一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器及其制备方法，该光电探测器为纳米材料结型场效应晶体管光电探测器，具体是指将p型的二硒化钨(WSe2)薄片和n型的氧化锌(ZnO)纳米带接触形成p‑n结，同时WSe2薄片作为感光材料连接在顶栅电极与ZnO纳米带导电沟道之间。WSe2薄片受光激发产生光生载流子形成导电通道，顶栅电压通过该导电通道施加到p‑n结处，调节ZnO纳米带中耗尽区的宽度来实现沟道电导的调节，提高器件的光增益和响应速度。

A Tungsten Selenide Sheet/Zinc Oxide Nanoribbon Junction Field Effect Transistor Photodetector and Its Preparation Method

The present invention relates to a tungsten selenide thin sheet/zinc oxide nanoribbon junction field effect transistor photodetector and its preparation method. The photodetector is a nanomaterial junction field effect transistor photodetector, in particular, a p_n junction is formed by contacting p-type tungsten selenide thin sheet and n-type zinc oxide nanoribbon, and WSe2 thin sheet is connected to the top gate as a photosensitive material. Between the electrode and the conductive channel of the ZnO nanoribbon. WSe2 thin films are stimulated by light to generate photogenerated carriers to form conductive channels. The top gate voltage is applied to the p_n junction through the conductive channels, and the width of depletion zone in ZnO nanoribbons is adjusted to achieve channel conductance regulation, so as to improve the optical gain and response speed of devices.

【技术实现步骤摘要】
一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器及其制备方法
本专利技术涉及一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器及其制备方法，该光电探测器为纳米材料结型场效应晶体管光电探测器，具体是指将p型的二硒化钨(WSe2)薄片和n型的氧化锌(ZnO)纳米带接触形成p-n结，同时WSe2薄片作为感光材料连接在顶栅电极与ZnO纳米带导电沟道之间。WSe2薄片受光激发产生光生载流子形成导电通道，顶栅电压通过该导电通道施加到p-n结处，调节ZnO纳米带中耗尽区的宽度来实现沟道电导的调节，提高器件的光增益和响应速度。
技术介绍
低维材料因其独特的光学性质(例如宽带响应以及较快的载流子动力学过程)展示出其作为光敏元件的巨大潜力。但低维材料较薄的原子层级的厚度也使得其不能像体材料那样对光实现完全吸收，因此光的利用效率很低，进而抑制了器件的光响应率。近几年，研究人员尝试将不同的低维材料结合形成复合结构，以提高光电探测器的性能。其中，通过引入缺陷辅助的响应机制延长光生载流子的寿命获得超高的响应增益。然而，这种器件的缺点是载流子寿命较长导致响应时间较慢，即增益-响应时间相互制约的问题。解决这个问题的关键是需要开发一种新的器件结构实现增益机制与载流子寿命的解耦，同时提高增益并缩短响应时间。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服增益-响应时间相互制约的问题，提出一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器及其制备方法。本专利技术的技术解决方案是：一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器，该光电探测器包括ZnO纳米带、WSe2薄片、Si/SiO2衬底、源电极、漏电极和顶栅电极；所述的ZnO纳米带、WSe2薄片、源电极、漏电极、顶栅电极均位于Si/SiO2衬底上，ZnO纳米带的一端与源电极相连，ZnO纳米带的另一端与漏电极相连；WSe2薄片的一端压在ZnO纳米带上，另一端压在顶栅电极上；所述的ZnO纳米带为结型场效应晶体管的导电沟道，源电极和漏电极用于收集ZnO纳米带的电信号，WSe2薄片为感光材料，用于在顶栅电极和ZnO沟道之间形成一个受光照调节的导电通道。一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，该方法的步骤包括：(1)采用化学气相传输的方法生长ZnO纳米带；(2)将步骤(1)制备的ZnO纳米带物理转移到Si/SiO2(285nm)衬底上；(3)在步骤(2)得到的带有ZnO纳米带的Si/SiO2(285nm)衬底上利用电子束光刻技术制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形，并对源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形进行热蒸镀后得到源电极、漏电极和顶栅电极；源电极压在ZnO纳米带的一端，漏电极压在ZnO纳米带的另一端，顶栅电极不与ZnO纳米带接触；(4)采用机械剥离的方法在PDMS膜(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)上制备WSe2的薄片；(5)将步骤(4)制备的WSe2薄片转移到步骤(3)制备的顶栅电极和ZnO纳米带上，且WSe2薄片一端压在ZnO纳米带上，WSe2薄片另一端压在顶栅电极上，得到二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器。所述的步骤(4)的详细做法为：首先在载玻片的上表面贴附表面平滑的PDMS膜，并准备好通过机械剥离获得的带有WSe2样品的胶带，将胶带紧密粘附在PDMS膜上使WSe2样品接触PDMS膜；取下胶带，WSe2薄片即附着在PDMS膜上；所述的步骤(5)中，将WSe2薄片转移到顶栅电极和ZnO纳米带上的具体方法为：旋转载玻片，使载有WSe2薄片的PDMS膜朝向下，并将载玻片安装在三维位移平台上；通过显微镜观察，将WSe2薄片对准将要转移的目标，目标即ZnO纳米带和顶栅电极；通过三维位移平台将PDMS膜逐渐靠近并使WSe2薄片一端接触ZnO纳米带、WSe2薄片另一端接触顶栅电极，同时对Si/SiO2衬底加热并逐渐升起载玻片，使WSe2薄片与PDMS膜分离，WSe2薄片一端压在ZnO纳米带上，WSe2薄片另一端压在顶栅电极上；转移过程中要确保WSe2薄片的一端接触顶栅电极，另一端接触ZnO纳米带。得到的二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器中宽带隙(～3.3eV)的ZnO纳米带为导电材料，具有相对窄带隙(～1.2eV)的WSe2薄片为感光材料响应光信号，顶栅电极用于施加外部电压来调控ZnO沟道电导以影响漏极电流。当无入射光照射时，WSe2薄片没有光响应并形成较大的电阻，使得顶栅电压无法通过WSe2薄片施加到ZnO纳米带导电沟道，沟道内电流不受顶栅电压影响；当有入射光照射时，WSe2薄片被激发产生光生载流子使得电阻减小，WSe2薄片在顶栅电极与ZnO纳米带沟道之间形成导电通路，顶栅电压通过WSe2薄片施加到ZnO纳米带导电沟道，对WSe2薄片与ZnO纳米带形成的p-n结产生偏置效果，从而影响p-n结的耗尽区宽度，调节ZnO沟道的电导实现高增益。同时，WSe2薄片中光生载流子快速的产生复合速率可实现器件的快速响应。本专利技术的优点是：本专利技术提出了一种针对增益-响应时间两者相互制约问题的解决方案，本专利技术中增益由结型场效应晶体管的顶栅电压调制决定，响应时间由结型场效应晶体管的顶栅开关速度决定，通过这样的方法将增益机制与载流子寿命两个关键参数解耦，器件同时获得了高增益和快速响应时间。附图说明图1a为本专利技术的探测器的结构示意图；图1b为本专利技术的探测器光照条件下的工作过程示意图图2为本专利技术的制备方法示意图；图3为本专利技术探测器响应率测试结果示意图；图4为本专利技术探测器响应时间测试结果示意图。具体实施方式一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器，该光电探测器包括ZnO纳米带、WSe2薄片、Si/SiO2衬底、源电极、漏电极和顶栅电极；所述的ZnO纳米带、WSe2薄片、源电极、漏电极、顶栅电极均位于Si/SiO2衬底上，ZnO纳米带的一端与源电极相连，ZnO纳米带的另一端与漏电极相连；WSe2薄片的一端压在ZnO纳米带上，另一端压在顶栅电极上；所述的ZnO纳米带为结型场效应晶体管的导电沟道，源电极和漏电极用于收集ZnO纳米带的电信号，WSe2薄片为感光材料，用于在顶栅电极和ZnO沟道之间形成一个受光照调节的导电通道。一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，该方法的步骤包括：(1)采用化学气相传输的方法生长ZnO纳米带；(2)将步骤(1)制备的ZnO纳米带物理转移到Si/SiO2(285nm)衬底上；(3)在步骤(2)得到的带有ZnO纳米带的Si/SiO2(285nm)衬底上利用电子束光刻技术制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形，并对源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形进行热蒸镀后得到源电极、漏电极和顶栅电极；源电极压在ZnO纳米带的一端，漏电极压在ZnO纳米带的另一端，顶栅电极不与ZnO纳米带接触；(4)采用机械剥离的方法在PDMS膜(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)上制备WSe2的薄片；(5)将步骤(4)制备的WSe2薄片转移到步骤(3)制备的顶栅电极和ZnO纳米带上，且WSe2薄片一端压在ZnO纳米带上，WSe2薄片另一端压在顶栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器，其特征在于：该光电探测器包括ZnO纳米带、WSe2薄片、Si/SiO2衬底、源电极、漏电极和顶栅电极；所述的ZnO纳米带、WSe2薄片、源电极、漏电极、顶栅电极均位于Si/SiO2衬底上，ZnO纳米带的一端与源电极相连，ZnO纳米带的另一端与漏电极相连；WSe2薄片的一端压在ZnO纳米带上，另一端压在顶栅电极上。

【技术特征摘要】
1.一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器，其特征在于：该光电探测器包括ZnO纳米带、WSe2薄片、Si/SiO2衬底、源电极、漏电极和顶栅电极；所述的ZnO纳米带、WSe2薄片、源电极、漏电极、顶栅电极均位于Si/SiO2衬底上，ZnO纳米带的一端与源电极相连，ZnO纳米带的另一端与漏电极相连；WSe2薄片的一端压在ZnO纳米带上，另一端压在顶栅电极上。2.一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：(1)制备ZnO纳米带；(2)将步骤(1)制备的ZnO纳米带物理转移到Si/SiO2衬底上；(3)在步骤(2)得到的带有ZnO纳米带的Si/SiO2衬底上制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形，并对源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形进行热蒸镀后得到源电极、漏电极和顶栅电极；(4)在PDMS膜上制备WSe2的薄片；(5)将步骤(4)制备的WSe2薄片转移到步骤(3)制备的顶栅电极和ZnO纳米带上，得到二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器。3.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，采用化学气相传输的方法制备ZnO纳米带。4.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，Si/SiO2(285nm)衬底中SiO2的厚度为285nm。5.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片/氧化锌纳米带结型场效应晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，在带有ZnO纳米带的Si/SiO2衬底上利用电子束光刻技术制备源电极图形、漏电极图形和顶栅电极图形。6.根据权利要求1所述的一种二硒化钨薄片...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭楠，贾怡，常慧聪，肖林，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11