可编程光电探测器及其制备方法技术

公开一种可编程光电探测器及其制备方法，利用强铁电局域极化电场对其上表面的双极性半导体分别进行P型或N型掺杂，形成PN结型光电探测器，同时结合铁电极化的非挥发存储特性，PN结的极性可通过施加不同的栅极电压实现可编程操作，从而实现高效、多功能、快速的光电探测。这种可编程光电探测器，其从下至上包括：衬底(1)、背栅电极a(2)、背栅电极b(3)、无机铁电层(4)、二维半导体沟道(5)以及源漏电极(6)。二维半导体沟道(5)以及源漏电极(6)。二维半导体沟道(5)以及源漏电极(6)。

【技术实现步骤摘要】
可编程光电探测器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体光电器件的领域，尤其涉及一种可编程光电探测器，以及这种可编程光电探测器的制备方法。

技术介绍

[0002]光电探测器是一种能够将光信号转变为电信号的电子器件，在探测、光通信、医学成像、警戒、运动监测等民用或军用方面具有有广阔的应用前景。随着应用规模和功能多样性的不断发展，人们对高性能光电探测器在探测率、响应速度、探测范围以及与传统CMOS兼容等方面提出了越来越高的要求。
[0003]近年来，以石墨烯为代表的二维材料因其独特的光学与电学特性，在光电探测领域得到了广泛地研究与关注。然而，虽然石墨烯的零带隙结构有助于在宽光谱范围内实现光子吸收，但是其原子级厚度限制了吸收系数(可见光范围内仅为2.3％)，阻碍了石墨烯光电探测器的发展。以硫化钼(MoS2)为代表的过渡金属硫族化合物因其较高的光吸收效率、厚度可控的光学带隙以及高载流子迁移率成为理想的二维光电材料之一。然而，二维材料仍然面临着自身原子级厚度而导致的吸光率低以及表界面缺陷对光生载流子动力学过程的影响等问题。
[0004]为解决上述问题，构建铁电/二维材料复合结构成为一种具有潜力的解决方案。铁电材料具有非挥发性的极化特性，可以在表面形成强局域电场。在铁电/二维材料复合结构中，利用铁电材料的强局域电场可以有效地调控二维材料中的载流子输运特性，比如抑制暗电流、提升载流子迁移率等，从而提高光电响应特性。2015年，上海技术物理所的研究人员构建有机铁电栅硫化钼场效应晶体管器件，该结构中以MoS2作为导电沟道，有机铁电材料P(VDF
‑
TrFE)作为顶栅介质，金属铝(Al)作为顶栅电极，实现了受极化调控的宽光谱光电探测。虽然这项工作证实了铁电极化对二维材料光电响应特性的调控机制，但光生载流子在MoS2中传输时仍然具有较大的复合概率，从而影响了光电特性的进一步提升。同时，有机铁电薄膜作为顶栅的结构设计不仅降低了光吸收效率，也增大了操作电压。
[0005]随着二维材料体系的丰富，双极性的二维材料种类也越来越多，其中硒化钨(WSe2)就是一种典型的双极性二维半导体材料。因此，构建基于二维材料的同质PN结型光电探测器成为实现高性能光电探测的一种切实、可行的策略。2014年，麻省理工的研究人员就报道了基于WSe2同质PN结的光电二极管，通过在双背栅上施加不同极性的电压对WSe2进行P型和N型掺杂，形成PN结，利用内建电场提高光生载流子的分离效率，从而提高光电响应特性。这种器件在工作时需要持续在栅极施加电压，栅极电压一旦撤去，对WSe2的掺杂作用也将消失，因此极大的增加了功耗。2019年，中国科学院上海技术物理研究所的研究人员专利技术了一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器(申请号：201920411692.7)，该结构包括绝缘衬底，二维半导体、金属电极、铁电功能层，其中二维半导体采用的是MoTe2，铁电功能层为有机铁电材料P(VDF
‑
TrFE)。该专利技术利用PFM针尖施加在样品上的电压对P(VDF
‑
TrFE)进行不同方向的极化，从而对其下表面的MoTe2进行不同类型的掺杂，得到PN结型光电二极
管。这项专利技术初步提出了利用铁电/二维复合结构构建同质PN结的方案，但是利用PFM探针对有机铁电薄膜P(VDF
‑
TrFE)进行极化存在效率低下，而且难以与传统CMOS工艺结合的问题。此外，由于P(VDF
‑
TrFE)覆盖在MoTe2上表面，降低了吸光效率，并且有机铁电材料的极化电压一般较高，增大了操作电压及功耗。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种可编程光电探测器，其利用强铁电局域极化电场对其上表面的双极性半导体分别进行P型或N型掺杂，形成PN结型光电探测器，同时结合铁电极化的非挥发存储特性，PN结的极性可通过施加不同的栅极电压脉冲信号实现可编程操作，从而实现高效、多功能、快速的光电探测。
[0007]本专利技术的技术方案是：这种可编程光电探测器，其从下至上包括：衬底(1)、背栅电极a(2)、背栅电极b(3)、无机铁电层(4)、二维半导体沟道(5)以及源漏电极(6)；
[0008]衬底为带有氧化硅的硅材料；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极a、背栅电极b；无机铁电层采用匀胶机旋涂无机铁电溶液得到；将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电层的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；源漏电极的图形通过标准光刻技术，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺获得。
[0009]还提供了一种可编程光电探测器的制备方法，其包括以下步骤：
[0010](1)选取带有氧化硅的硅材料作为衬底，并清洗干净；
[0011](2)利用标准光刻技术定义背栅电极a和背栅电极b的图形；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极；进而采用剥离工艺，完成背栅电极的图形化制备；
[0012](3)旋涂事先制备好的无机铁电前驱体溶液，经过两次650℃快速退火2min，得到结晶良好的无机铁电薄膜；
[0013](4)将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电薄膜的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；
[0014](5)通过标准光刻技术，定义源漏电极的图形，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺，完成源漏电极的图形化制备；
[0015](6)施加幅值为
±
8V、宽度为200ms的电压脉冲施加到背栅电极a、b上，使得极化完全翻转。
[0016]本专利技术采用双背栅的器件结构，通过在背栅上施加不同极性的电压脉冲信号，对无机铁电薄膜进行极化操作，从而进一步利用铁电临近效应对WSe2沟道分别进行P型或N型掺杂，得到了PN结型光电探测器，有效地提升了光生载流子的寿命，降低了响应时间，提高了光响应度；同时，利用铁电的非挥发存储特性，在栅极电压信号撤去之后，铁电极化状态不变，因而WSe2沟道的掺杂状态也不变，有助于实现低功耗光电探测；最后，通过改变施加在双背栅电极上的电压信号极性，可以实现多种PN结的构建，为实现多功能光电探测器提供了切实可行的解决方案；本专利技术采用的制备工艺与传统CMOS微纳加工技术具有良好的兼容性，为进一步研究大规模光电探测器阵列提供了理论依据和器件原型。
附图说明
[0017]图1是根据本专利技术的可编程光电探测器的结构示意图。
[0018]图2是根据本专利技术的可编程光电探测器的制备方法的流程图。
[0019]图3示出了PZT薄膜不同电压扫描范围下的铁电极化特性。
[0020]图4(a)
‑
4(d)示出了根据本专利技术的可编程光电探测器的四种工作方式。
具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可编程光电探测器，其特征在于：其从下至上包括：衬底(1)、背栅电极a(2)、背栅电极b(3)、无机铁电层(4)、二维半导体沟道(5)以及源漏电极(6)；衬底为带有氧化硅的硅材料；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极a、背栅电极b；无机铁电层采用匀胶机旋涂无机铁电前驱体溶液得到；将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电层的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；源漏电极的图形通过标准光刻技术，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺获得。2.根据权利要求1所述的可编程光电探测器，其特征在于：所述无机铁电层为PZT薄膜。3.根据权利要求2所述的可编程光电探测器，其特征在于：所述衬底和金属铂Pt之间设置20nm厚金属钛Ti作为黏附层。4.根据权利要求3所述的可编程光电探测器，其特征在于：所述背栅电极a、背栅电极b之间的间隔在1um以下。5.根据权利要求1所述的可编程光电探测器的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：(1)选取带有氧化硅的硅材料作为衬底，并清洗干净；(2)利用标准光刻技术定义背栅电极a和背栅电极b的图形；采用磁控溅射沉积100nm厚的金属铂Pt作为背栅电极；进而采用剥离工艺，完成背栅电极的图形化制备；(3)旋涂事先制备好的无机铁电前驱体溶液，经过两次650℃快速退火2min，得到结晶良好的无机铁电薄膜；(4)将CVD法制备的大面积WSe2转移至无机铁电薄膜的上表面，通过标准光刻技术定义沟道图形，采用等离子体刻蚀技术和去胶工艺完成二维半导体沟道WSe2沟道的图形化；(5)通过标准光刻技术，定义源漏电极的图形，采用电子束蒸发沉积Cr/Au，厚度5nm/50nm，结合剥离工艺，完成源漏电极的图形化制备；(6)将幅值为
±
8V、宽度为200ms的电压脉冲施加到背栅电极a、b上，使得极化完全翻转。6.根据权利要求5所述的可编程光电探测器的制备方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙翊淋，丁英涛，李明杰，刘志方，陈志铭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：