一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器的制作方法

本专利涉及一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器件，属于纳米材料技术领域。

背景技术：

近年来，以二硫化钼(mos2)为代表的过渡金属硫族化合物的出现，为光电探测领域的发展提供了契机。这类过渡金属硫族化合物[naturenanotechnology7,699(2012)]具有1ev-2ev的禁带宽度，载流子有效迁移率可以高达几百cm²v^-1s^-1，而且可以利用化学气相沉积的方法实现大面积制备，这些优异特性使得这类材料可以用于可见光的有效探测。事实上，基于二维半导体的光电探测器早已开始研究，并取得了较好的发展，比如基于二硫化钼的光电探测器[naturenanotechnology8,497(2013)]可以实现高灵敏的探测，探测率高达880aw^-1。

然而，过渡金属硫族化合物在光电探测领域也并不是一帆风顺，比如它的禁带宽度限制了它在红外光电探测器方面的应用，因为这类半导体本身的带隙落在紫外至可见波段，虽然通过能带工程能使其延伸到近红外波段[advancedmaterials27,6575(2015)]，但却很难再进一步延伸。尽管现在也有其他的二维半导体，比如bi2seo2[naturecommunications9,3311(2018)]和bp[naturenanotechnology10,707(2015)]，这些材料的禁带宽度可调，通过厚度的控制可使其带隙处于0.2-0.3ev，可对应到中波红外区域，但这些材料的制备难度和空气稳定性却抑制了他们的发展。此外,二维材料的厚度也限制了他对光的吸收，导致光电转换效率较低，而厚的二维材料暗电流大，很难被完全抑制。基于以上分析，针对二维半导体在光探测器方面的应用，迫切需要通过器件结构的优化和工艺的改进，增加光的吸收同时降低暗电流，并且延长探测波长。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本专利提出一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器件。该方法采用二氧化钒和较厚的、空气稳定的、带隙较窄的二维半导体结合，通过构建垂直型异质结型器件，增加光吸收的同时降低暗电流。该器件在零偏压下是p-n结型器件，可以探测到2微米波长的光；在正偏下可利用二氧化钒的bolometer特性，使探测波长延伸到长波红外，实现了超宽光谱的探测；而在极端高温环境中，该器件会转变为肖特基型器件，从而实现光探测，拓宽了光电探测器的应用领域。

本专利是一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器件及制备方法，其特征在于，器件自下而上依次为：

衬底1、二氧化钒2、二维半导体3、金属源极4、金属漏极5，

其中衬底1为厚度为500微米的氧化铝，表面粗糙度为0.5纳米；

其中二氧化钒2为厚度22纳米的二氧化钒薄膜，表面粗糙度为1纳米；

其中二维半导体3为过渡金属硫族化合物，厚度为20-40纳米；

其中金属源极4、金属漏极5为铂和金电极，铂厚度为15纳米，金厚度为65纳米。

本专利是一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器件及制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

1)通过磁控溅射的方法在氧化铝衬底上制备一层钒金属薄膜，并通过热氧化法将其转变成二氧化钒薄膜；

2)采用紫外光刻技术在二氧化钒薄膜上制作阵列掩膜，利用氩等离子体刻蚀技术刻蚀掉曝光区域，除去掩模后形成二氧化钒方块阵列；

3)用机械剥离的方法在硅片上剥离过渡金属硫族化合物二维半导体，如二硫化钼和二碲化钼，厚度为20-40纳米。用聚二甲基硅氧烷(pdms)将二维半导体转移到刻蚀好的二氧化钒表面，形成错位堆叠的垂直异质结结构。

4)采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发和剥离工艺，分别在二维半导体和二氧化钒上制备金属电极，铂15纳米，金65纳米，形成二氧化钒和二维半导体的异质结型器件。

本专利的优点在于：专利采用了二氧化钒和二维半导体形成垂直异质结结构器件，结合了三种不同的光探测模式，实现了超宽光谱的探测。在零偏压下，该器件表现为p-n结型器件，器件可以吸收2微米波长以下的光，产生电子空穴对并被p-n结内建电场分离，实现可见光和近红外的高灵敏光电探测。器件在正偏时，内建电场被屏蔽，二氧化钒可以吸收短波至长波红外光的热量，利用bolometer效应，减小自身电阻，改变电流大小，从而实现超宽光谱的有效探测。当器件环境温度由常温升至70度以上，二氧化钒由半导体变为金属，器件也因此变为肖特基结型探测器，从而实现在高温工作环境下的有效光探测。

附图说明

图1为制备的二氧化钒和二维半导体的结型探测器的结构示意图。图中：1为衬底、2为二氧化钒、3为二维半导体、4为金属源极、5为金属漏极。

图2为器件探测可见光至短波红外光的探测原理示意图。

图3为器件探测中长波红外光的探测原理示意图。

图4为高温工作模式下的探测原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对专利的技术方案进行详细说明。

实施例1

1)通过磁控溅射的方法在氧化铝衬底上溅射一层均匀的钒金属薄膜，通过热氧化法将其转变成二氧化钒薄膜，薄膜厚度为22纳米，表面粗糙度为1纳米；

2)采用紫外光刻技术在步骤1的二氧化钒薄膜上制作阵列掩膜，利用氩等离子体刻蚀技术刻蚀掉曝光区域，除去掩模后形成二氧化钒的方块阵列；

3)用机械剥离的方法在硅片上剥离二维半导体二碲化钼，厚度为20纳米。用聚二甲基硅氧烷(pdms)将剥离好的二维半导体转移到步骤2中的二氧化钒表面，再除去pdms，形成二维半导体材料和二氧化钒错位堆叠的垂直异质结结构。

4)采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发和剥离工艺，分别在步骤3的二维半导体和二氧化钒上制备金属电极，铂15纳米，金65纳米，形成完整的二氧化钒和二维半导体的异质结型器件。

实施例2

1)通过磁控溅射的方法在氧化铝衬底上溅射一层均匀的钒金属薄膜，通过热氧化法将其转变成二氧化钒薄膜，薄膜厚度为22纳米，表面粗糙度为1纳米；

2)采用紫外光刻技术在步骤1的二氧化钒薄膜上制作阵列掩膜，利用氩等离子体刻蚀技术刻蚀掉曝光区域，除去掩模后形成二氧化钒的方块阵列；

3)用机械剥离的方法在硅片上剥离二维半导体二碲化钼，厚度为30纳米。用聚二甲基硅氧烷(pdms)将剥离好的二维半导体转移到步骤2中的二氧化钒表面，再除去pdms，形成二维半导体材料和二氧化钒错位堆叠的垂直异质结结构。

4)采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发和剥离工艺，分别在步骤3的二维半导体和二氧化钒上制备金属电极，铂15纳米，金65纳米，形成完整的二氧化钒和二维半导体的异质结型器件。

实施例3

1)通过磁控溅射的方法在氧化铝衬底上溅射一层均匀的钒金属薄膜，通过热氧化法将其转变成二氧化钒薄膜，薄膜厚度为22纳米，表面粗糙度为1纳米；

2)采用紫外光刻技术在步骤1的二氧化钒薄膜上制作阵列掩膜，利用氩等离子体刻蚀技术刻蚀掉曝光区域，除去掩模后形成二氧化钒的方块阵列；

3)用机械剥离的方法在硅片上剥离二维半导体二碲化钼，厚度为40纳米。用聚二甲基硅氧烷(pdms)将剥离好的二维半导体转移到步骤2中的二氧化钒表面，再除去pdms，形成二维半导体材料和二氧化钒错位堆叠的垂直异质结结构。

4)采用紫外光刻技术或者电子束曝光技术，结合热蒸发和剥离工艺，分别在步骤3的二维半导体和二氧化钒上制备金属电极，铂15纳米，金65纳米，形成完整的二氧化钒和二维半导体的异质结型器件。