也有一些是直接採用以石墨烯為代表的材料構建的光探測器，其體現出獨特的零帶隙能帶結構和近彈道輸運的電學性質，直接採用石墨烯構建的光探測器與傳統半導體光探測器相比，具有探測波譜範圍寬、超快響應速度和高截止頻率的工作特性，然而其缺陷在於器件的光響應度低，光生載流子的提取難。

發明內容
為克服現有技術的缺點，本發明旨在提供了一種基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，既能保證器件具有快速寬帶響應特性，同時採用縱向垂直器件結構，又可以提高器件的單片集成度。為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案實現:基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，包括一二氧化矽覆蓋的矽襯底，所述二氧化矽覆蓋的矽襯底上依次疊加覆蓋有第一石墨烯導電層、二維層狀原子晶體半導體材料層和第二石墨烯導電層，所述第一石墨烯導電層和所述第二石墨烯導電層分別與所述二維層狀原子晶體半導體材料層形成異質結結構；在所述第一石墨烯導電層與所述二維層狀原子晶體半導體材料層以及所述第二石墨烯導電層交疊區之外的一端上設有第一電極層，在所述第二石墨烯導電層與所述二維層狀原子晶體半導體材料層以及所述第一石墨烯導電層交疊區之外的一端上設有第二電極層；所述各層的上方設置有一鈍化層。進一步的，所述第一石墨烯導電層和所述第二石墨烯導電層分別為摻雜之後的單層或數層石墨烯，生長所述石墨烯由機械剝離或化學氣相沉積(Chemical VaporDeposition, CVD)的方法形成,上述兩層石墨烯的功函數具有一定的差異並和所述二維層狀原子晶體半導體材料層形成能帶梯度。進一步的，所述二維層狀原子晶體半導體材料層為M0S2、M0Se2、WS2、、WSe2、TiS2或VSe2等過渡金屬和第六族元素形成的二硫屬化合物原子層晶體材料感光層，由機械剝離、或化學液相合成或CVD的方法形成，厚度為5 300納米。優選的，所述第一電極層和所述第二電極層為金屬材料，包括鉻、鈦、鋁或金，由磁控濺射方法或電子束蒸發或熱蒸發方法形成，厚度為5 300納米。優選的，所述第一電極層和所述第二電極層為透明導電材料，包括氧化銦錫或氧化鋅鋁，由磁控濺射方法形成，厚度為5 300納米。進一步的，所述第一電極層和所述第二電極層可以為同一種材料，也可以為不同的材料。進一步的，所述鈍化層為六方氮化硼。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:1、本發明採用了二維層狀原子晶體材料，其通常體現出其相應的體材料中所沒有的性質，典型的代表如MoS2和WS2,為直接帶隙半導體材料，具有一定的能帶帶隙和極高的載流子遷移率，並且在可見光區具有很強的光吸收特性，經測試300納米厚的WS2可以吸收95%的可見光。2、本發明所採用的二維層狀原子晶體材料的另一個顯著特點是其能帶可以通過外電場或化學修飾的方法有效調控。採用石墨烯/WS2/石墨烯或石墨烯/MoS2/石墨烯的縱向垂直結構形成異質結結構，使用化學摻雜等方法使兩層石墨烯的功函數呈現一定梯度，如石墨烯/MoS2/石墨烯這三層原子晶體材料的功函數逐漸升高或降低，一方面可以大幅度地提高光生載流子的定向移動和提取，另一方面利用MoS2或WS2的強的光吸收特性可以大幅度提高器件響應度，同時，還可以採用能帶調控的方法，調控探測器的探測波譜範圍。3、從應用角度而言，本發明的技術與當前的矽電子工藝平臺具有良好的兼容性，並且製備工藝相對簡單，器件成功率高，因此具有實現快速、寬帶響應、寬光譜光探測的極大潛力。4、本發明的縱向垂直型的器件結構可以使得器件尺寸減小，提高集成度。


此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中:圖1是本發明整體結構示意圖。圖2是本發明的第一石墨烯導電層在矽襯底上覆蓋位置的示意圖。圖3是本發明的二維層狀原子晶體半導體材料層在矽襯底和第一石墨烯導電層上覆蓋位置的示意圖。圖4是本發明的第二石墨烯導電層在第一石墨烯導電層和二維層狀原子晶體半導體材料層上覆蓋位置的示意圖。圖5是本發明的電極層在第一、第二石墨烯導電層上覆蓋位置的示意圖。圖6是本發明的鈍化層覆蓋位置的示意圖。圖7是本發明的第一、第二金屬引出電極及互連線覆蓋位置的示意圖。圖8a是本發明的第一石墨烯導電層、二維層狀原子晶體半導體感光層、第二石墨烯導電層所形成的異質結結構的剖面示意圖。圖8b是圖8a中電化學修飾後異質結內的能帶梯度分布示意圖。圖8c是圖8a 中另一種電化學修飾後異質結內的能帶梯度分布示意圖。
具體實施例方式下面將參考附圖並結合實施例，來詳細說明本發明。參見圖1所示，基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，包括一二氧化矽覆蓋的矽襯底1，所述二氧化矽覆蓋的矽襯底I上依次疊加覆蓋有第一石墨烯導電層2、二維層狀原子晶體半導體材料層3和第二石墨烯導電層4，所述第一石墨烯導電層2和所述第二石墨烯導電層4分別與所述二維層狀原子晶體半導體材料層3形成異質結結構；在所述第一石墨烯導電層2與所述二維層狀原子晶體半導體材料層3以及所述第二石墨烯導電層4交疊區之外的一端上設有第一電極層5，在所述第二石墨烯導電層4與所述二維層狀原子晶體半導體材料層3以及所述第一石墨烯導電層2交疊區之外的一端上設有第二電極層6 ;所述各層的上方設置有一鈍化層7。參見圖2 7所示，本發明的製作方法具體包括以下步驟:I)參見2所示，所用襯底為二氧化矽覆蓋的矽基底I，在所述二氧化矽覆蓋的矽基底I上直接生長或通過轉移技術的方法覆蓋一層第一石墨烯導電層2，所述第一石墨烯導電層2可以為單層或數層石墨烯；生長所述石墨烯的方法可以為機械剝離法，也可以為CVD法，之後通過轉移技術轉移到目標基底上，然後光刻和刻蝕形成石墨烯的納米帶狀結構。2)參見3所示，在所述第一石墨烯導電層2上製備一層二維層狀原子晶體半導體材料層3，其厚度可為5至300納米。其中所述二維層狀原子晶體半導體材料層3為對光敏感的MoS2或WS2半導體層，可採用機械剝離法、化學液相合成或CVD法製備該層，之後通過轉移技術轉移在所述第一石墨烯導電層2和所述二氧化矽覆蓋的矽基底I上，也可以採用在第一層石墨烯導電層2上直接使用CVD法生長一層二維層狀原子晶體半導體材料層3。

3)參見4所示，在所述第一石墨烯導電層2和所述二維層狀原子晶體半導體材料層3之上覆蓋一第二石墨烯導電層4，所述第二石墨烯導電層4可以為單層或數層石墨烯；覆蓋所述石墨烯的方法可採用機械剝離法或CVD法生長，之後通過轉移技術轉移在所述第一石墨烯導電層2和所述二維層狀原子晶體半導體材料層3上，然後光刻和刻蝕形成石墨烯的納米帶狀結構。此時，所述第一石墨烯導電層2和所述第二石墨烯導電層4分別與所述二維層狀原子晶體半導體材料層3形成異質結結構，可以通過在所述二氧化矽覆蓋的矽襯底I上施加電壓控制異質結內的能帶特性，或者將覆蓋所述第一石墨烯導電層2和所述第二石墨烯導電層4進行化學摻雜修飾以調控其費米能級位置以獲得一定的能帶梯度，從而大大提高光探測器的響應度。4)參見5所示，由磁控濺射方法或電子束蒸發、熱蒸發的方法澱積一層100 300納米厚的金屬鉻膜，然後通過剝離工藝製成金屬形成第一、第二電極層5，6。所述第一電極層5和所述第二電極層6可以為金屬材料，如鉻、鈦、鋁或金等，也可為透明導電材料，如氧化銦錫(ITO)或氧化鋅鋁(AZO)等。所述第一電極層5和所述第二電極層6可以為同一種材料，也可以為不同的材料。此時所述第一電極層5和所述第一石墨烯導電層2有一定的交疊，所述第二電極層6和所述第二石墨烯導電層4有一定的交疊，同時所述的第一電極層5和所述第二電極層6無任何交疊。5)參見圖6所示，在上述各層上方用CVD方法澱積一層I 100納米厚度的透明的鈍化層7，所述鈍化層7為六方氮化硼(hBN)層，然後在所述鈍化層7上分別光刻和刻蝕形成所述第一、二電極層5,6的第一、第二引出孔9,8。6)如圖7所示，在所述鈍化層7上用磁控濺射方法澱積一層50 300納米厚的鋁膜，然後光刻和刻蝕製成各電極的第一、第二金屬引出電極11，10及其互連線。參見圖8a所示，圖8a是本發明的第一石墨烯導電層、二維層狀原子晶體半導體感光層、第二石墨烯導電層所形成的異質結結構的剖面示意圖。參見圖Sb和圖Sc所示，其分別為不同電化學修飾後異質結內的能帶梯度分布示意圖，圖中Ef代表石墨烯的費米能級。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進 等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，其特徵在於:包括一二氧化矽覆蓋的矽襯底(I)，所述二氧化矽覆蓋的矽襯底(I)上依次疊加覆蓋有第一石墨烯導電層(2)、二維層狀原子晶體半導體材料層(3)和第二石墨烯導電層(4)，所述第一石墨烯導電層(2)和所述第二石墨烯導電層(4)分別與所述二維層狀原子晶體半導體材料層(3)形成異質結結構；在所述第一石墨烯導電層(2)與所述二維層狀原子晶體半導體材料層(3)以及所述第二石墨烯導電層(4)交疊區之外的一端上設有第一電極層(5)，在所述第二石墨烯導電層(4)與所述二維層狀原子晶體半導體材料層(3)以及所述第一石墨烯導電層(2)交疊區之外的一端上設有第二電極層出)；所述各層的上方設置有一鈍化層(7)。
2.根據權利要求1所述的基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，其特徵在於:所述第一石墨烯導電層(2)和所述第二石墨烯導電層(4)分別為摻雜之後的單層或數層石墨烯，上述兩層石墨烯的功函數具有一定的差異並和所述二維層狀原子晶體半導體材料層(3)形成能帶梯度。
3.根據權利要求1所述的基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，其特徵在於:所述二維層狀原子晶體半導體材料層(3) SM0S2、M0Se2、WS2、WSe2、TiS2*VSe2中的一種過渡金屬和第六族元素形成的二硫屬化合物原子層晶體材料感光層，厚度為5 300納米。
4.根據權利要求1所述的基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，其特徵在於:所述第一電極層(5)和所述第二電極層(6)為金屬材料，包括鉻、鈦、鋁或金，厚度為5 300納米。
5.根據權利要求1所述的基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，其特徵在於:所述第一電極層(5)和所述第二電極層(6)為透明導電材料，包括氧化銦錫或氧化鋅鋁，厚度為5 300納米。
6.根據權利要 求4或5所述的基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，其特徵在於:所述第一電極層(5)和所述第二電極層￠)為同一種材料或為不同的材料。
7.根據權利要求1所述的基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，其特徵在於:所述鈍化層(7)為六方氮化硼。
全文摘要
本發明公開了基於二維層狀原子晶體材料的光探測器，包括一二氧化矽覆蓋的矽襯底，二氧化矽覆蓋的矽襯底上依次疊加覆蓋有第一石墨烯導電層、二維層狀原子晶體半導體材料層和第二石墨烯導電層，第一石墨烯導電層和第二石墨烯導電層分別與二維層狀原子晶體半導體材料層形成異質結結構；在第一、第二石墨烯導電層的一端上分別設有第一、第二電極層，且無任何交疊，同時第一、第二電極層又在第一、第二石墨烯導電層和二維層狀原子晶體半導體材料層的交疊區之外；各層的上方設置有一鈍化層。本發明採用了二維層狀原子晶體材料，具有探測波譜範圍寬、超快響應速度和高截止頻率的工作特性，同時也具備了器件的光響應度高，光生載流子的提取簡單的特性。
文檔編號H01L31/0352GK103219403SQ20131013595
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者鮑橋梁, 李紹娟, 喬虹, 甘勝, 沐浩然, 徐慶陽 申請人:蘇州大學