阅读说明：本技术 一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法 (Self-driven photoelectric detector with low dark current and preparation method thereof ) 是由 周长见 张首勇 吕喆 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法,属于半导体器件及其制造领域。通过确定性干法转移的方法制备的Graphene-WSe<Sub>2</Sub>-Au结构器件具有良好的光伏特性,避免了传统方法直接在二维材料上蒸镀电极容易引起的费米能级钉扎效应,器件具有良好的光响应。由于器件的两个异质结WSe<Sub>2</Sub>-Graphene结和WSe<Sub>2</Sub>-Au结具有不对称性,器件具有自驱动特性,可以在零偏压下工作,此时的暗电流几乎可以忽略；此外,由于隧穿层和俘获层的引入,使得即使器件在外部偏压下工作的时候,也能将暗电流控制在很低的数量级。(The invention discloses a self-driven photoelectric detector with low dark current and a preparation method thereof, belonging to the field of semiconductor devices and manufacturing thereof. Graphene-WSe prepared by deterministic dry transfer method 2 The Au structure device has good photovoltaic property, the Fermi level pinning effect easily caused by directly evaporating the electrode on the two-dimensional material by the traditional method is avoided, and the device has good photoresponse. Due to two heterojunctions WSe of the device 2 -Graphene junction and WSe 2 The Au junction has asymmetry, the device has self-driving characteristics, and can work under zero bias, and the dark current is almost negligible; in addition, due to the guiding of the tunneling layer and the trapping layerIn turn, dark current can be controlled to a very low order of magnitude even when the device is operated under an external bias.)

一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造领域，尤其涉及一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器是一种将光信号转换为电信号的探测器件，在军事和民用领域都有着非常广泛而重要的应用。在军事上，主要用于制导、雷达监测、光通信等方面；民用上，在摄像、红外探测、测温等方面也有着重要的应用。

目前，硅基光电探测器是嵌入手机、电脑和数码相机的商业图像传感器背后的主力，特别是基于PN结的光电二极管由于其制造工艺与主流互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的兼容性，在消费电子产品中越来越普遍。但是由于硅半导体禁带宽度比较大，难以实现红外波段的探测。因此，一些二维材料的发现，使光电探测器的发展得到了重大的突破。二维材料良好的光学、电学、热学性质以及其良好的机械性质使得其成为制作光电探测器良好的基础材料，且光电探测器的探测波段、探测性能可以通过改变二维材料的厚度、以及进行二维材料间的异质结构建来调节。所以，二维材料在光电探测领域具有巨大的发展潜力。

为了满足光电探测器在生物成像、环境监测等领域的应用，基于一些新型的半导体材料和一些新的结构的光电器件开始涌现，尤其是随着石墨烯和一些二维层状材料的发现，使得光电探测器件的研究被

推向一个新的浪潮。从零带隙的石墨烯到带隙可调的过渡金属硫族化物再到禁带宽度达到6eV的六方氮化硼(h-BN)，囊括了光电探测所需求的几乎整个光谱。随着一些材料生长和转移方法的发展与创新，使大面积的二维材料器件和硅CMOS集成电路的集成成为可能，此外，二维材料对光子的吸收率远远高于硅，这一特性使得即使在非常薄的二维材料上也能实现绝大部分的光吸收，这意味着在高性能的图像传感器上，一层薄薄的二维材料与底层的硅CMOS处理电路的潜在集成。

在过去的十年中，基于不同二维材料例如Graphene、MoS₂、WSe₂等的光电探测器已经被证明具有优异的性能。基于单层WSe₂的p-n结光电探测器表现出明显的光伏效应，由于不同的二维材料具有不同的载流子极性，将不同的二维材料组合在一起可以形成具有明显光伏效应的异质结结构光电探测器。这种在不加外部偏压的条件下，由于自身结构内部存在势垒而形成内建电场，在光照条件下由于光生载流子在电场下漂移产生光电流的性质称为自驱动，这种光电探测器称为自驱动型光电探测器。由于这种自驱动器件不需要外界电压或者能量的供给便可以工作，所以在无线传感器网络的户外环境传感、可穿戴医疗监控等应用领域不可或缺。

此外，自驱动型光电探测器不需要在外加偏压的条件下工作，使其具有极低的暗电流。

发明内容

本发明为解决上述问题，而提出的一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器，包括衬底以及转移在衬底上的二维半导体材料薄片、两个金属电极、隧穿层和俘获层，所述两个金属电极分别沉积在衬底两侧，所述隧穿层位于二维半导体材料薄片顶部，所述俘获层位于隧穿层上方；所述的二维半导体材料薄片分别是过渡金属硫族化物WSe₂和石墨烯，所述隧穿层材料为HfO₂，所述俘获层材料为Si₃N₄。

进一步，所述两个金属电极采用50nmAu/10nmTi构成。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、二维材料的制备；

S2、在衬底上制备电极材料；

S3、异质结的构建；

S4、在异质结材料上制备隧穿层和俘获层；

S5、在制成的Graphene-WSe₂-Au器件上根据需要制备钝化层保护二维材料的稳定性。

进一步，所述步骤S1中，二维材料通过机械剥离或者化学气相沉积的方法获得。

进一步，所述步骤S2中，Au/Ti(50nm/10nm)电极通过电子束蒸镀的方法获得，沉积在硅衬底两侧，硅衬底是具有300nm SiO₂氧化层的硅片。

进一步，所述步骤S3中，将获得的WSe₂薄片和石墨烯薄片通过先后两步确定性转移的方法转移到衬底上。且石墨烯薄片的一侧压在WSe₂薄片上，与WSe₂之间构成范德华异质结，另一侧压在金电极上，是一种欧姆接触；WSe₂薄片的另外一侧压在金属电极上，与金电极形成肖特基结。从而构成Graphene-WSe₂-Au结构的器件。

进一步，所述步骤S4中，先采用原子层沉积技术(ALD)在WSe₂与石墨烯异质结材料顶部沉积一层HfO₂层，作为隧穿层，然后采用液体剥离方法制备Si₃N₄纳米片的分散液滴在HfO₂顶部，并在室温下干燥24小时，形成一层俘获层。

8.根据权利要求4所述的一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中，钝化层材料一般使用光刻胶和氮化硅等材料。

与现有技术相比，本发明提供了一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法，具备以下有益效果：

1.本发明的有益效果是：通过确定性干法转移的方法制备的Graphene-WSe₂-Au结构具有良好的光伏特性，避免了传统方法直接在二维材料上蒸镀电极容易引起的费米能级钉扎效应，器件具有良好的光响应。

2.本发明的另一有益效果是：由于器件的两个异质结WSe₂-Graphene结和WSe₂-Au结具有不对称性，器件具有自驱动特性，可以在零偏压下工作，此时的暗电流几乎可以忽略；此外，由于隧穿层和俘获层的引入，使得即使器件在外部偏压下工作的时候，也能将暗电流控制在很低的数量级。

附图说明

图1为本发明提出的一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器的一具体实施例的正视图；

图2为本发明提出的一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器的一具体实施例的立体图；

图3为本发明提出的一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器的一具体实施例的二维半导体材料异质结的立体图；

图4为本发明提出的一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器的制备方法的一具体实施例的流程示意图。

图5为本发明提出的一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器的输出曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

参考图1-3，本发明提供了一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器，包括衬底101以及转移在衬底上的二维半导体材料薄片、两个金属电极102、隧穿层105和俘获层106，所述两个金属电极102分别沉积在衬底两侧，所述隧穿层105位于二维半导体材料异质结顶部，所述俘获层106位于隧穿层105上方；所述的二维半导体材料薄片分别是过渡金属硫族化物WSe₂ 103和石墨烯104，所述隧穿层105材料为HfO₂，所述俘获层106材料为Si₃N₄。

本发明中二维半导体材料薄片中过渡金属硫族化物WSe₂ 103和石墨烯104厚度为50nm，偏差不超过1％。

本发明中隧穿层HfO₂ 105厚度为10nm，所述俘获层Si₃N₄ 106厚度为5nm。

本实施例中，衬底101上还设置有用于保护衬底101的绝缘介质层107，因此在图1的正视图中，二维半导体薄片在绝缘介质层107上方。本实施例中石墨烯104的一侧压在WSe₂ 103上，与WSe₂ 103之间构成范德华异质结，另一侧压在金电极上，是一种欧姆接触；WSe₂ 103的另外一侧压在金属电极上，与金电极形成肖特基结。

对于一种基于Graphene-WSe₂-Au结构的自驱动型光电探测器，即本发明所称的一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器，在不加偏压工作时的光电流：

J＝qG(W_L-W_R)

其中J为器件光电流G、W分别是载流子产生率和两边异质结的耗尽层宽度：

ε_S和N_D为WSe₂材料的相对介电常数和掺杂浓度，V_BL和V_BR是两个结的势垒高度，即电极材料与WSe₂功函数差。所以要实现器件在零偏压下具有短路电流I_sc，则需控制两端异质结的耗尽层宽度不同，即采用不同功函数的电极材料(金电极和石墨烯电极)，零偏压下器件的暗电流很小几乎可以忽略。

为了抑制器件在有外部偏压下工作时的暗电流，本发明在异质结上层加了两层材料：HfO₂隧穿层和Si₃N₄俘获层，薄层Si₃N₄可以俘获一定量的本征载流子，从而减小器件的暗电流。具体的工作原理如下：对器件加正栅压(本器件以硅衬底为背栅)，WSe₂材料的费米能级会升高，由于电子会从费米能级高的地方往低的地方转移，所以电子会从WSe₂流向HfO₂，然后被Si₃N₄俘获，从而使本征载流子(电子)耗尽，器件的暗电流被抑制。

在光照作用下，虽然光子会激发部分的电子进入到HfO₂的导带上，但又会回落到异质结材料上，所以这两层材料对器件的光电流影响较小。此外，这两个薄层透光性较好，对底部异质结材料的光吸收影响也较小。

总的来说，由于器件的两个异质结WSe₂-Graphene和WSe₂-Au具有不对称性，器件具有自驱动特性，可以在零偏压下工作，此时的暗电流几乎可以忽略；此外，由于隧穿层和俘获层的引入，使得即使器件在外部偏压下工作的时候，也能将暗电流控制在很低的数量级。

进一步，作为优选的实施方式，所述两个金属电极采用采用50nmAu/10nmTi构成。

本发明还提供了一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

S1、二维材料的制备；

S2、在衬底101上制备电极材料；

S3、异质结的构建；

S4、在异质结材料上制备隧穿层105和俘获层106；

S5、在制成的Graphene-WSe₂-Au器件上根据需要制备钝化层保护二维材料的稳定性。

进一步，作为优选的实施方式，所述步骤S1中，二维材料通过机械剥离或者化学气相沉积的方法获得。

进一步，作为优选的实施方式，所述步骤S2中，Au/Ti(50nm/10nm)电极通过电子束蒸镀的方法获得，沉积在硅衬底两侧，硅衬底是具有300nm SiO₂氧化层的硅片。

进一步，作为优选的实施方式，所述步骤S3中，将获得的WSe₂薄片和石墨烯薄片通过先后两步确定性转移的方法转移到衬底上。且石墨烯薄片的一侧压在WSe₂薄片上，与WSe₂之间构成范德华异质结，另一侧压在金电极上，是一种欧姆接触；WSe₂薄片的另外一侧压在金属电极上，与金电极形成肖特基结。从而构成Graphene-WSe₂-Au结构的器件。

进一步，作为优选的实施方式，所述步骤S4中，先采用原子层沉积技术(ALD)在WSe₂与石墨烯异质结材料顶部沉积一层HfO₂层，作为隧穿层，然后采用液体剥离方法制备Si₃N₄纳米片的分散液滴在HfO₂顶部，并在室温下干燥24小时，形成一层俘获层。

进一步，作为优选的实施方式，所述步骤S5中，钝化层材料一般使用光刻胶和氮化硅等材料。

本发明制作方法的一种详细实施例如下所示：

步骤(1)、使用具有300nm SiO₂氧化层的硅片作为衬底材料；

步骤(2)、通过电子束蒸镀的方法获得Au/Ti(50nm/10nm)电极，沉积在硅衬底两侧；

步骤(3)、通过机械剥离或者化学气相沉积的方法获得WSe₂薄片和石墨烯薄片，并将将获得的WSe₂薄片和石墨烯薄片通过先后两步确定性转移的方法转移到衬底上。且石墨烯薄片的一侧压在WSe₂薄片上，与WSe₂之间构成范德华异质结，另一侧压在金电极上，是一种欧姆接触；WSe₂薄片的另外一侧压在金属电极上，与金电极形成肖特基结。从而构成Graphene-WSe₂-Au结构的器件；

步骤(4)、先采用原子层沉积技术(ALD)在WSe₂与石墨烯异质结材料顶部沉积一层HfO₂层，作为隧穿层，然后采用液体剥离方法制备Si₃N₄纳米片的分散液滴在HfO₂顶部，并在室温下干燥24小时，形成一层俘获层。

步骤(5)、制成的Graphene-WSe₂-Au器件上根据需要制备钝化层。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。