一种基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管及其制备方法和应用

本发明属于电子器件，更具体地，涉及一种基于硫化镉/二硒化钨(cds/wse2)异质结的光电晶体管及其制备方法和应用。

背景技术：

1、二维材料层状结构，如过渡金属硫族化合物(tmds)，由于其独特的电子和光电特性而受到了极大的关注。此外，由于二维材料间的堆积无需考虑晶格失配的问题，以此实现二维材料范德华(vdw)异质结构的设计与制备，进一步得到新的多功能器件。异质结构由于其能带排列的多样性，将产生具有多种物理特性的界面，这有助于开发新的器件结构，从而实现独特的功能，其中包括隧穿晶体管、柔性电子器件和光电器件。由于二维材料无表面悬挂键，从而可以使vdw与不同维度的材料相互作用，形成混合维度的vdw异质结构。混合维vdw异质结构允许材料的各种选择自由度，并可能提供一种有效的方法来补偿二维晶体的内在弱点，以充分发挥其潜力。异质结构可以整合两种不同材料的各自优势，从而提高设备性能，甚至带来多样性和新颖性。

2、传统半导体通常通过化学掺杂离子来调控其电荷类型，然而这一制备过程较为复杂，不易控制，比较单一。对于二维层状半导体，由于其超薄的特性及部分二维材料的双极性特性，栅压可以有效地调节材料内部的载流子浓度以及电荷的类型。这种静电物理掺杂更容易调控与实现，并且在同一材料中可以实现不同极性的光电性能。另外，栅压还可以一定程度上调控半导体材料能带的弯曲方向和弯曲程度，进而影响其电学和光电性能。混合维度异质结构具有材料选择的自由和协同效应等优点，将为纳米器件的发展带来更多的机遇，但目前仍面临着能带匹配带来的载流子调控难等问题。为了解决以上混维异质结面临的性能栅压难以有效调控的问题，迫切需要探索一种新颖的栅压调控混维异质结光电晶体管。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种基于cds/wse2异质结的光电晶体管。该光电晶体管采用一维cds纳米片与二维wse2纳米片构建的cds/wse2异质结，基于cds/wse2异质结的高性能栅压可调的可见光范围光电探测器。解决载流子浓度控制难，低响应度及低探测率等问题，实现栅压可调的高灵敏光电探测。

2、本发明的另一目的在于提供上述基于cds/wse2异质结的光电晶体管的制备方法。

3、本发明的再一目的在于提供上述基于cds/wse2异质结的光电晶体管的应用。

4、本发明的目的通过下述技术方案来实现：

5、一种基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管，所述光电晶体管是基于cds/wse2异质结的光电晶体管，其结构为源电极/cds/wse2异质结/漏电极和栅电极，所述cds/wse2异质结是通过聚乙烯醇(pva)干法转移法制备，然后在cds/wse2异质结结区外的cds纳米片和wse2纳米片边缘制作源电极和漏电极；所述栅电极为硅片衬底。

6、优选地，所述cds/wse2异质结中cds纳米片的厚度为80～100nm；wse2纳米片的厚度为15～30nm。

7、优选地，所述源电极和漏电极均为ti和au，所述ti和au的厚度分别为8～12nm和45～50nm。

8、所述的基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管的制备方法，包括如下具体步骤：

9、s1.采用机械剥离法剥离wse2晶体，在硅片衬底上得到多层wse2纳米片；

10、s2.将wse2纳米片采用聚乙烯醇pva干法转移到干净的si/sio2衬底上；

11、s3.将cvd生长得到的cds纳米片直接分散在无水乙醇中，随后滴在厚度为300nm干净的si/sio2衬底上，在热台上45～55℃烘干2～5min；

12、s4.采用pva干法转移将cds纳米片转移到步骤s2的wse2纳米片上方，在80～100℃加热使cds纳米片与wse2纳米片充分接触，得到cds/wse2异质结；

13、s5.在cds/wse2异质结区域外的cds纳米片和wse2纳米片边缘分别制作ti/au电极，将sio2/si衬底表面的sio2层刮掉，露出si衬底，作为栅电极，制得基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管。

14、优选地，步骤s4中所述cds/wse2异质结的面积为50～65μm2。

15、优选地，步骤s4中所述加热的时间为15～20min。

16、所述的基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管在栅压调控光电探测器领域中的应用。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、1.本发明基于cds/wse2异质结的光电晶体管采用具有双极性特性的wse2纳米片二维材料，通过栅压有效的调节了其内部的载流子浓度和电荷极性，从而改变了材料的极性，wse2与cds纳米片构成异质结，使cds和wse2能带弯曲和势垒高度差发生变化，从而有效地调节了异质结的电学及光电性能，即从原来的正向光电流变化为反向的光电流。

19、2.本发明利用cds与wse2之间的势能差，在异质结结区产生了有效的内建电场，有效的将光生载流子进行分离。另外通过栅压的调控，改变内建电场的大小及方向。该光电晶体管在405nm光照射，栅压为40v，偏压为3v情况下，光响应度最大值约为8.1a/w、比探测率最大值约为4.8×1012jones，外量子效率最大值约为1850％，表现出优越的光电探测性能，具有广泛的实际应用前景。

20、3.本发明cds/wse2异质结的光电晶体管实现了有效的载流子栅压调控。采用pl及瞬态荧光的测试手段证明了其type-ⅱ能带排列，并说明两种材料在其异质结区域产生了很强的光生载流子的转移。并且在一定的栅压条件下，在405nm光照下表现出优异的光响应度、较高的比探测率和快速的响应速度，这为栅压有效地调控二维材料异质结构提供了很好的参考。

21、4.本发明的工艺简单易操作，能够解决载流子浓度调控的问题，为光电器件的进一步应用提供了可能。

技术特征：

1.一种基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管，其特征在于，所述光电晶体管是基于cds/wse2异质结的光电晶体管，其结构为源电极/cds/wse2异质结/漏电极和栅电极，所述cds/wse2异质结是通过聚乙烯醇干法转移法制备，然后在cds/wse2异质结结区外的cds纳米片和wse2纳米片边缘制作源电极和漏电极；所述栅电极为硅片衬底。

2.根据权利要求1所述的基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管，其特征在于，所述cds/wse2异质结中cds纳米片的厚度为80～100nm；wse2纳米片的厚度为15～30nm。

3.根据权利要求1所述的基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管，其特征在于，所述源电极和漏电极均为ti和au，所述ti和au的厚度分别为8～12nm和45～50nm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

5.根据权利要求4所述的基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管的制备方法，其特征在于，步骤s4中所述cds/wse2异质结的面积为50～65μm2。

6.根据权利要求4所述的基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管的制备方法，其特征在于，步骤s4中所述加热的时间为15～20min。

7.权利要求1-3任一项所述的基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管在栅压调控光电探测器领域中的应用。

技术总结
本发明属于光电晶体管技术领域，公开了一种基于硫化镉/二硒化钨异质结的光电晶体管及其制备方法和应用。该光电晶体管是基于CdS/WSe<subgt;2</subgt;异质结的光电晶体管，其结构为源电极/CdS/WSe<subgt;2</subgt;异质结/漏电极和栅电极，该CdS/WSe<subgt;2</subgt;异质结是通过聚乙烯醇法转移法制备，使CdS纳米片与WSe<subgt;2</subgt;纳米片充分接触，然后在CdS/WSe<subgt;2</subgt;异质结结区外的CdS纳米片和WSe<subgt;2</subgt;纳米片边缘制作源电极和漏电极；栅电极为硅片衬底。该光电晶体管实现了有效的载流子栅压调控。在‑40～40V栅压条件下，在可见波段405nm光照下表现出优异的光响应度、较高的比探测率和快速的响应速度，为栅压有效地调控二维材料异质结构提供了参考。

技术研发人员：张黎,黄允,韩晓宁,张玉碧
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13