一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器及其制备方法

1.本发明属于二维半导体光电探测器的设计和制备技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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-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。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明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。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.本发明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；
9.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。
10.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。
11.进一步地，所述二硒化钨为单层，厚度为0.8nm～1.0nm。
12.进一步地，所述两个金属电极为au电极。
13.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。
14.本发明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：
15.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；
16.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；
17.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；
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.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。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明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。
25.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。
26.本发明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
27.图1为本发明材料刻画过程示意图；
28.图2为本发明制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器的立体图；
29.图3为本发明制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器的侧面图；
30.图4为本发明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；
31.图5为本发明制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器在零偏压下响应度-光功率密度的关系图；
32.图6为本发明制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器在零偏压下探测度-光功率密度的关系图；
33.其中：1-二维半导体层；2-探针；3-金属电极；4-衬底介电层；5-衬底电极层；6-二硒化钨层。
具体实施方式
34.为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
35.本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
36.本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。
37.本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由
……
组成”和“主要由
……
组成”的意思，例如“a包含a”涵盖了“a包含a和其他”和“a仅包含a”的意思。
38.本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。
39.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
40.下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验
方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。
41.图1所示为一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器的图案化处理示意图，制备过程如下：
42.采用化学气相沉积法直接在衬底介电层4上生长二硒化钨层6；将生长得到的二硒化钨层6通过探针2进行刻画，首先将二硒化钨层6放置在转移平台，然后使探针2与二硒化钨层6边缘进行接触，通过调整探针2的高度来调整摩擦力，探针与二硒化钨层6接触后调整探针2的位置使该部分材料被探针 2擦除，即对二硒化钨层6进行图案化处理，最终得到t形非对称沟道。
43.如图2和图3所示，本发明公开的一种二硒化钨的自驱动光电探测器，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；
44.所述二维半导体层1为二硒化钨，为非对称沟道，所述两个金属电极3位于非对称沟道二维半导体层1的两端。其中，所述非对称沟道形状为t形，所述t形二维半导体层1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。
45.实施例1
46.一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：
47.s1：采用化学气相沉积法在p型掺杂硅/二氧化硅衬底介电层上生长二硒化钨二维半导体层，生长时间为10min，所获得的二硒化钨二维半导体层，单层厚度为0.8nm；其中二氧化硅衬底的厚度为280nm。化学气相沉积的步骤为：采用三氧化钨和硒粉作为化学气相沉积法生长的前驱体，氩气和氢气作为载气，生长过程中三氧化钨放置在管式炉的中心部位，温度为780℃，硒粉置于管式炉进气口处，利用管式炉的余温加热，温度在300℃；其中，氩气和氢气的比例为4：1。
48.s2：将生长得到的二硒化钨二维半导体层通过尖端为1μm级的钨钢探针进行刻画，首先将二硒化钨二维半导体层放置在转移平台，然后使钨钢探针与二硒化钨二维半导体层边缘进行接触，通过调整钨钢探针的高度来调整摩擦力，探针与二硒化钨二维半导体层接触后调整钨钢探针的位置使该部分材料被钨钢探针擦除，即对二硒化钨二维半导体层进行图案化处理，留下t形二硒化钨二维半导体层，形成非对称沟道。
49.s3：将两个50nm厚的au电极分别转移到聚二甲基硅氧烷(pdms)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50nm 厚的au电极和t形二硒化钨二维半导体层进行缓慢贴合，辅助加热之后缓慢抬起载玻片，即可将50nm厚的au电极转移至t形二硒化钨二维半导体层的指定位置，两个50nm厚的au电极分别搭在t形的宽端和窄端，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，得到预处理器件。
50.s4：将上述预处理器件放入退火炉中退火，气氛为氩气气氛中，在180℃下退火处
理1h，使得材料与电极紧密接触，得到一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器。
51.实施例2
52.一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：
53.s1：采用化学气相沉积法在p型掺杂硅/二氧化硅衬底介电层上生长二硒化钨二维半导体层，生长时间为15min，所获得的二硒化钨二维半导体层，单层厚度为0.9nm；其中二氧化硅衬底的厚度为290nm。化学气相沉积的步骤为：采用三氧化钨和硒粉作为化学气相沉积法生长的前驱体，氩气和氢气作为载气，生长过程中三氧化钨放置在管式炉的中心部位，温度为730℃，硒粉置于管式炉进气口处，利用管式炉的余温加热，温度在320℃；其中，氩气和氢气的比例为2：1。
54.s2：将生长得到的二硒化钨二维半导体层通过尖端为2μm级的钨钢探针进行刻画，首先将二硒化钨二维半导体层放置在转移平台，然后使钨钢探针与二硒化钨二维半导体层边缘进行接触，通过调整钨钢探针的高度来调整摩擦力，探针与二硒化钨二维半导体层接触后调整钨钢探针的位置使该部分材料被钨钢探针擦除，即对二硒化钨二维半导体层进行图案化处理，留下t形二硒化钨二维半导体层，形成非对称沟道。
55.s3：将两个50nm厚的au电极转移到聚二甲基硅氧烷(pdms)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50nm厚的au电极和t形二硒化钨二维半导体层进行缓慢贴合，辅助加热之后缓慢抬起载玻片，即可将50nm厚的au电极转移至t形二硒化钨二维半导体层的指定位置，两个50nm厚的au电极分别搭在t形的宽端和窄端，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，得到预处理器件。
56.s4：将上述预处理器件放入退火炉中退火，气氛为氩气/氢气混合气气氛中，在120℃下退火处理0.5h，使得材料与电极紧密接触，得到一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器。
57.实施例3
58.一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：
59.s1：采用化学气相沉积法在p型掺杂硅/二氧化硅衬底介电层上生长二硒化钨二维半导体层，生长时间为13min，所获得的二硒化钨二维半导体层，单层厚度为1.0nm；其中二氧化硅衬底的厚度为300nm。化学气相沉积的步骤为：采用三氧化钨和硒粉作为化学气相沉积法生长的前驱体，氩气和氢气作为载气，生长过程中三氧化钨放置在管式炉的中心部位，温度为800℃，硒粉置于管式炉进气口处，利用管式炉的余温加热，温度在300℃；其中，氩气和氢气的比例为5：3。
60.s2：将生长得到的二硒化钨二维半导体层通过尖端为3μm级的钨钢探针进行刻画，首先将二硒化钨二维半导体层放置在转移平台，然后使钨钢探针与二硒化钨二维半导体层边缘进行接触，通过调整钨钢探针的高度来调整摩擦力，探针与二硒化钨二维半导体层接触后调整钨钢探针的位置使该部分材料被钨钢探针擦除，即对二硒化钨二维半导体层进行图案化处理，留下t形二硒化钨二维半导体层，形成非对称沟道。
61.s3：将两个50nm厚的au电极转移到聚二甲基硅氧烷(pdms)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50nm厚的au电极和t形二硒化钨二维半导体层进行缓慢贴合，辅助加热之后缓慢抬起载玻片，即可将50nm厚的au电极转移至t形二硒化钨二维半导体层的指定位置，两个50nm厚的au电极分别搭在t形的宽端和窄端，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，得到预处理器件。
62.s4：将上述预处理器件放入退火炉中退火，在真空气氛中，在200℃下退火处理2h，使得材料与电极紧密接触，得到一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器。
63.实施例4
64.一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：
65.s1：采用化学气相沉积法在p型掺杂硅/二氧化硅衬底介电层上生长二硒化钨二维半导体层，生长时间为15min，所获得的二硒化钨二维半导体层，单层厚度为0.9nm；其中二氧化硅衬底的厚度为290nm。化学气相沉积的步骤为：采用三氧化钨和硒粉作为化学气相沉积法生长的前驱体，氩气和氢气作为载气，生长过程中三氧化钨放置在管式炉的中心部位，温度为790℃，硒粉置于管式炉进气口处，利用管式炉的余温加热，温度在310℃；其中，氩气和氢气的比例为4：3。
66.s2：将生长得到的二硒化钨二维半导体层通过尖端为1μm级的钨钢探针进行刻画，首先将二硒化钨二维半导体层放置在转移平台，然后使钨钢探针与二硒化钨二维半导体层边缘进行接触，通过调整钨钢探针的高度来调整摩擦力，探针与二硒化钨二维半导体层接触后调整钨钢探针的位置使该部分材料被钨钢探针擦除，即对二硒化钨二维半导体层进行图案化处理，留下t形二硒化钨二维半导体层，形成非对称沟道。
67.s3：将两个50nm厚的au电极转移到聚二甲基硅氧烷(pdms)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50nm厚的au电极和t形二硒化钨二维半导体层进行缓慢贴合，辅助加热之后缓慢抬起载玻片，即可将50nm厚的au电极转移至t形二硒化钨二维半导体层的指定位置，两个50nm厚的au电极分别搭在t形的宽端和窄端，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，得到预处理器件。
68.s4：将上述预处理器件放入退火炉中退火，在真空气氛中，在180℃下退火处理1.5h，使得材料与电极紧密接触，得到一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器。
69.实施例5
70.与实施例1不同的是，步骤1中，采用三氧化钨和硒粉作为化学气相沉积法生长的前驱体，氩气和氢气作为载气，生长过程中三氧化钨放置在管式炉的中心部位，温度为760℃，硒粉置于管式炉进气口处，利用管式炉的余温加热，温度在295℃；其中，氩气和氢气的比例为6：1；其余步骤和参数均于实施例 1相同，得到一种基于二硒化钨的自驱动光电探测器。
71.由图4可知，本发明实施例1制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器在7毫瓦的532nm光照下，对应于最小电流的电压并不为零，表现出明显的自驱动特性。由图5可知，当源漏电压为0伏，栅极电压为60伏时，本发明制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器的响应度最高可达1.2安/瓦，说明此光电探测器具有良好的光电转换能力；由图6可知，当源漏电压为0伏，栅极电压为60伏时，本发明制备得到的基于二硒化钨的自驱动光电探测器的探测度最高可达1.13
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琼斯，说明其具对光有较高的探测能力。
72.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。