一种基于磷硒化锰(MnPSe制造技术

本发明专利技术公开了一种基于二维半导体材料MnPSe

【技术实现步骤摘要】
一种基于磷硒化锰(MnPSe3)的光电晶体管
本专利技术涉及二维材料光电探测
，特别是涉及一种基于二维(2D)磷硒化锰(MnPSe3)材料的光电晶体管，具有光电灵敏度高、响应速度快，物理化学性质稳定、成本低廉，抗干扰能力强等特点。
技术介绍
随着半导体工业的快速发展，芯片上集成的电子元件数目从最初的几个发展到现在的几十亿个。摩尔预言了半导体集成密度的发展速度，即当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一摩尔定律揭示了信息技术进步的速度，一直延续至今。芯片的面积不变，而承载的元器件个数不断迅猛增加，这必然要求单个电子元件的尺寸要不断缩小。但是随着晶体管尺寸进入10nm的工艺节点，在保持器件性能的前提下，器件的加工难度和制备成本显著提高，摩尔定律面临着瓶颈。由于传统半导体器件尺寸被极度地缩小，短沟道效应对器件的影响十分显著。为了保持栅压对沟道的控制能力，沟道必须减薄。一个潜在的解决办法就是寻找具有平整无悬挂键表面的超薄半导体材料。以石墨烯为代表的二维半导体材料为半导体芯片的研发注入了新的活力，单层MoS2为代表的层状过渡金属硫属化合物和黑磷等二维半导体材料具有天然的可调带隙，原子层厚度，表面光滑、平整，无悬挂键，可微机械剥离，载流子迁移率高，物理化学性质稳定，为制备优异的高集成度的芯片提供了发展空间和机遇。MPX3是一种典型的三元二维层状半导体化合物，其中X为S或Se,M为二价过渡金属(如文献1：CARNABUCIA,GRASSOV,SILIPIGNIL,etal.2001.In-layerconductivityandphotoconductivityinMnPSe3,CdPSe3,andCdPS3.JournalofAppliedPhysics,90:4526-4531；文献2：SHIFATA,WANGF,CHENGZ,etal.2018.HighCrystalQuality2DManganesePhosphorusTrichalcogenideNanosheetsandtheirPhotocatalyticActivity.AdvancedFunctionalMaterials,28,1800548)。由于其带隙值分布在1.3-3.5eV之间，因此可用于宽光谱应用。理论计算表明MPX3的剥离能比石墨还要小(MnPS3:0.12J/m2,MnPSe3:0.23J/m2,graphite0.37J/m2)，这说明其更易于机械剥离，获得更薄的原子层厚度的单晶薄膜，而且MPX3物理化学性质稳定，无毒无害，对环境无污染，因而在微纳器件领域有很好的应用前景。MPX3材料的初步研究显示其在光电领域的巨大潜力。何军课题组报道了第一个NiPS3紫外探测器，其光电灵敏度和比探测率分别为126mA/W和1.22×1012Jones(如文献3：CHUJ,WANGF,YINL,etal.2017.High-PerformanceUltravioletPhotodetectorBasedonaFew-Layered2DNiPS3Nanosheet.AdvancedFunctionalMaterials,27,1701342)。FePS3光电探测器显示了门电压可调的正、负光电导效应，其在245nm处光电灵敏度达到171.6mA/W(如文献4：GAOY,LEIS,KANGT,etal.2018.Bias-switchablenegativeandpositivephotoconductivityin2DFePS3ultravioletphotodetectors.Nanotechnology,29,244001)。尽管NiPS3和FePS3都表现出了非常有应用潜力的光电灵敏度，但是它们的光电流非常低，只有1pA左右，这样低的暗电流极易被环境噪声覆盖，因此对测量设备和环境都要求很高。作为MPX3家族的一个重要成员，磷硒化锰(MnPSe3)是一个具有直接带隙的半导体，带隙为2.3eV，对可见光有强烈吸收。而且它的电子、空穴的迁移率高达625.9cm2/Vs和34.7cm2/Vs，因此MnPSe3在光电探测、光催化等领域具有非常好的应用前景，但是目前还没有关于MnPSe3作为光敏层的光电探测器方面的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于研发一种基于原子层厚度的MnPSe3光电晶体管，利用MnPSe3自身的电子结构特征和优化的器件结构来获得高灵敏度的光电探测器。该器件初步测试结果显示MnPSe3在375nm处光电灵敏度可以达到392.78mA/W,光暗电流比可以达到三个数量级。特别是，在器件集成了贵金属颗粒的情况下，光电流可以提升50倍，这些品质远远高于同类型的NiPS3和FePS3。附图说明图1为薄层MnPSe3(a)光学显微镜图像，(b)原子力显微镜图像和(c-p)MnPSe3光电晶体管结构示意图。其中，图1(c)为MnPSe3光电晶体管，MnPSe3作为沟道层，重掺的Si为底门电极，SiO2为介电层。图1(d)是在图1(c)的基础上在MnPSe3沟道的上表面修饰金属颗粒(Au,Ag,Cu等纳米粒子)。图1(e)是在图1(c)的基础上在MnPSe3沟道的下表面修饰金属颗粒。图1(f)是在图1(c)的基础上在MnPSe3沟道的上表面修饰量子点(PbS,CdTe等)。图1(g)是由少层MnPSe3与其他TMDs材料(石墨烯，MoS2,SnS2等)堆垛形成异质结晶体管。图1(h)MnPSe3两端分别接触TMDs(石墨烯，MoS2,SnS2等)材料形成的晶体管。图1(i)将少层MnPSe3薄膜直接转移到蒸镀好的电极上，形成一种悬空结构。图1(j)离子液体调控的MnPSe3晶体管。图1(k)PMMA顶门调控的晶体管。图1(l)水门调控的MnPSe3晶体管。图1(m)在图1(c)的基础上，铁电薄膜P(VDF-TrFE)作为电介质，顶门调控MnPSe3晶体管。图1(n)在衬底上预先旋涂铁电薄膜P(VDF-TrFE)的MnPSe3晶体管。图1(o)在图1(c)基础上溅射/转移薄层电介质后制备顶门调控的晶体管。图1(p)衬底上预先溅射/脉冲激光沉积/转移无机铁电薄膜的MnPSe3晶体管。图2为图1(c)结构的MnPSe3晶体管在不同源漏电压下光电灵敏度随光强变化的关系曲线。图3为图1(c)和图1(e)两种晶体管的光电流随门电压变化的关系曲线。图4为图1(c)结构的32nm厚度的MnPSe3晶体管在不同光强辐照下的输出曲线。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1：参考图1c，使用机械剥离的方法在Si/SiO2衬底上转移少层MnPSe3薄膜，在显微镜下选取面积适宜的样品，通过原子力显微镜测试样品厚度。通过微加工技术在材料周围布置好电极，然后用镀膜设备在样品上制备电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于层状MnPSe

【技术特征摘要】
1.一种基于层状MnPSe3材料的光电探测器，包括：Si/SiO2衬底、MnPSe3薄膜、源漏电极和门电极。其特征在于：提出基于少层MnPSe3的光电晶体管，包括各种敏化、杂交、修饰、层叠、悬空等衍生结构。利用机械剥离技术剥离少层MnPSe3到Si/SiO2衬底上，然后通过微加工技术和镀膜技术制备器件。


2.按权力要求1所述的MnPSe3光电晶体管，其特征在于：Si/SiO2衬底可以是高掺n或p型Si。


3.按权力要求1所述的MnPSe3光电晶体管，其特征在于：MnPSe3包括各种MnPSe3结构(菱方结构)的各种非正分比例。


4.按权力要求1所述的MnPSe3光电晶体管，其特征在于：MnPSe3薄膜厚度控制在单层到100nm之...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢杰，韩旭，徐光远，荣东珂，郝会颖，刘昊，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11