窄禁带半导体薄膜、光敏二极管及制备方法技术

窄禁带半导体薄膜、光敏二极管及制备方法，属于电子信息材料与元器件领域，本发明专利技术的窄禁带半导体薄膜包括重叠设置于衬底基片上的二维硫族化合物薄膜层和窄禁带半导体层，所述二维硫族化合物薄膜层的材料至少包括下述选定硫族化合物材料之一：MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2及由MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2；所述窄禁带半导体层的材料的材料至少包括下述各材料之一：Pb1‑xSnxSe和Pb1‑xSnxTe，其中0≤x≤1。本发明专利技术的光敏二极管具有较高光响应度和探测率。

【技术实现步骤摘要】
窄禁带半导体薄膜、光敏二极管及制备方法
本专利技术属于电子信息材料与元器件领域，具体涉及由二维硫族化合物薄膜与Ⅳ-Ⅵ族窄禁带半导体异质结光敏二极管的构造及其制造方法，可用于红外辐射的探测领域。
技术介绍
近年来，光电探测技术受到了越来越多的关注，作为光电探测的重要方向，红外探测一直是各国大力发展的重要科技领域，在军民诸多方面都具有重要价值，如红外夜视仪和热像仪，用于远距离侦查、监视、跟踪和伪装探测等等。常见的用于红外探测的窄带隙半导体材料有PbS、PbSe、PbTe、HgCdTe以及由SnSe、SnTe、PbSe、PbTe所形成的固溶体Pb1-xSnxSe、Pb1-xSnxTe(通常简写为PbSnSe、PbSnTe)。HgCdTe虽然探测性能好，但其Hg-Te键能弱，热稳定性差。Ⅳ-Ⅵ族半导体PbS、PbSe、PbTe、SnSe、SnTe、PnSnSe、PbSnTe也都是重要的红外探测材料，具有优异的红外响应特性，但也存在两大材料性能缺点，第一，这类材料往往具有较高的结点常数，其基于pn结的光电探测器具有较高的结电容，这就导致器件的频率响应特性较差；第二，这类材料的热膨胀系数往往较大，通常达到约20ppm/K，而Si等常见半导体材料热膨胀系数通常介于4～6ppm/K，差异巨大，这不仅制约了Ⅳ-Ⅵ族半导体在Si等基片上的外延生长质量，也容易引起在高低温循环过程中器件的失效，从而削弱了其在大面阵成像芯片研制方面的技术价值。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种具有较低热膨胀系数差异的窄禁带半导体薄膜，以及具有较高光响应度和探测率的光敏二极管及其制备方法。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是，窄禁带半导体薄膜，其特征在于，包括重叠设置于衬底基片上的二维硫族化合物薄膜层和窄禁带半导体层，所述二维硫族化合物薄膜层的材料至少包括下述选定硫族化合物材料之一：MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2及由MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2；所述窄禁带半导体层的材料的材料至少包括下述各材料之一：Pb1-xSnxSe和Pb1-xSnxTe，其中0≤x≤1。所述所述二维硫族化合物薄膜层的材料包括各选定硫族化合物材料中任意两种。所述所述二维硫族化合物薄膜层的厚度为1.3纳米～13纳米，所述窄禁带半导体层的厚度为30纳米～300纳米。符号“～”表示包含端点值。所述衬底基片的材质为Si、SiO2或GaSb。本专利技术还提供一种采用前述窄禁带半导体薄膜的光敏二极管，包括分别与二维硫族化合物薄膜层和窄禁带半导体层形成电连接的电极。本专利技术还提供一种光敏二极管的制备方法，包括下述步骤：1)衬底基片清洗；2)在基片上制备第一功能层和处于第一功能层上表面的第二功能层；所述第一功能层为二维硫族化合物薄膜层，第二功能层为窄禁带半导体层；或者第二功能层为二维硫族化合物薄膜层，第一功能层为窄禁带半导体层；3)在第二功能层的顶部设置第一电极；4)刻蚀第一电极覆盖范围之外的第二功能层，暴露第一功能层；5)在第一功能层上设置第二电极；所述二维硫族化合物薄膜层的材料至少包括下述选定硫族化合物材料之一：MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2及由MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2；所述窄禁带半导体层的材料的材料至少包括下述各材料之一：Pb1-xSnxSe和Pb1-xSnxTe，其中0≤x≤1。本专利技术通过二维硫族化合物半导体MX2薄膜与Ⅳ-Ⅵ族半导体构造出Ⅱ类异质界面，一方面，利用异质结结电容仅与界面有关、结电容极小，避免了pn结型光电探测器件的结电容问题，另一方面，利用二维硫族化合物层间为范德瓦尔斯结合、其结合力极弱的特点，从而克服Ⅳ-Ⅵ族半导体热膨胀系数差异所引起的一系列技术难题，为Ⅳ-Ⅵ族半导体红外探测技术的发展探索出一条新的技术路线。附图说明图1为实施例1和例2中的PbSe薄膜的X射线衍射图谱，表明所制备Ⅳ-Ⅵ族半导体材料具有良好的质量；图2为实施例1中和例2中的MoSe2薄膜的喇曼(Raman)图谱，表明所制备二维硫族化合物半导体具有良好的质量；图3为实施例1中和例2中的PbSe、Pb0.8Sn0.2Se和SnSe的透射谱曲线拟合图，其中(a)为PbSe，(b)为Pb0.8Sn0.2Se，(c)为SnSe；图4为PbSe/MoSe2异质结和HfSe2/PbSe异质结的界面能带结构设计结果,并基于界面能带结构表示出了光生载流子在界面的空间分离机制和过程；图5为实施例1中采用干法刻蚀制备PbSe/MoSe2异质结二极管的工艺流程；(a)为窄禁带半导体层(PbSe)生长过程，(b)为MoSe2生长过程，(c)为光刻和图形化电极过程，(d)为刻蚀过程，(e)为二次光刻和制备电极过程，(f)为最终器件结构及器件性能测试过程示意图；编号1代表基片，编号2代表PbSe薄膜，编号3代表MoSe2薄膜，编号4代表金属电极，编号5代表光刻胶。图6为实施例1采用干法刻蚀制备的PbSe/MoSe2异质结二极管工作模式示意图，其中,(a)为零偏压下的工作模式，(b)为负偏压下的工作模式；编号1代表基片，编号2代表PbSe薄膜，编号3代表MoSe2薄膜，编号4代表金属电极，编号5代表光刻胶。图7为实施例1中PbSe/MoSe2异质结二极管的电流-电压曲线；其中,(a)为无光照条件下器件的暗电流随电压变化曲线，(b)为暗电流以及1300nm光照下的光电流随电压变化曲线；图8为实施例1中PbSe/MoSe2异质结二极管在零偏压工作模式下的瞬态响应特性，表示在零偏压下器件在1300nm红外光源照射下和关掉光源后器件的电流变化情况；图9为实施例1中PbSe/MoSe2异质结二极管在负偏压工作模式下的瞬态响应特性，表示在-5V偏压下器件在1300nm红外光源照射下和关掉光源后器件的电流变化情况；图10为实施例2采用湿法刻蚀制备MoSe2/PbSe异质结二极管的工艺流程；(a)为MoSe2生长过程，(b)为PbSe生长过程，(c)为光刻过程，(d)为刻蚀过程，(e)为光刻和制备电极过程，(f)为最终器件结构及器件性能测试过程示意图；编号1代表基片，编号2代表PbSe薄膜，编号3代表MoSe2薄膜，编号4代表金属电极，编号5代表光刻胶。图11为实施例2采用湿法刻蚀制备的MoSe2/PbSe异质结二极管结构示意图及工作模式示意图；编号1代表基片，编号2代表PbSe薄膜，编号3代表MoSe2薄膜，编号4代表金属电极，编号5代表光刻胶。图12为实施例2中MoSe2/PbSe异质结二极管的电流-电压曲线；其中,(a)为无光照条件下器件的暗电流随电压变化曲线，(b)为暗电流及在1300nm光照下的器件光电流随电压变化曲线；图13为实施例2中MoSe2/PbSe异质结二极管在零偏压工作模式下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.窄禁带半导体薄膜，其特征在于，包括重叠设置于衬底基片上的二维硫族化合物薄膜层和窄禁带半导体层，所述二维硫族化合物薄膜层的材料至少包括下述选定硫族化合物材料之一：MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2及由MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2；所述窄禁带半导体层的材料的材料至少包括下述各材料之一：Pb1‑xSnxSe和Pb1‑xSnxTe，其中0≤x≤1。

【技术特征摘要】
1.窄禁带半导体薄膜，其特征在于，包括重叠设置于衬底基片上的二维硫族化合物薄膜层和窄禁带半导体层，所述二维硫族化合物薄膜层的材料至少包括下述选定硫族化合物材料之一：MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2及由MoSe2、WSe2、HfSe2、ZrSe2、NbSe2、TaSe2、MoTe2、WTe2、HfTe2、ZrTe2、NbTe2、TaTe2；所述窄禁带半导体层的材料的材料至少包括下述各材料之一：Pb1-xSnxSe和Pb1-xSnxTe，其中0≤x≤1。2.如权利要求1所述的窄禁带半导体薄膜，其特征在于，所述所述二维硫族化合物薄膜层的材料包括各选定硫族化合物材料中任意两种。3.如权利要求1所述的窄禁带半导体薄膜，其特征在于，所述所述二维硫族化合物薄膜层的厚度为1.3纳米～13纳米，所述窄禁带半导体层的厚度为30纳米～300纳米。4.如权利要求1所述的窄禁带半导体薄膜，其特征在于，所述衬底基片的材质为Si、SiO2或GaSb。5.采用权利要求1或2或...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴钊，潘棋，范旭东，任羿烜，代天军，罗文博，张万里，李言荣，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51