一种具有垂直生长结构的二维过渡金属硫属化物同质结光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有垂直生长结构的二维过渡金属硫属化物同质结光电探测器及其制备方法，该探测器是在绝缘衬底的上表面依次设置有底电极和掩膜层；在掩膜层的中心设置有一与底电极连通的通孔；垂直于底电极上表面、位于通孔内生长有N型半导体材料，在所述N型半导体材料上生长有P型半导体材料，两种半导体材料在生长过程中会沿着垂直于底面的方向生长形成PN同质结；在掩膜层上方设置有顶电极，底电极与N型半导体材料、顶电极与P型半导体材料皆形成欧姆接触。本发明专利技术的探测器具有响应速度快、灵敏度高的优势，同时还具有制备简单、可重复强等优点。

【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术涉及一种具有垂直生长结构的二维过渡金属硫属化物同质结光电探测器及其制备方法，属于半导体光电器件
二、
技术介绍
光电探测器是光电子器件中重要器件之一，广泛用于光通信、工业检测和量子通信等各种领域。近年来，随着科技技术的迅速发展，以纳米光电探测器为代表的探测器因具有响应度高等优异特性而备受关注。当前，检索到的报道主要集中在一维纳米材料和二维纳米材料。例如，n型掺杂硫化锌(ZnS)纳米带/线光增益高达107，但其较长的载流子寿命限制了器件的响应速度[YongqiangYu,JianshengJie,PengJiang,et.al.J.Mater.Chem.2011,21,12632.]。其中二维MoS2光响应度高达880AW-1，响应速度为几十毫秒-几十微秒)[O.Lopez-Sanchez,D.Lembke,et.al.Nat.Nanotechnol.2013,8,497；YanZhang,YongqiangYu，et.al.Small2016,12,1062.]。以上报道的诸多器件由于器件尺寸极小、响应速度低等特性仍然难于满足现实应用要求，如何制备出更加优异的光电探测器对于电子行业的发展起到了举足轻重的地位。总体来说，纳米光电器件的发展受限于材料的可控合成以及器件的制备工艺。就二维纳米材料来说，当前的制备方法有以机械剥离和化学剥离为主的自上而下的方法和以CVD、PVD为代表的自下而上的方法。纳米片通过机械剥离和化学剥离转移的过程中难免会破坏材料的表面结构和引入额外的界面污染。这种方法所制备的纳米材料虽然晶体质量比较高，但是难于剥离出大面积尺寸的纳米片。CVD合成二维材料是目前应用比较普遍的一种技术，可以用来合成大面积、大尺寸的纳米片，然而这种方法却受到基片的限制。因此，如何制备高性能、低价值、大尺寸的二维材料是实现制备高性能光电探测器的关键。三、
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺点与不足，本专利技术旨在提供一种具有垂直结构的二维过渡金属硫属化物同质结光电探测器及其制备方法，所要解决的技术问题是通过脉冲激光沉积的方法构造同质结，同时实现响应速度高、制备简单、易于重复等特性。本专利技术解决技术问题，采用如下技术方案：本专利技术具有垂直生长结构的二维过渡金属硫属化物同质结光电探测器，其特点在于：所述同质结光电探测器件是在绝缘衬底的上表面设置有底电极，在所述底电极的上表面设置有掩膜层；所述掩膜层为绝缘材料，在所述掩膜层的中心设置有一与所述底电极连通的通孔；垂直于所述底电极上表面、位于所述通孔内生长有呈阵列结构的N型半导体材料，在所述N型半导体材料上生长有呈阵列结构的P型半导体材料，所述N型半导体材料与所述P型半导体材料形成PN同质结；在所述掩膜层上方设置有顶电极，所述顶电极不超出掩膜层的边界且完全覆盖通孔；所述底电极与所述N型半导体材料、所述顶电极与所述P型半导体材料皆形成欧姆接触。所述半导体材料为MoSe2或MoS2，两种不同导电类型的半导体材料在生长过程中会沿着垂直于底电极的方向生长并形成PN同质结；本专利技术具有垂直生长结构的二维过渡金属硫属化物同质结近红外光电探测器，其特点也在于：所述底电极为Au电极、Ti/Au电极或者Ag电极；所述底电极的厚度为20nm-300nm。所述Ti/Au电极是在厚度为10-50nm的Ti上沉积有厚度为30-60nm的Au。所述顶电极为石墨烯电极或贵金属电极。上述具有垂直生长结构的二维过渡金属硫属化物同质结光电探测器的制备方法，包括如下步骤：a、在绝缘衬底的上表面蒸镀底电极；b、在所述底电极的上表面蒸镀掩膜层，且在掩膜层的中心预留一与所述底电极连通的通孔；c、采用脉冲激光沉积或磁控溅射在通孔内蒸镀二维N型半导体材料，N型半导体材料呈阵列结构垂直于底电极生长，底电极与N型半导体材料形成欧姆接触；然后再采用脉冲激光沉积或磁控溅射在所述N型半导体材料上外延P型半导体材料，N型半导体材料与P型半导体材料形成PN同质结；d、将顶电极设置在掩膜层上，使顶电极不超出掩膜层的边界且完全覆盖通孔，顶电极与P型半导体材料形成欧姆接触，即完成同质结近红外光电探测器的制备。通过脉冲激光沉积制备N型半导体材料或P型半导体材料的工艺条件为：激光功率为40～500mJ、激光波长为248nm、脉冲频率为1～20Hz、气压为0.1～10-5Pa。与已有技术相较，本专利技术的有益效果体现在：本专利技术设计了一种具有垂直生长结构的二维过渡金属硫属化物同质结光电探测器，两种导电类型不同的同种半导体材料在生长过程中能够有效形成PN同质结，同时电极材料与半导体形成良好的欧姆接触；由于其材料特有的垂直结构和良好的器件结构使得本专利技术的探测器具有响应速度高、灵敏度强的优势；同时还具有制备简单、可重复强等优点。四、附图说明图1是本专利技术同质结光电探测器件的平面示意图；图2是实施例1所制备光电探测器中同质结Mo和Se的XPS图片；图3是实施例1所制备光电探测器件在有光和无光下的I-V曲线；图4是实施例1所制备光电探测器件的时间响应曲线；图5是实施例1所制备光电探测器在1MHz下的光响应曲线；图6是实施例1所制备光电探测器的频率特性曲线；图7是实施例2所制备光电探测器件在有光和无光下的I-V曲线；图8是实施例2所制备光电探测器在2MHz下的光响应曲线；图9是实施例2所制备光电探测器的频率特性曲线；图中标号：1为绝缘衬底；2为底电极；3为掩膜层；4为N型半导体材料；5为P型半导体材料；6为顶电极。五、具体实施方式实施例1如图1所示，本实施例具有垂直生长结构的同质结光电探测器是在绝缘衬底1的上表面设置有底电极2，在底电极2的上表面设置有掩膜层3；在掩膜层3的中心设置有一与底电极2连通的通孔；垂直于底电极2上表面、位于通孔内生长有呈阵列结构的N型半导体材料4，在N型半导体材料4上生长有呈阵列结构的P型半导体材料5，N型半导体材料4与P型半导体材料5形成PN同质结；在掩膜层3上方设置有顶电极6，顶电极6不超出掩膜层3的边界且完全覆盖通孔；底电极2与N型半导体材料4、顶电极6与P型半导体材料5皆形成欧姆接触。具体的，绝缘衬底1选用表面长有厚度为300nm氧化硅的硅片；底电极2为约50nm厚的Au电极；掩膜层3为厚度约为200nm的Al2O3绝缘层；半导体材料为MoSe2。本实施例的同质结光电探测器按如下步骤进行制备：a、将表面长有厚度为300nm氧化硅的硅片通过超声清洗干净后，通过电子束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有垂直生长结构的二维过渡金属硫属化物同质结光电探测器，其特征在于：所述同质结光电探测器件是在绝缘衬底(1)的上表面设置有底电极(2)，在所述底电极(2)的上表面设置有掩膜层(3)；所述掩膜层(3)为绝缘材料，在所述掩膜层(3)的中心设置有一与所述底电极(2)连通的通孔；垂直于所述底电极(2)上表面、位于所述通孔内生长有呈阵列结构的N型半导体材料(4)，在所述N型半导体材料(4)上生长有呈阵列结构的P型半导体材料(5)，所述N型半导体材料(4)与所述P型半导体材料(5)形成PN同质结；在所述掩膜层(3)上方设置有顶电极(6)，所述顶电极(6)不超出掩膜层(3)的边界且完全覆盖通孔；所述底电极(2)与所述N型半导体材料(4)、所述顶电极(6)与所述P型半导体材料(5)皆形成欧姆接触；所述半导体材料为MoSe2或MoS2。

【技术特征摘要】
1.一种具有垂直生长结构的二维过渡金属硫属化物同质结光电探测器，其特征在于：所
述同质结光电探测器件是在绝缘衬底(1)的上表面设置有底电极(2)，在所述底电极(2)
的上表面设置有掩膜层(3)；所述掩膜层(3)为绝缘材料，在所述掩膜层(3)的中心设置
有一与所述底电极(2)连通的通孔；垂直于所述底电极(2)上表面、位于所述通孔内生长
有呈阵列结构的N型半导体材料(4)，在所述N型半导体材料(4)上生长有呈阵列结构的
P型半导体材料(5)，所述N型半导体材料(4)与所述P型半导体材料(5)形成PN同质
结；在所述掩膜层(3)上方设置有顶电极(6)，所述顶电极(6)不超出掩膜层(3)的边界
且完全覆盖通孔；所述底电极(2)与所述N型半导体材料(4)、所述顶电极(6)与所述P
型半导体材料(5)皆形成欧姆接触；所述半导体材料为MoSe2或MoS2。
2.根据权利要求1所述的同质结光电探测器，其特征在于：所述底电极(2)为Au电
极、Ti/Au电极或者Ag电极；所述底电极(2)的厚度为20nm-300nm。
3.根据权利要求2所述的同质结近红外光电探测器，其特征在于：所述Ti/Au电极是在
厚度为10-50nm的Ti上...

【专利技术属性】
技术研发人员：于永强，耿祥顺，许克伟，罗林保，蒋阳，吴春艳，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34