一种基于二硒化钨的自驱动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基于二硒化钨的自驱动光电探测器及其制备方法，属于二维半导体光电探测器的设计和制备技术领域。所述的探测器材料为化学气相沉积法生长的大面积二硒化钨单层，利用探针将二维半导体刻画成非对称沟道，致使器件可以在零偏压下工作，降低了功耗，进而制备无需源漏电压即可工作的自驱动型光电探测器。本发明专利技术公开的基于二硒化钨的自驱动光电探测器的制备方法简单，易于操作，并且很容易推广到其他化学气相沉积法获得的材料；采用干法转移技术将两个电极转移到沟道材料表面，避免光刻工艺对材料产生破坏，减弱费米钉扎效应，使器件具有良好的栅控特性。使器件具有良好的栅控特性。使器件具有良好的栅控特性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器及其制备方法


[0001]本专利技术属于二维半导体光电探测器的设计和制备
，具体涉及一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光电探测器是一种能把光信号转化为电信号的器件，被广泛应用于光纤通讯，光学成像，遥感以及医疗分析系统等，在军事和国民经济的各个领域都有着十分重要的应用。
[0003]常规的硅基光电探测器由于高性能和成熟的集成技术，已经大规模地出现在商用市场。但是其工作频段主要集中在可见至近红外波段，严重限制了其进一步的应用。另外半导体制备工艺沿“摩尔定律”逐步向着小型化和集成化的方向发展，目前硅基半导体的制备工艺接近量子物理极限，当器件尺寸进一步缩小时，经典物理理论将不再适用。
[0004]基于二维材料的新型光电探测器已被证明具有非常优异的特性，包括：覆盖从紫外到太赫兹波长的宽探测波段、超高的光响应和探测度，超薄的器件尺寸，优越的机械性能等等。二维材料是下一代光电探测器备选材料的有力竞争者。首先，得益于二维材料的层状结构，所制备的光电探测器沟道可薄至原子层厚度，有效地避免“短沟道效应”。其次，由于二维材料表面无悬挂键，层与层间由范德华力相结合，所以不同二维材料可以摆脱晶格失配的限制，灵活的组装成结构丰富的异质结，极大地拓宽了二维材料在光电领域的应用范围。此外，薄层二维半导体的直接带隙大大提高了光的吸收，有利于提升光电探测器的性能。
[0005]自驱动光电探测器是指无需施加源漏电压即可进行光电探测的光电子器件，其原理在于器件的非对称电学环境。在光照下，器件吸收光子后产生光生电子
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空穴对，并在非对称的电学环境中进行分离和传输，最终产生光伏电流。基于二维材料的自驱动光电探测器往往依赖p
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n结和不同金属电极的肖特基结。然而，在两者的制备工艺中通常涉及到多种材料的生长或不同种金属的转移，存在效率低、操作复杂、成本高等不足，不利于也无法满足工业化生产。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器及其制备方法，通过易于规模化推广的化学气相沉积技术与光电器件集成的方法解决二维材料器件的工业化生产的效率低、高成本和制备复杂问题。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0008]本专利技术公开了一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器，包括衬底电极层、衬底介电层、两个金属电极、二维半导体层；所述衬底介电层位于衬底电极层上方，所述二维半导体层沉积在衬底介电层上方，所述两个金属电极位于二维半导体层上方；
[0009]所述二维半导体层为非对称沟道，所述非对称沟道的两端分别为宽端和窄端，所述两个金属电极分别位于宽端和窄端的上方；所述二维半导体层的材料为二硒化钨。
[0010]进一步地，所述非对称沟道的形状为T形，所述T形非对称沟道的两端分别为宽端和窄端，所述宽端为T形上部横向宽的一端，窄端为T形与横向垂直的窄的一端；所述两个金属电极分别搭在宽端和窄端的上方。
[0011]进一步地，所述二硒化钨为单层，厚度为0.8nm～1.0nm。
[0012]进一步地，所述两个金属电极为Au电极。
[0013]进一步地，所述衬底电极层和衬底介电层选用p型掺杂硅衬底/二氧化硅衬底，其中二氧化硅衬底的厚度为280nm～300nm。
[0014]本专利技术还公开了上述一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0015]S1：在衬底介电层上通过化学气相沉积法沉积生长二维半导体层；
[0016]S2：利用探针刻画工艺对S1中得到的二维半导体层进行图案化处理，得到经过图案化处理的二维半导体层；
[0017]S3：将两个金属电极通过干法转移技术转移到经过图案化处理的二维半导体层的两端作为源极和漏极，得到预处理器件；
[0018]S4：将预处理器件进行热处理，得到一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器。
[0019]进一步地，S1中，化学气相沉积的具体工艺为：以三氧化钨和硒粉末作为生长前驱体，氩氢混合气作为载气，氩气和氢气的体积比为(4～6)：(1～3)；三氧化钨和硒粉末的温度分别为730℃～800℃和290℃～320℃，在衬底介电层上生长10min～15min，得到二硒化钨二维半导体层。
[0020]进一步地，S2中，所述探针刻画工艺的步骤为：使探针与二维半导体层接触，利用摩擦力擦去多余的材料，留下目标图案，得到经过图案化处理的二维半导体层；所述探针为钨钢探针，探针的针尖为1μm～3μm级。
[0021]进一步地，S3中，干法转移技术具体步骤为：将两个金属电极转移到聚二甲基硅氧烷上，并固定至载玻片上，然后利用二维材料转移平台以及显微镜的对齐功能，将两个金属电极和经过图案化处理的二维半导体层进行贴合，加热后抬起载玻片，将两个金属电极转移至经过图案化处理的二维半导体层的两端。
[0022]进一步地，S4中，热处理工艺为：在氩气、氩气/氢气混合气或者真空气氛中，在120℃～200℃下退火处理0.5h～2h。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024]本专利技术公开了一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器，利用化学气相沉积法生长的大面积(10～100μm)二维半导体二硒化钨进行沟道刻画，可重复性高，节省衬底，易于大规模生产。与不同金属电极构成的非对称肖特基结相比，利用同种金属电极可简化制作流程，大大降低生产成本；利用探针将二维半导体刻画成非对称沟道，致使器件可以在零偏压下工作，降低了功耗；采用二硒化钨作为二维半导体层，具有极薄的厚度(0.8nm～1nm)，因此可以有效避免“短沟道效应”，与此同时还具有良好结构稳定性以及较好的光吸收性。
[0025]进一步的，选用p型掺杂硅/二氧化硅衬底作为衬底电极层和衬底介电层，一方面其具有较好的热稳定性，能够为化学气相沉积提供合适衬底。另一方面， p型掺杂硅/二氧化硅衬底可以直接用于二硒化钨自驱动光电探测器的制备，无需材料的转移过程。
[0026]本专利技术还公开了上述基于二硒化钨的自驱动光电探测器的制备方法，该方法采用
干法转移技术将两个电极转移到沟道材料表面，避免光刻工艺对材料产生破坏，减弱费米钉扎效应，使器件具有良好的栅控特性；采用气相沉积法沉积生长二维半导体层，能够沉积生长大面积的二维半导体二硒化钨，可重复性高，节省衬底，易于大规模生产。
附图说明
[0027]图1为本专利技术材料刻画过程示意图；
[0028]图2为本专利技术制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器的立体图；
[0029]图3为本专利技术制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器的侧面图；
[0030]图4为本专利技术制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器在光照下输出曲线的对数图；
[0031]图5为本专利技术制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器，其特征在于，包括衬底电极层(5)、衬底介电层(4)、两个金属电极(3)、二维半导体层(1)；所述衬底介电层(4)位于衬底电极层(5)上方，所述二维半导体层(1)沉积在衬底介电层(4)上方，所述两个金属电极(3)位于二维半导体层(1)上方；所述二维半导体层(1)为非对称沟道，所述非对称沟道的两端分别为宽端和窄端，所述两个金属电极(3)分别位于宽端和窄端的上方；所述二维半导体层(1)的材料为二硒化钨。2.根据权利要求1所述的一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器，其特征在于，所述非对称沟道的形状为T形，所述T形非对称沟道的两端分别为宽端和窄端，所述宽端为T形上部横向宽的一端，窄端为T形与横向垂直的窄的一端；所述两个金属电极(3)分别搭在宽端和窄端的上方。3.根据权利要求1所述的一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器，其特征在于，所述二硒化钨为单层，厚度为0.8nm～1.0nm。4.根据权利要求1所述的一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器，其特征在于，所述两个金属电极(3)为Au电极。5.根据权利要求1所述的一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器，其特征在于，所述衬底电极层(5)和衬底介电层(4)选用p型掺杂硅衬底/二氧化硅衬底，其中二氧化硅衬底的厚度为280nm～300nm。6.权利要求1～5中任意一项所述的一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在衬底介电层(4)上通过化学气相沉积法沉积生长二维半导体层(1)；S2：利用探针(2)刻画工艺对S1中得到的二维半导体层(1)进行图案化处理，得到经过图案化处理的二维半导体层(1)；S3：将两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：程迎春，苗东鹏，罗小光，刘凡，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：