一种MSM光电探测器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种MSM光电探测器及其制作方法，该MSM光电探测器包括衬底以及设置在衬底上的二维半导体材料薄片和两个金属电极，所述二维半导体材料薄片的厚度均匀且具有不对称的几何结构，所述两个金属电极相对地设置在二维半导体材料薄片的两个边缘上，且两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同。本发明专利技术的MSM光电探测器具有自驱动的功能、较低的探测极限以及较高可靠性，而且本探测器结构优良，制作工艺简单，生产成本低，可广泛应用于半导体行业中。

【技术实现步骤摘要】
一种MSM光电探测器及其制作方法
本专利技术涉及半导体器件及制造领域，特别是涉及一种不对称结构的MSM光电探测器及其制作方法。
技术介绍
光电探测器是一类重要的光电传感器，在工业、国防、医学以及日常生活中有着广泛的应用。在我们的日常生活与研究中出现的大量光电探测器中，每种光电探测器都必须针对特定应用场合的要求。在过去的几年中，新兴的二维层状材料给光电探测器的研究指出了新的方向。不同的二维材料通常具有不同的带隙，因此几乎涵盖了目前所有不能通过传统的半导体材料来实现探测的波长范围。二维材料每一层的光吸收比传统材料硅高出一个数量级，因此利用很薄的二维材料就可以得到较大的光学吸收实现有效的光电探测器。此外，二维材料光电探测器与当前半导体制造工艺兼容，使其具有替代传统光电探测器的潜力。早期的基于二维材料的光电探测器使用了具有不同二维材料(如石墨烯，MoS2，WSe2等)作为沟道、硅衬底作为背栅场效应晶体管的结构。石墨烯光电探测器虽然在红外区域具有高响应度的优点，但是石墨烯的零带隙能带结构带来的较大暗电流限制了石墨烯光电探测器的探测能力。另一方面，由于金属电极和半导体材料之间的肖特基势垒较大，基于过渡金属二硫族化合物(TMD)和黑磷等二维半导体材料实现的光电探测器具有低暗电流的优点，不过这类探测器需要电源提供偏置才能产生光电流。对于许多应用环境，如无线传感器网络的室外环境感应、可穿戴医疗监控等，不可能为每个设备提供电源或者无法频繁替换电源，因此只有自驱动或超低功率光电检测器才能满足这些类型的应用。目前技术中，已经提出了各种器件结构来实现自驱动光电探测器。由于光伏效应，PN结是最受关注的一种，它可以在没有外部偏压的情况下获得一定光电流，而且暗电流比较小。现有技术采用一些化学物质通过高温处理来进行二维材料的掺杂，或者通过基于不同二维半导体材料的异质结来制造含有PN结的光电探测器，但是，这两种技术均存在制作工艺复杂、无法大批量制作等问题，因此总的来说，目前光电探测器存在的可靠性低、成本高、暗电流高以及无法自驱动的问题，仍然无法解决。名词解释：MSM：全称metal-semiconductor-metal，金属-半导体-金属。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术的目的是提供一种MSM光电探测器及其制作方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种MSM光电探测器，包括衬底以及设置在衬底上的二维半导体材料薄片和两个金属电极，所述二维半导体材料薄片的厚度均匀且具有不对称的几何结构，所述两个金属电极相对地设置在二维半导体材料薄片的两个边缘上，且两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同。进一步，所述衬底采用的材料为SiO2、Si、玻璃、GaN或SiC。进一步，所述二维半导体材料薄片采用过渡金属二硫化物半导体材料或单元素半导体材料，所述过渡金属二硫化物半导体材料包括MoS2、WSe2、MoSe2和/或WS2，所述单元素半导体材料包括石墨烯、黑磷和/或硅烯。进一步，所述两个金属电极采用相同的金属材料构成，且所述两个金属电极与半导体材料薄片之间的接触处形成肖特基势垒。进一步，所述金属材料采用Ti、Cr、Cu、Au、Pt、Pd和Sc中的至少一种。本专利技术解决其技术问题所采用的另一技术方案是：一种MSM光电探测器的制作方法，包括以下步骤：S1、在衬底上制备厚度均匀的二维半导体材料；S2、对二维半导体材料进行加工，形成呈不对称几何结构的薄片；S3、在二维半导体材料薄片的两侧制备金属电极，形成MSM光电探测器；其中，两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同；S4、在形成的MSM光电探测器上制备钝化层。进一步，所述步骤S1中，所述二维半导体材料通过机械剥离法或化学气相淀积法制备获得，且二维半导体材料的层数为1-100层。进一步，所述步骤S2中，通过以下方式对二维半导体材料进行加工：采用光刻和反应离子刻蚀技术，去除多余的二维半导体材料，使其形成不对称几何结构的薄片。进一步，所述步骤S3中，通过电子束蒸发方法或溅射方法将两个金属电极沉积在衬底上。进一步，所述步骤S4，其具体为：采用稳定性钝化材料，使用等离子体化学气相淀积方法或旋涂方法在形成的MSM光电探测器上制备钝化层。本专利技术的有益效果是：本专利技术所获得的MSM光电探测器，具有自驱动的功能、较低的探测极限以及较高可靠性，而且本探测器结构优良，制作工艺简单，生产成本低。附图说明图1是本专利技术的MSM光电探测器的一具体实施例的俯视图；图2是本专利技术的MSM光电探测器的一具体实施例的剖视图；图3是本专利技术的MSM光电探测器的一具体实施例的光学照片；图4是本专利技术的MSM光电探测器的一具体实施例中制备的二维半导体材料薄片的厚度测试图；图5是本专利技术的MSM光电探测器的输出曲线示意图。具体实施方式参照图1和图2，本专利技术提供了一种MSM光电探测器，包括衬底101以及设置在衬底101上的二维半导体材料薄片103和两个金属电极104，所述二维半导体材料薄片103的厚度均匀且具有不对称的几何结构，所述两个金属电极104相对地设置在二维半导体材料薄片103的两个边缘上，且两个金属电极104与二维半导体材料薄片103的接触长度不同。本专利技术中，二维半导体材料薄片103的厚度均匀是指各处厚度相等，偏差不超过1％。本实施例中，衬底101上还设有用于保护衬底101的绝缘介质层102，因此图1的俯视图中，二维半导体材料薄片103设置在绝缘介质层102上。本实施例中，二维半导体材料薄片103的不对称几何结构可以采用各种不对称结构，包括规则结构、不规则结构等，例如可以采用不对称的多边形结构，包括不对称的三角形、梯形等，从而可以使得两个金属电极104与二维半导体材料薄片103的接触长度不同。对于金属-半导体-金属光电探测器，即本专利技术所称的MSM光电探测器，在光照条件下，半导体材料吸收一部分光能并且产生电子空穴对，金属-半导体接触两端不施加任何电压的情况下，该金属-半导体接触的光电流大小为：Isc＝Jsc×W·t其中，Jsc为短路状态下的电流密度，与光照强度和肖特基势垒高度等参数有关；W为金属-半导体材料的接触宽度；t为半导体材料的厚度。MSM结构由两个金属-半导体接触相对连接组成，因此在光照时，短路状态下两个金属-半导体接触所形成的电流方向相反。假设这两个金属-半导体接触的接触宽度分别为W1和W2，以电极一作为参考电极，MSM的短路光电流为：Isc＝Jsc×(W1-W2)·t因为二维半导体材料薄片103的厚度均匀，两侧的肖特基势垒一致，若两个金属电极104与二维半导体材料薄片103的接触长度W1和W2相同，在零偏压下，产生的光电流ISC为0，因此本专利技术方案设定二维半导体材料薄片103为不对称几何结构，使得两个金属电极104与二维半导体材料薄片103的接触长度W1和W2不同，从而在零偏压下，可以产生一个不为0的净电流。总的来说，本实施例通过以上结构构建的MSM光电探测器，在没有外加电压下仍可以输出相应的光电流，因而具有自驱动的功能，而且由于本探测器在零偏压下具有非常小的暗电流，可以具有较低的探测极限，具有较高可靠性，而且本探测器结构优良，在实现自驱动的前提下，仅需要较低的成本，便于推广应用。进一步作为优选的实施方式，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MSM光电探测器，其特征在于，包括衬底以及设置在衬底上的二维半导体材料薄片和两个金属电极，所述二维半导体材料薄片的厚度均匀且具有不对称的几何结构，所述两个金属电极相对地设置在二维半导体材料薄片的两个边缘上，且两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同。

【技术特征摘要】
1.一种MSM光电探测器，其特征在于，包括衬底以及设置在衬底上的二维半导体材料薄片和两个金属电极，所述二维半导体材料薄片的厚度均匀且具有不对称的几何结构，所述两个金属电极相对地设置在二维半导体材料薄片的两个边缘上，且两个金属电极与二维半导体材料薄片的接触长度不同。2.根据权利要求1所述的一种MSM光电探测器，其特征在于，所述衬底采用的材料为SiO2、Si、玻璃、GaN或SiC。3.根据权利要求1所述的一种MSM光电探测器，其特征在于，所述二维半导体材料薄片采用过渡金属二硫化物半导体材料或单元素半导体材料，所述过渡金属二硫化物半导体材料包括MoS2、WSe2、MoSe2和/或WS2，所述单元素半导体材料包括石墨烯、黑磷和/或硅烯。4.根据权利要求1所述的一种MSM光电探测器，其特征在于，所述两个金属电极采用相同的金属材料构成，且所述两个金属电极与半导体材料薄片之间的接触处形成肖特基势垒。5.根据权利要求4所述的一种MSM光电探测器，其特征在于，所述金属材料采用Ti、Cr、Cu、Au、Pt、Pd和Sc中的至少一种。6.一种MSM光电探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：周长见，吕喆，冯志红，蔚翠，
申请(专利权)人：华南理工大学，中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44