一种基于MoO3-x/Bi2O2Se异质集成的近红外光电传感器的制备方法与流程

本发明涉及一种基于氧化钼/硒氧化铋异质集成的快速高灵敏近红外光电传感器的制备方法，属于光电传感器领域。

背景技术：

1、在近红外(nir)波长中，原始波段(o波段，1260nm～1360nm)和常规波段(c波段，1530nm～1565nm)由于其在光纤中的低能量耗散，对光通信至关重要[见参考文献1-4]。在先进的通信系统中，对这些波段工作的快速高灵敏光电探测器有着迫切需求。通常情况下，为了有效地进行信号提取，光接收机中的光电探测器的响应时间需要快于微秒。但是，由于没有光增益，当前结型结构器件的响应率较低(小于1a/w)[见参考文献5]。光电导器件在实现高响应方面具有优势。然而，它们的响应时间通常低于毫秒。如何在同一个器件中兼顾高灵敏度和快速响应非常必要。

2、二维层状bi2o2se具有较高的迁移率、优异的环境稳定性以及适合近红外探测的带隙而备受关注。其突出的光电特性使bi2o2se在通信波段的光探测中具有优势。然而，由于bi2o2se近红外探测器在近红外波长处的光吸收效率较低，在红外区域的灵敏度往往较低[见参考文献6]。

3、参考文献：

4、[1]m.bock,p.eich,s.kucera,m.kreis,a.lenhard,c.becher and j.eschner,“high-fidelity entanglement between a trapped ion and a telecom photon viaquantum frequency conversion,”nat.commun.vol.9,may.2018,art.no.1998.

5、[2]b.zhu,t.f.taunay,m.f.yan,j.m.fini,m.fishteyn,e.m.monberg andf.v.dimarcello.“seven-core multicore fiber transmissions for passive opticalnetwork,”opt.express.vol.18,no.11,pp.11117-11122,may 2010.

6、[3]q.wang,y.wen,k.cai,r.cheng,l.yin,y.zhang,j.li,z.wang,f.wang,f.wang,t.a.shifa,c.jiang,h.yang and j.he,“nonvolatile infrared memory inmos2/pbs van der waals heterostructures,”sci.adv.,vol.4,no.4,apr 2018,art.no.eaap7916.

7、[4]z.ren,p.wang,k.zhang,w.ran,j.yang,y.-y.liu,z.lou,g.shen,and z.wei.“short-wave near-infrared polarization sensitive photodetector based on gasbnanowire”ieee electron.device lett.vol.42,no.4,pp.549-552,apr 2021.

8、[5]s.ke,y.ye,j.wu,d.liang,b.cheng,z.li,y.ruan,x.zhang,w.huang,j.wang,j.xu,c.li and s.chen,“low-temperature fabrication of wafer-bonded ge/si p-i-nphotodiodes by layer exfoliation and nanosecond-pulse laser annealing,”ieeetrans.electron.devices vol.66,no.3,pp.1353-1360,mar 2019.

9、[6]y.zhang,q.gao,x.han and y.peng,“mechanical flexibility and strainengineered-band structures of monolayer bi2o2se,”physica e lowdimens.syst.nanostruct.vol.116,feb 2020,art.no.113728.

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明在于提供一种基于moo3-x/bi2o2se(其中x的范围介于0和1之间)异质集成的近红外光电传感器的制备方法，该器件兼具快速和高灵敏度近红外响应，以及良好的器件稳定性的有益效果。

2、为了解决现有器件的性能问题，本发明的发明人首次提出将bi2o2se与表面等离激元结构相集成。这样能够有效地将光束缚于微尺度表面，从而改善二维材料的光-物质相互作用。本发明利用重掺杂半导体材料moo3-x具有独特的红外局域表面等离激元共振的特征，将其运用于红外光电转换[moo3-x具体如文献[7]所记载，s.d.lounis,e.l.runnerstrom,a.llordes and d.j.milliron,“defect chemistry and plasmon physics of colloidalmetal oxide nanocrystals,”j.phys.chem.lett.vol.5,no.9,pp.1564-1574,may2014.]。与传统的光伏和光电导器件具有本质上的不同，该复合器件是基于热电子转移的光电机制运作，moo3-x中的等离激元热电子转移到bi2o2se沟道，避免了带间缺陷态束缚以及净余动能耗散的问题，能够有效兼顾快速响应和高灵敏光电转换，为高性能近红外探测提供了一种重要策略。

3、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

4、一种基于moo3-x/bi2o2se异质集成的近红外光电传感器的制备方法，包括如下步骤；

5、1)采用化学气相沉积法合成层状bi2o2se纳米片，所用基板为云母片；

6、2)将bi2o2se片从云母基板转移到sio2/si晶圆上，以用于后续在标准半导体工艺的晶圆上制备光电传感器；

7、3)在sio2/si晶圆上旋涂光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯，即pmma，采用电子束光刻，在pmma上刻蚀并显影得到电极图案；

8、4)采用热蒸发沉积5nm ni/50nm au电极；电极沉积后利用丙酮溶液浸泡器件以去除pmma；从而得到在sio2/si晶圆上的bi2o2se光电探测器；

9、5)将样品再次旋转涂覆pmma，然后用电子束光刻刻蚀出图案化阵列状纳米孔；

10、6)利用热蒸发在上述带有阵列图案的器件上沉积moo3-x；moo3-x沉积后利用丙酮溶液浸泡器件以去除pmma；从而得到在sio2/si晶圆上的bi2o2se/moo3-x光电探测器；

11、其中，moo3-x中的3-x表示氧化钼中的氧原子含量，且0＜x＜1。

12、进一步地，

13、所述步骤1)中，bi2o2se的制备过程具体如下：将纯度为99.999％的bi2o3和纯度为99.999％的bi2se3粉末作为前驱体放置在陶瓷舟中，bi2o3位于管式加热炉的中间，bi2se3位于炉的上游；将管炉密封，用机械泵抽至低真空，用100-150sccm流速的高纯氩气体冲洗；生长时间为5～30min，在550℃～750℃的温度范围内，合成厚度可控的bi2o2se，其中bi2o3与bi2se3的用量比为2：1。

14、所述步骤2)中，将bi2o2se片从云母基板转移到sio2/si晶圆上的具体过程如下：

15、a)将pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)在生长样品的云母上旋涂60秒，转速3000转；然后在180℃下退火90秒，刮去云母边缘的pmma；

16、b)用hf溶液腐蚀掉下面的云母，而后将悬浮的pmma膜转移到去离子水中，用sio2/si衬底舀起，将其浸泡于丙酮中24小时以去除pmma，从而将bi2o2se片从云母基板转移到sio2/si晶圆上。

17、所述步骤3)中，电子束光刻，具体为fei,fp2021/12inspect f50。

18、所述步骤4)中，热蒸发，具体为tpre-z20-iv。

19、所述步骤4)中，蒸镀所用速率为真空腔气压在10-5pa量级。

20、所述步骤6)中，蒸镀所用速率为真空腔气压在10-5pa量级。

21、需要强调的是，本发明制备的器件在工作原理上显著区别于传统的光伏、光电导和热电器件[参考文献f.h.l.koppens,t.mueller,ph.avouris,a.c.ferrari,m.s.vitiello and m.polini,photodetectors based on graphene,other two-dimensional materials and hybrid systems，nature nanotechnology,6，2014,780-793]，该器件是基于热电子转移的方式运作。利用的是与具有等离激元共振的掺杂半导体材料moo3-x。在器件运作过程中，moo3-x中光激发下产生具有表面等离激元共振效应。其能量会通过非辐射弛豫传递给电子，激发出大量热电子。热电子跨越界面势垒发生转移，从而参与光电转换。基于热电子转移能够避免缺陷态束缚和复合过程的发生，从而避免响应速度的延迟以及能量损失，同时实现快速高灵敏探测。而常规器件是基于带边电荷转移运作的，容易受到缺陷态和载流子复合影响。

22、本发明具有以下有益效果：

23、1)本发明的基于moo3-x/bi2o2se异质集成近红外光电传感器的制备方法，根据该方法制备的器件基于热电子转移机制运作，能够同时实现快速和高灵敏近红外探测，能够解决当前商用光伏器件灵敏度低下的问题，以及光电导器件响应速度慢的问题。这个是本专利的创新之处，是从器件运作原理方面的创新。该器件是基于热电子转移的方式运作。利用的是moo3-x中光激发下的等离激元共振效应。能量弛豫传递给电子，激发出大量热电子。热电子跨越界面势垒发生转移，从而参与光电转换。

24、2)本发明制备出的基于moo3-x/bi2o2se异质集成的近红外光电传感器在1310和1550nm两个重要的光纤通讯波段兼具快速响应和高灵敏特性，器件光电流稳定性长达半年。在通讯系统中具有重要的应用价值。