一种二维材料光探测器及其制作方法与流程

本发明涉及二维材料光探测器领域，特别涉及一种二维材料光探测器及其制作方法。

背景技术

二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。

石墨烯作为一种新型光敏材料在光探测方面有着超越传统半导体材料的显著优势，由于其独特的零带隙能带结构，使其具有极宽的吸收光谱，基于石墨烯的光探测器不仅具有超快的响应速度，同时也可以实现从紫外、可见到近红外甚至中远红外的超宽波段探测。然而，石墨烯光探测器有着致命的弱点：石墨烯的零带隙结构使得光生载流子复合的几率很大，暗电流也很大，再加上一个原子层的石墨烯光吸收率低，约为2.3％，造成相应器件的光响应度很低，不利于实现高灵敏度探测。因此如何降低器件的暗电流是本领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种制作具有低暗电流的二维材料光探测器的制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种二维材料光探测器的制作方法，包括以下步骤，

一种二维材料光探测器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤，

s1、制作光敏二维材料与半导体的背靠背的双肖特基势垒，具体的包括，

a、准备基底，所述基底包括半导体衬底和设置于所述半导体衬底一面的绝缘层，

b、在所述绝缘层上开设两个对称的窗口使半导体衬底暴露，

c、在基底上开设有所述窗口的一面设置一层光敏二维材料，形成光敏二维材料层，所述光敏二维材料层覆盖绝缘层表面并覆盖暴露出的半导体衬底的全部表面，从而使所述光敏二维材料层与半导体衬底构成的背靠背的双肖特基势垒，

s2、在光敏二维材料层远离所述半导体衬底的一面制作两处电极，使得两处电极分别位于两窗口对称轴线的两侧并使两窗口位于两处电极之间。

本申请采用半导体二维材料和半导体构成背靠背的双肖特基势垒，当加上直流偏置电压时，一个势垒正向偏置，另一个势垒反向偏置，因此本申请的暗电流小，从而使得本申请具有较低的暗电流。

进一步的是：还包括步骤，

对构成所述双肖特基势垒的其中一个窗口中的光敏二维材料层表面修饰半导体二维材料。

进一步的是：所述光敏二维材料层为石墨烯、mos2、mote2、ptse2、黑磷或mo2c，优选的，所述光敏二维材料层为石墨烯。

进一步的是：所述半导体二维材料为量子点、氧化锌、氧化钛纳米片或氧化钛纳米线。

进一步的是：所述半导体衬底是si、ge或gan，所述绝缘层是二氧化硅、氧化铝、二氧化铪或氧化锆，优选的，所述半导体衬底为高掺杂si，所述绝缘层为二氧化硅。

进一步的是：所述电极为对称电极。

本申请进一步提供了一种二维材料光探测器，所采用的技术方案是：包括基底，所述基底包括半导体衬底和设置于半导体衬底一面的绝缘层，所述绝缘层上开设有两处对称的窗口，所述窗口中的半导体衬底裸露，所述基底上开设有所述窗口的一面设置有光敏二维材料层，所述光敏二维材料层覆盖所述绝缘层的表面并覆盖所述窗口中裸露的半导体衬底的全部表面，所述光敏二维材料层远离所述半导体衬底的一面设置有两处电极，两处所述电极位于两处所述窗口的对称轴线的两侧并且两处所述窗口均位于两处所述电极之间。

进一步的是：其中一个所述窗口中的光敏二维材料层表面修饰有半导体二维材料。

进一步的是：所述半导体二维材料为量子点、氧化锌、氧化钛纳米片或氧化钛纳米线。

进一步的是：所述光敏二维材料层为石墨烯、mos2、mote2、ptse2、黑磷或mo2c，所述半导体衬底是si、ge或gan，所述绝缘层为二氧化硅、氧化铝、二氧化铪或氧化锆。

本发明的有益效果是：本申请采用半导体二维材料和半导体构成背靠背的双肖特基势垒，从而使得本申请具有较低的暗电流。本申请由于在构成其中一个肖基特结的光敏二维材料表面修饰有半导体二维材料，使得本申请可以无电压驱动进行光检测。

附图说明

图1是本申请的结构示意图。

图2是本申请流程示意图。

图3是本申请石墨烯/硅的非对称双肖特基结的电流-电压特性曲线图。

图中标记是：半导体衬底1、绝缘层2、光敏二维材料层3、半导体二维材料4、电极5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种二维材料光探测器，包括基底和铺设于基底表面的一层或多层光敏二维材料组成的光敏二维材料层3，具体的，该光敏二维材料可以是但不限于石墨烯、mos2、mote2、ptse2、黑磷或mo2c，在本申请中优选的采用石墨烯作为该光敏二维材料层3，所述基底包括半导体衬底1和铺设于半导体衬底1一面的绝缘层2，其中所述半导体可以是但不限于si、ge或gan，所述绝缘层2可以是但不限于二氧化硅、氧化铝、二氧化铪或氧化锆，在本申请中选用表面具有50nm-300nm厚二氧化硅的高掺杂硅，在二氧化硅层上横向的开设有两处形状、大小和深度均相同的窗口，该窗口的深度需大于该二氧化硅层的厚度，以使得二氧化硅层下方的高掺杂硅衬底裸露出来，由于开设有窗口，因此该区域的水平面相对较低，形成凹陷区，所述两窗口横向的两侧设置有电极5，具体的两处电极5分别位于两凹陷区同轴线的两端，由于两窗口对称，因此两处电极也位于两窗口对称轴线的两侧，两处电极5均与上述光敏二维材料层3接触，优选的，该两处电极5为对称电极5，两处电极5分别可以是钛和金。

如图1所示，在本申请中，由光敏二维材料3覆盖于窗口中暴露出的半导体衬底1表面，从而构成光敏二维材料3与半导体衬底1背靠背的双肖特基势垒，当加上直流偏置电压时，一个势垒正向偏置，另一个势垒反向偏置，因此本申请的暗电流小。

如图1所示，在上述基础上，对其中一个所述凹陷区上的光敏二维材料层3表面修饰半导体二维材料4，该半导体二维材料4可以是但不限于量子点、氧化锌、氧化钛纳米片或氧化钛纳米线。

本申请通过对构成双肖特基势垒的其中一个肖特基结的光敏二维材料层3表面进行修饰半导体二维材料4，由于在光照下，这些量子点、氧化锌、氧化钛纳米片或氧化钛纳米线等半导体二维材料4产生的光生载流子会注入光敏二维材料层3，在本申请中，光敏二维材料层3以石墨烯为例，光生载流子注入石墨烯从而改变石墨烯的费米能级，进而改变其中一个肖特基结的势垒，打破双肖特基结的对称性从而打破石墨烯和硅形成的背靠背的双肖特基势垒的对称性，从而可以实现无电压驱动、具有低暗电流的宽波段光探测功能。

由于打破了上述背靠背的肖基特势垒，连接两处电极5，因此可实现在无电压驱动下具有低暗电流的宽波段光探测功能，其电流-电压特性曲线如图3所示，本申请具有结构简单、成本低、响应速度快、暗电流噪声小、响应波谱范围宽的优点。

在上述基础上，为了便于理解，本申请还提供了一种用于制作上述光探测器的方法，如图2所示，包括以下步骤，

s1、制作光敏二维材料与半导体的背靠背的双肖特基势垒，

a、准备基底，所述基底包括半导体衬底1和设置于半导体衬底1一面的绝缘层2，该半导体衬底1可以是si、ge或gan，该绝缘层2可以是二氧化硅、氧化铝、二氧化铪或氧化锆，本申请以采用si作为衬底，采用二氧化硅为绝缘层2为例，具体的是，准备表面具有50-300nm厚sio2的高掺杂硅片，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪把硅片吹干，其中sio2的厚度可以是50nm、100nm、150nm、200nm、250nm或300nm。

b、在所述绝缘层2上横向开设两个同样的窗口使半导体衬底1暴露，具体的是，采用光刻工艺，在二氧化硅表面涂一层1-2微米厚的光刻胶，在光刻显影后露出待刻蚀的二氧化硅，然后采用湿法腐蚀或反应离子束刻蚀的方法刻蚀二氧化硅，从而在基底设置有绝缘层的一面形成两处窗口，使得二氧化硅下方的高掺杂硅暴露出来。

c、除去剩余的光刻胶，在基底表面通过湿法转移或干法转移一层光敏二维材料，使得暴露出的半导体衬底1表面和绝缘层表面铺设有一层光敏二维材料层3，该光敏二维材料层3可以铺设于绝缘层的部分表面，使光敏二维材料层3与si衬底构成的背靠背双肖特基势垒，具体的，该光敏二维材料可以是石墨烯、mos2、mote2、ptse2、黑磷或mo2c，在本申请中选用石墨烯，将一层或多层石墨烯转移至si衬底表面，从而得到石墨烯和硅构成的背靠背的双肖特基势垒。

s2、在光敏材料层3表面制作电极5，使得电极5分别位于两窗口横向的两侧并与光敏二维材料层3接触，该电极5可部分设置于绝缘层上，具体的是，采用光刻工艺，在光敏二维材料3需设置电极的部分涂光刻胶，光刻、显影，在光刻胶上形成用于蒸镀源漏电极5的两处孔，上述孔分别位于两窗口对称轴线的两侧并且两窗口位于上述孔之间，即该孔位于双肖特基势垒横向的两侧，具体的可以分别位于双肖特基势垒同轴线的两端，然后对开孔处采用电子束蒸镀金属钛和金，随后用丙酮溶液去除剩余的光刻胶，形成金属电极5；此处源漏电极5为对称电极5，从而在横向形成漏电极、窗口、窗口、源电极的结构。

s3、对构成上述双肖特基势垒的其中一个窗口中的光敏二维材料表面修饰半导体二维材料4，具体的是，采用光刻工艺，光刻显影后再光刻胶上暴露出其中一个肖基特势垒，在暴露出的石墨烯表面旋涂半导体二维材料4，该半导体二维材料4可以是量子点、氧化锌、氧化钛纳米片或氧化钛纳米线。

最终在基底上形成石墨烯/硅的非对称的双肖特基结，连接上述的两个电极5，即可实现在无电压驱动状态下、具有低暗电流的宽波段光探测功能。

其中，上述步骤s3可先与s2进行，即在制作完肖特基势垒后可先进行步骤s3对光敏二维材料层3进行表面修饰，当表面修饰结束后再进行步骤s2。

本申请暗电流小，且在修饰有半导体二维材料4后可在无电压驱动下具有低暗电流的宽波段光探测功能，本申请具有结构简单、成本低、响应速度快、暗电流噪声小、响应波谱范围宽的优点。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。