一种基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器，是以设有绝缘层的单晶硅衬底作为基底，通过刻蚀掉部分区域的绝缘层裸露出硅，在裸露的硅上旋涂MXene薄膜，在单晶硅衬底的下表面设置与单晶硅衬底呈欧姆接触的底电极，MXene薄膜与硅形成肖特基结。本发明专利技术所制备的光探测器具有肖特基势垒高度高、响应速度快、电流大、自钝化等优势，同时具有制备方法简单、兼容性强、稳定性高、易制备大面积器件等优点。备大面积器件等优点。备大面积器件等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器


[0001]本专利技术属于半导体光电器件
，具体涉及一种基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器。

技术介绍

[0002]硅基肖特基二极管(Si
‑
SBDs)由于低功耗、超高速、简单的器件结构、廉价的制造工艺等特点，在构建高速光探测器中具有重要的应用前景和发展潜力，但Si
‑
SBDs的响应速度等光电响应特性受限于肖特基势垒高度(Ф
B
)和界面态密度。传统金属
‑
Si肖特基界面处不可避免的化学无序和费米能级钉扎，难以实现理想情况下的肖特基势垒高度，这会严重影响硅肖特基二极管的响应速度等性能(参考文献：[1]LiuY，GuoJ，ZhuE,etal.Approachingthe Schottky
‑
MottlimitinvanderWaalsmetal
–
semiconductorjunctions[J].Nature，2018,557,696.]。为提高金属
‑
Si肖特基二极管的性能，通常在金属
‑
Si接触界面之间引入氧化层来降低器件界面态密度，提升其光响应速度等光响应性能，但氧化层的厚度需要精确控制，增加了工艺的复杂程度。因此，减少Si
‑
SBDs的界面态密度、提高肖特基势垒高度的简单工艺仍然是一个亟待解决的问题。
[0003]具有可调的功函数、高透光率、高导电性、表面无悬挂键及电极制备可通过范德瓦尔斯(vdW)接触来实现等优异的光学和电学特性的Ti3C2T
x
MXene，有望解决传统金属Si
‑
SBD光探测器的势垒高度等性能难以提升的重要问题。其表面可调控的氧(O)官能团有望饱和硅表面悬挂键，通过自钝化作用降低Si表面态密度，提升器件的响应速度等特性。且可以通过旋涂等简单工艺大面积制备，与成熟的硅基工艺具有高的兼容性，在制备高速Si
‑
SBD光探测器中具有巨大的发展潜力。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器，旨在获得自钝化、高响应速度的高速光探测器。
[0005]本专利技术为解决技术问题，采用如下技术方案：
[0006]一种基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器，其特点在于：所述光探测器是以设有绝缘层的单晶硅衬底作为基底，通过刻蚀掉部分区域的绝缘层裸露出硅；在裸露的硅上旋涂作为MXene薄膜；在所述单晶硅衬底的下表面设置与单晶硅衬底呈欧姆接触的底电极；所述MXene薄膜与硅形成肖特基结。
[0007]进一步地，所述单晶硅衬底的厚度为100μm
‑
500μm，所述绝缘层为50nm
‑
300nm厚的SiO2层。
[0008]进一步地，所述MXene薄膜为单层或多层Ti3C2T
x
，表面官能团中
‑
O和
‑
F官能团的摩尔比为5～2:1。通过使用氢氟酸对MAX相材料进行选择性刻蚀合成MXene，调控
‑
O和
‑
F官能团的摩尔比，降低界面态密度，获得高功函数MXene。
[0009]进一步地，所述MXene薄膜的厚度为1000
‑
5000nm。
[0010]进一步地，所述底电极为In/Ga电极，厚度为200
‑
2000nm。
[0011]进一步地，在所述MXene薄膜上还可点银胶作为顶电极。
[0012]与已有技术相比较，本专利技术的有益效果体现在：
[0013]本专利技术所制备的光探测器具有肖特基势垒高度高、响应速度快、电流大、自钝化等优势，同时具有制备方法简单、兼容性强、稳定性高、易制备大面积器件等优点，在研发低成本、高速、稳定、高集成度的探测器中具有广阔的应用前景。
附图说明
[0014]图1为本专利技术光探测器的结构示意图，图中标号：1为绝缘层，2为MXene薄膜，3为单晶硅衬底，4底电极。
[0015]图2为实施例1所制备的Ti3C2T
x
薄膜的XPS光谱组分峰拟合图。
[0016]图3为实施例1的光探测器在黑暗条件下从
‑
2V～+2V的I
‑
V曲线图。
[0017]图4为实施例1的光探测器在1MHz频率下设备归一化1/C2‑
V曲线；
[0018]图5为实施例1的光探测器的光谱吸收和响应度随波长的变化曲线。
[0019]图6为0.4MHz下实施例1的光探测器和0.011MHz下对比例1的光探测器的单个光响应周期的归一化放大示意图。
[0020]图7为实施例1和对比例1的光探测器在频率为0.4MHz脉冲光照条件下的I
‑
T曲线图。
[0021]图8为实施例1的光探测器在400kHz的脉冲光频率下单个响应周期归一化光电压曲线图。
[0022]图9为实施例1的光探测器的带宽与先前报道的其余肖特基光电二极管的比较。
具体实施方式
[0023]下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0024]实施例1
[0025]如图1所示，本实施例提供的基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器，是以设有绝缘层1的单晶硅衬底3作为基底，通过刻蚀掉部分区域的绝缘层裸露出硅；在裸露的硅上旋涂MXene薄膜2；在单晶硅衬底3的下表面设置与单晶硅衬底呈欧姆接触的底电极4；MXene薄膜与硅形成肖特基结。
[0026]具体的，本实施例中，所用单晶硅衬底的厚度为500μm，绝缘层为200nm厚的SiO2层。MXene薄膜为Ti3C2T
x
，厚度为5000nm，表面官能团中
‑
O和
‑
F官能团的摩尔比为2:1。底电极为In/Ga电极，厚度约500nm。
[0027]本实施例高速光探测器的制备方法，包括如下步骤：
[0028]a、将大小为10*10mm的Si
‑
SiO2衬底的四周通过胶带覆盖掩模后，在浓度为20％的HF溶液中浸泡2分钟以去除未覆盖区域的氧化层，再依次在丙酮、乙醇、去离子水中清洗5分钟以去除表面的有机物。
[0029]b、将刻蚀后的硅衬底放在净化涂胶机的吸盘上，打开真空吸附使其固定，涂胶机设置为先以500rmp的转速旋转10s、再以3000rmp的转速旋转30s，在硅衬底的上表面旋涂一层Ti3C2T
x
薄膜(其表面
‑
O和
‑
F官能团的摩尔比为2:1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器，其特征在于：所述光探测器是以设有绝缘层(1)的单晶硅衬底(3)作为基底，通过刻蚀掉部分区域的绝缘层裸露出硅；在裸露的硅上旋涂MXene薄膜(2)；在所述单晶硅衬底(3)的下表面设置与单晶硅衬底呈欧姆接触的底电极(4)；所述MXene薄膜与硅形成肖特基结。2.根据权利要求1所述的基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器，其特征在于：所述单晶硅衬底的厚度为100μm
‑
500μm。3.根据权利要求1所述的基于自钝化MXene/Si范德瓦尔斯肖特基结的高速光探测器，其特征在于：所述绝缘层为50nm
‑
300nm厚的...

【专利技术属性】
技术研发人员：于永强，蔡凯荣，蒋露露，刘心琪，陆媛，张浩，崔英豪，陆梦雪，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：