梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法

本发明涉及光电探测器，尤其涉及梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、目前，在传统半导体行业，应变工程已经得到了比较广泛的应用，如已经成熟使用的应变硅技术，使得在较低成本的前提下获得成倍增长的载流子迁移率。但是相对局限的是，由于块体单晶材料自身结构的限制，使其仅能承受不超过1.5％的应变，而二维材料由于其优异的机械力学强度，为应变工程的发展提供了更加广阔的空间。

2、应变工程可以有效地调节二维材料的能带结构，实现对其载流子行为的有效控制。目前，在实验中已经证明了二维材料的弹性应变场引起的能带弯曲可以实现激子的集中，这已经应用于单光子发射

3、现有技术中公开了一种二维过渡金属硫族化合物纳米片褶皱应变的调控方法。其利用聚甲基丙烯酸甲酯固定住过渡金属硫族化合物，然后通过腐蚀液腐蚀载体基底产生小气泡从而诱导材料产生褶皱应变，但是这种方法产生的应变强度只能通过控制腐蚀速率来调控，且控制褶皱应变的产生位置，无法在同一材料上完成梯度应变的设置。现有技术中还公开了一种基于应变调控的ge光电探测器及其制作方法。其使用了应变介质层对ge pin结构产生张应变并进行调控，研究围绕了传统的ge半导体材料。但是需要考虑晶格错配等问题，且可承受的应变量较小。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法，通过精确控制一维半导体纳米柱阵列高度来定量控制二维层状材料产生的双轴应变强度，从而提供一种工艺稳定、操作流程简单以及应变强度可控的光电探测器。

2、一方面，为实现上述目的，本发明提供了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，包括：

3、源电极、半导体基底、二维层状材料、一维半导体纳米柱阵列、石墨烯层、绝缘层和漏电极；

4、所述源电极设置在所述半导体基底上表面的一侧，所述一维半导体纳米柱阵列设置于所述半导体基底上表面图案化区域，所述绝缘层设置在所述半导体基底上表面远离所述源电极的另一侧以及所述一维半导体纳米柱阵列的间隙位置，所述二维层状材料置于所述一维半导体纳米柱阵列和所述绝缘层上，所述石墨烯层置于所述二维层状材料上，所述漏电极设置在所述石墨烯层上方。

5、优选地，所述一维半导体纳米柱阵列为外延生长的一维氧化锌纳米柱阵列，且所述一维半导体纳米柱阵列中纳米柱的高度不同，设置的高度范围为50nm-2um。

6、优选地，所述半导体基底为氧化锌单晶衬底，所述二维层状材料包括二维硒化钨、二维碲化钼或二维硫化钨，厚度为0.6nm-10nm。

7、优选地，所述石墨烯层为机械剥离的石墨烯层状材料，厚度为0.6nm-10nm；所述绝缘层厚度设置为20nm-1um；所述绝缘层采用氧化铪、氧化锆、氧化铝或氧化硅。

8、优选地，所述源电极和所述漏电极为利用热蒸镀沉积获取的铬/金金属电极，所述源电极和所述漏电极的厚度为5nm-100nm。

9、另一方面，本发明还提供了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器的制备方法，包括：

10、设置不同高度的一维半导体纳米柱阵列；

11、通过精确转移方法将二维层状材料和石墨烯层先后转移至所述一维半导体纳米柱阵列顶部，诱导所述二维层状材料产生纳米压印力；

12、基于电子束曝光方法对源电极和漏电极形状进行图案化，并采用热蒸镀或电子束蒸镀方法沉积所述源电极和所述漏电极。

13、优选地，设置所述不同高度的一维半导体纳米柱阵列，包括：

14、在半导体基底表面旋涂紫外曝光负胶，使用设计的掩模板进行一次光刻；

15、通过原子层沉积方法在图案化区域沉积绝缘层；

16、溶解掉曝光区域的所述紫外曝光负胶，留下具有预设周期性孔洞结构的绝缘层；

17、在所述周期性孔洞结构分布的绝缘层上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用电子束曝光技术分批次曝光出部分孔洞，用以生长不同高度的一维氧化锌纳米柱阵列；

18、外延生长一维半导体纳米柱阵列；

19、重复电子束曝光和外延生长的过程，通过控制生长时间的不同来控制半导体纳米柱的高度。

20、优选地，通过所述精确转移方法将二维层状材料和石墨烯层先后转移至所述一维半导体纳米柱阵列顶部，包括：

21、以表面覆盖有二氧化硅的硅片作为牺牲基底，将二维层状材料剥离至牺牲基底上后，在所述牺牲基底表面旋涂一层ppc薄膜，在所述牺牲基底一侧缓慢注入去离子水，将所述牺牲基底上的二维层状材料随所述ppc薄膜被转移下来；

22、使用精确转移平台，将带有二维层状材料的ppc薄膜与所述一维半导体纳米柱阵列贴合，将所述二维层状材料精确覆盖在阵列顶部；

23、使用加热温度在100-120℃的热板，对转移层状材料的阵列进行热烘，通过水的缓慢蒸发诱导二维层状材料产生双轴应变；

24、将转移层状材料的阵列使用温度为50-70℃的丙酮溶液浸泡15min,溶解ppc，然后使用临界点干燥仪，通过液态二氧化碳置换结构中的丙酮，完成丙酮的干燥。

25、优选地，沉积所述源电极和所述漏电极，包括：

26、通过热蒸镀或电子束蒸镀方法，在图案化的区域沉积厚度50nm-100nm的铬/金电极，完成所述源电极和所述漏电极的设置。

27、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

28、(1)本发明通过精确控制一维半导体纳米柱阵列的高度，对二维层状材料成功施加了易于量化的双轴应变，可施加的应变量更加可控且范围较广，可有调控二维材料的电学与光电性能；

29、(2)本发明通过多部光刻、电子束曝光以及外延生长等实验操作，在同一区域实现了二维层状材料的梯度应变施加，可原位测试不同应变量对二维层状材料电学与光电性能的影响，对二维材料的应变工程研究具有深远意义；

30、(3)本发明的设计方法具有一定的普适性，不仅局限于使用的几种材料，凡是可以构筑出类似结构的材料均可由此方法进行研究，拓宽了材料应变工程的研究范围。

技术特征：

1.梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，所述一维半导体纳米柱阵列为外延生长的一维氧化锌纳米柱阵列，且所述一维半导体纳米柱阵列中纳米柱的高度不同，设置的高度范围为50nm-2um。

3.根据权利要求1所述的梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，所述半导体基底为氧化锌单晶衬底，所述二维层状材料包括二维硒化钨、二维碲化钼或二维硫化钨，厚度为0.6nm-10nm。

4.根据权利要求1所述的梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，所述石墨烯层为机械剥离的石墨烯层状材料，厚度为0.6nm-10nm；所述绝缘层厚度设置为20nm-1um；所述绝缘层采用氧化铪、氧化锆、氧化铝或氧化硅。

5.根据权利要求1所述的梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器，其特征在于，所述源电极和所述漏电极为利用热蒸镀沉积获取的铬/金金属电极，所述源电极和所述漏电极的厚度为5nm-100nm。

6.梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，设置所述不同高度的一维半导体纳米柱阵列，包括：

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，通过所述精确转移方法将二维层状材料和石墨烯层先后转移至所述一维半导体纳米柱阵列顶部，包括：

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，沉积所述源电极和所述漏电极，包括：

技术总结
本发明公开了梯度应变调控的范德华异质结型光电探测器及其制备方法，包括：源电极、半导体基底、二维层状材料、一维半导体纳米柱阵列、石墨烯层、绝缘层和漏电极；源电极设置在所述半导体基底上表面的一侧，一维半导体纳米柱阵列设置于半导体基底上表面图案化区域，绝缘层设置在半导体基底上表面远离源电极的另一侧以及一维半导体纳米柱阵列的间隙位置，二维层状材料置于一维半导体纳米柱阵列和绝缘层上，石墨烯层置于二维层状材料上，漏电极设置在所述石墨烯层上方。本发明具有一定的普适性，不仅局限于使用的几种材料，凡是可以构筑出类似结构的材料均可由此方法进行研究，拓宽了材料应变工程的研究范围。

技术研发人员：张跃,曾浩然,张铮,柳柏杉,于慧慧,张先坤,卫孝福,高丽
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15