一种光电晶体管及其制备方法和应用

本发明涉及低维多功能光电探测器领域，尤其涉及一种光电晶体管及其制备方法和应用。

背景技术：

1、二维材料是一类表面无悬挂键的原子级别的薄层材料，因此能够构造不同能带排列的异质结而不用担心晶格失配的问题。根据构成异质结的两种材料能带排列的关系，又可以分为i型(跨立)、ii型(交错)、iii型(破缺)三种类型。其中，i型异质结主要作为发光应用，较大的单边耗尽区有利于光生载流子的充分复合，ii型异质结具备的内建电场则能够有效分离光生载流子，但是无法很好地权衡光响应率和响应速度之间的竞争关系，而iii型异质结的破缺带隙具有抑制器件暗电流的优势，并且独特的隧穿机制往往会带来很多新奇的物理现象。

2、ges是一类典型的第四主族单硫族化合物，属于正交晶系，空间群为pˉnma，属于p型半导体材料，带隙约为1.6ev。snse2是简并半导体，由于其在真空能级中的位置，常常能和一些半导体材料构成iii型范德华异质结，例如wse2/snse2，mote2/snse2，同时由于其n型重掺杂的特性，往往可以用以制备隧道晶体管并实现其特有的性能。由于ges具有褶皱型的单层结构，使用机械剥离单晶后直接转移到衬底上的工艺时，得到大面积的薄层材料的几率较低，因此需要对其进行一定改良和实验条件的控制研究；此外，snse2作为简并半导体能够较为容易地实现欧姆接触，但是栅极电压对snse2制作的fet器件的电流调控效果并不显著。

3、本发明基于二维半导体ges和简并半导体snse2的特点，构建ges/snse2垂直范德华异质结，形成界面平整洁净、缺陷态少的iii型异质结构光电晶体管。

技术实现思路

1、本发明的首要目的是提供一种光电晶体管及其制备方法和应用，该光电晶体管通过半导体ges纳米片与简并半导体snse2纳米片部分重叠形成垂直范德华异质结，生成界面平整洁净、缺陷态少的iii型ges/snse2范德华异质结的光电晶体管，实现自驱动和偏振探测性能。

2、本发明一方面提供一种光电晶体管的制备方法，包括以下步骤：

3、将通过机械剥离法获得的简并半导体snse2胶带按压在sio2/si衬底上，获得简并半导体snse2纳米片；

4、将机械剥离所得的ges单晶胶带按压在聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜上，剥离后获得粘附有ges纳米片的pdms薄膜，随后将粘附有ges纳米片的pdms薄膜放置在sio2/si衬底上按压，剥离pdms薄膜后，在sio2/si衬底上获得半导体ges纳米片，接着去除纳米片表面残留的pdms；

5、在sio2/si衬底上沉积第一金属电极和第二金属电极；

6、采用干法转移工艺分别将所述半导体ges纳米片和所述简并半导体snse2纳米片转移至sio2/si衬底上，使得所述半导体ges纳米片和所述简并半导体snse2纳米片部分重叠形成垂直范德华异质结，同时，使得所述半导体ges纳米片远离所述异质结的一侧与所述第一金属电极接触，使得所述简并半导体snse2纳米片远离所述异质结的一侧与所述第二金属电极接触；或者，采用干法转移工艺分别将所述半导体ges纳米片和所述简并半导体snse2纳米片转移至sio2/si衬底上，使得所述半导体ges纳米片和所述简并半导体snse2纳米片部分重叠形成垂直范德华异质结，采用干法转移工艺将所述第一金属电极转移至所述半导体ges纳米片上远离所述异质结的一侧，将所述第二金属电极转移至所述简并半导体snse2纳米片上远离所述异质结的一侧；

7、将带有所述金属电极的垂直范德华异质结在保护气体中进行退火处理。

8、进一步地，所述退火处理的步骤中，所述保护气体选用氮气或氩气，退火时间为0.3～2h，退火处理的温度为150℃～200℃。

9、进一步地，所述去除纳米片表面残留的pdms的步骤中，将所述sio2/si衬底浸泡于丙酮中去除所述半导体ges纳米片表面的pdms残胶，浸泡时间为12～17h。

10、本发明另一方面提供一种光电晶体管，包括，半导体ges纳米片、简并半导体snse2纳米片以及第一金属电极和第二金属电极；

11、所述半导体ges纳米片的一部分与所述简并半导体snse2纳米片的一部分层叠设置，所述半导体ges纳米片与所述简并半导体snse2纳米片的重叠部分形成垂直范德华异质结；

12、所述半导体ges纳米片远离所述异质结的一侧与所述第一金属电极接触，所述简并半导体snse2纳米片远离所述异质结的一侧与所述第二金属电极接触。

13、进一步地，所述半导体ges纳米片的厚度为3～100nm；所述简并半导体snse2纳米片的厚度为10～100nm。

14、进一步地，还包括sio2/si衬底，所述第一金属电极和所述第二金属电极设置于sio2/si衬底的表面。

15、进一步地，所述衬底与所述第一金属电极和所述第二金属电极之间设置有金属黏着层，所述金属黏着层选用cr或ti，其厚度为3～10nm。

16、进一步地，所述第一金属电极和所述第二金属电极选用金属au层，au层的厚度为20～100nm。

17、进一步地，所述si衬底作为背栅极。

18、本发明另一方面还提供了上述光电晶体管在逻辑器件、光电导-光伏光电子集成器件和偏振光成像系统中的应用。

19、与现有技术相比较，本发明至少具有如下有益效果：

20、本发明的光电晶体管通过半导体ges纳米片与简并半导体snse2纳米片部分重叠形成垂直iii型范德华异质结，其能带排列的方式有效抑制了器件的暗电流，在可见光照射和正负偏压下，器件在异质结重叠区域产生大量光生载流子，并在内建电场下得到快速分离，具有良好的光电响应性能，实现了光电导模式和强的偏振光探测能力，实现了自驱动模式下光强依赖的电流极性切换；相比较单材料ges偏振光探测器，本发明的光电晶体管呈现出了更强的偏振探测能力，实现了偏振比达到9的自驱动偏振探测。

21、另一方面，本发明先通过将机械剥离获得的ges单晶胶带按压在pdms薄膜上，获得粘附有ges纳米片的pdms薄膜，随后将pdms薄膜粘贴至sio2/si衬底上，在衬底上获得大面积的、高质量的ges纳米片，随后结合pva/pdms干法转移工艺，将半导体ges纳米片与简并半导体snse2纳米片部分重叠形成垂直范德华异质结，该制备方法简单易操作，可控性好。

技术特征：

1.一种光电晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1的所述制备方法，其特征在于，所述退火处理的步骤中，所述保护气体选用氮气或氩气，退火时间为0.3～2h，退火处理的温度为150℃～200℃。

3.根据权利要求1或2的所述制备方法，其特征在于，所述去除纳米片表面残留的pdms的步骤中，将所述sio2/si衬底浸泡于丙酮中去除所述半导体ges纳米片表面的pdms残胶，浸泡时间为12～17h。

4.一种光电晶体管，其特征在于，包括，半导体ges纳米片、简并半导体snse2纳米片以及第一金属电极和第二金属电极；

5.根据权利要求1的所述制备方法或权利要求4的所述光电晶体管，其特征在于，所述半导体ges纳米片的厚度为3～100nm；所述简并半导体snse2纳米片的厚度为10～100nm。

6.根据权利要求4的所述光电晶体管，其特征在于，还包括sio2/si衬底，所述第一金属电极和所述第二金属电极设置于sio2/si衬底的表面。

7.根据权利要求1的所述制备方法或权利要求4的所述光电晶体管，其特征在于，所述衬底与所述第一金属电极和所述第二金属电极之间设置有金属黏着层，所述金属黏着层选用cr或ti，其厚度为3～10nm。

8.根据权利要求1的所述制备方法或权利要求4的所述光电晶体管，其特征在于，所述第一金属电极和所述第二金属电极选用金属au层，au层的厚度为20～100nm。

9.根据权利要求1的所述制备方法或权利要求4的所述光电晶体管，其特征在于，所述si衬底作为背栅极。

10.权利要求4至9任一项的所述光电晶体管在逻辑器件、光电导-光伏光电子集成器件和偏振光成像系统中的应用。

技术总结
本发明涉及一种光电晶体管及其制备方法和应用，该光电晶体管包括，半导体GeS纳米片、简并半导体SnSe<subgt;2</subgt;纳米片以及第一金属电极和第二金属电极；半导体GeS纳米片的一部分与简并半导体SnSe<subgt;2</subgt;纳米片的一部分层叠设置，半导体GeS纳米片与简并半导体SnSe<subgt;2</subgt;纳米片的重叠部分形成垂直范德华异质结；半导体GeS纳米片远离异质结的一侧与第一金属电极接触，简并半导体SnSe<subgt;2</subgt;纳米片远离异质结的一侧与第二金属电极接触。本发明的异质结属于III型范德华pn结，该光电晶体管能够实现自驱动模式下光强依赖的电流极性切换，实现了自驱动和偏振光探测能力，实现了偏振比达到9的自驱动偏振探测。

技术研发人员：高伟,陈晟迪,李京波
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：2024/1/15