周期性铁电极化诱导的WSe2类超晶格光电探测器及其制备方法与流程

本发明属于光电探测器领域，具体涉及一种周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、范德华超晶格为二维层状材料之间通过范德华力相互结合，并与其他材料进行周期性复合，从而形成没有位错影响的超晶格。范德华超晶格具有清晰明确的重大应用前景，以及诸多需要探求的基础物理现象，但是高质量、结构可调、功能化的范德华超晶格的制备仍然是目前技术的瓶颈。

2、近十年来，大部分范德华超晶格都是通过逐层转移借助不同二维材料本身的周期性堆叠得到的，但该方法效率低下并且具有引入污染物的风险，且较难实现单层的周期性生长。制备范德华超晶格的方法还能够通过化学气相沉积的方法，借助不同二维材料本身的周期性堆叠制备得到。

3、通过化学气相沉积(cvd)方法来直接合成二维范德华异质结(2dvdwh)，通常也仅限于只有两个不同嵌段的异质结结构。要使用vdwhs外延生长方法生产范德华超晶格(vdwsl)，需要在不同的化学或热环境之间反复实验，这通常会导致原子级薄晶体的严重毁坏，导致现阶段vdwsl的制备极具挑战性。

4、专利号为cn114197054a的中国专利公开了一种高阶超晶格的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)：制备垂直异质结材料；步骤(2)：在距离所述的垂直异质结合成的2小时内，向所述的垂直异质结材料的表面加入功能溶剂，即得所述的高阶超晶格；所述的功能溶剂为有机溶剂-水的均相溶液；或者为有机溶剂-水-碱的均相溶液。但上述专利公开的制备工艺存在步骤繁琐、产率低、可重复性差等缺陷，限制了其实际应用。因此亟需设计一种能够简单、快速、高效制备出类似超晶格能带结构的二维超晶格的制备方法。

5、过渡金属硫族化合物及其范德华超晶格被视为下一代纳米电子、光电器件的关键材料，利用铁电薄膜栅介质的自发极化作用耗尽二维沟道材料载流子，实现光电探测器暗电流的降低，日益发挥出铁电晶体管(fefet)作为光电探测器的优势。但是，单一极化影响下的光电探测器一般无法兼具高探测率及响应率。因此亟需设计出能够制备出具有较高的探测范围、探测率及响应率的光电探测器。

技术实现思路

1、本发明提供了一种周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格光电探测器，该光电探测器具有较高的探测范围、探测率和响应率。本发明还提供一种周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格光电探测器的制备方法，利用该方法能够简单、快速、高效的制备出超晶格能带结构。

2、一种周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格光电探测器，包括：衬底，背栅区，吸收区和源漏区，其中：

3、所述背栅区位于衬底上，所述背栅区为具有周期性铁电畴的p(vdf-trfe)铁电薄膜；

4、所述吸收区位于背栅区上，所述吸收区为wse2类超晶格薄膜；

5、所述源漏区位于吸收区上，所述源漏区为叉指结构金属电极。

6、通过向本发明提供的探测器的背栅区和源漏区分别施加固定大小的偏压，同时被探测光顶入射至吸收区，通过检测源漏区间电流的变化来探测入射光。

7、所述p(vdf-trfe)铁电薄膜为β相，形貌为编织网状，具有周期性畴结构。所述周期性畴结构的极化方向为面外朝上方向和面外朝下方向的周期性排列。极化方向面外朝上的铁电畴存在静电场方向垂直向下的退极化场，该退极化场将减少该铁电畴上方wse2的带隙；极化方向面外朝下的铁电畴存在静电场方向垂直向上的退极化场，该退极化场将增加该铁电畴上方wse2的带隙，周期性排列的铁电畴提供的周期性静电场实现wse2薄膜能带结构的周期性调控诱导形成类似超晶格的能带结构。

8、所述叉指结构金属电极包括源电极和漏电极，所述源电极位于p(vdf-trfe)铁电薄膜极化方向为面外朝上方向区域的上方，且所述漏电极位于极化方向为面外朝下方向区域的上方；或者所述源电极位于p(vdf-trfe)铁电薄膜极化方向为面外朝下方向区域的上方，且所述漏电极位于极化方向为面外朝上方向区域的上方。

9、所述具有周期性铁电畴的p(vdf-trfe)铁电薄膜通过以下方式制备：

10、先分别向涂覆于衬底上的p(vdf-trfe)铁电薄膜和源极施加电压，然后分别向向涂覆于衬底上的p(vdf-trfe)铁电薄膜和漏极施加电压，使得p(vdf-trfe)铁电薄膜具有周期性铁电畴；

11、或者先分别向涂覆于衬底上的p(vdf-trfe)铁电薄膜和漏极施加电压，然后分别向向涂覆于衬底上的p(vdf-trfe)铁电薄膜和源极施加电压，使得p(vdf-trfe)铁电薄膜具有周期性铁电畴。

12、所述分别向p(vdf-trfe)铁电薄膜和源极施加电压，包括：分别向p(vdf-trfe)铁电薄膜和源极施加0v－+30v电压，漏极不加电压，使源极电极接触的p(vdf-trfe)铁电薄膜的铁电畴极化方向面外朝下，或者分别向p(vdf-trfe)铁电薄膜和源极施加0v－-30v电压，漏极不加电压，使源极电极接触的p(vdf-trfe)铁电薄膜的铁电畴极化方向面外朝上。

13、所述分别向p(vdf-trfe)铁电薄膜和漏极施加电压，包括：分别向p(vdf-trfe)铁电薄膜和漏极施加0v－-30v电压，源极不加电压，使漏极电极接触的p(vdf-trfe)铁电薄膜的铁电畴极化方向面外朝上，或者分别向p(vdf-trfe)铁电薄膜和漏极施加0v－+30v电压，源极不加电压，使漏极电极接触的p(vdf-trfe)铁电薄膜的铁电畴极化方向面外朝下。

14、所述叉指结构金属电极包括ti/au金属电极组，ti位于衬底上，au位于ti上，所述叉指结构金属电极包括1-5对叉指对，所述叉指对中源电极和漏电极间的距离为0.5-20μm。所述ti厚度为5-20nm，au厚度为5-50nm,所述ti/au叉指电极的宽度为0.5-20μm，长度为5-8000μm。

15、所述衬底为p型si衬底，所述p型si衬底为重掺导电型半导体材料，或者p型si衬底上带有sio2层。

16、所述衬底的厚度为0.3-0.8mm。

17、所述衬底的电阻率为0.001-0.005ω·cm。

18、所述源极顶部与漏极底部、源极底部与漏极顶部的间距为1-10μm。

19、本发明还提供了一种周期性铁电极化诱导的wse2类超晶格光电探测器的制备方法，包括：

20、在衬底上旋涂一层p(vdf-trfe)铁电薄膜，所述p(vdf-trfe)薄膜厚度为20-300nm；

21、通过二维转移工艺在p(vdf-trfe)铁电薄膜表面转移原子层厚度为1-5层的wse2薄膜；

22、通过光刻工艺在wse2薄膜表面覆盖一层光刻胶，同时留出源漏电极；

23、利用电子束蒸发或热蒸发工艺在wse2薄膜上沉积叉指结构金属电极，将外加电源与叉指结构金属电极的源漏极相连；

24、采用如权利要求4中具有周期性铁电畴的p(vdf-trfe)铁电薄膜的制备方式使得p(vdf-trfe)铁电薄膜具有周期性铁电畴；

25、通过具有周期性铁电畴的p(vdf-trfe)铁电薄膜对wse2薄膜进行调控使得wse2薄膜具有类超晶格结构。

26、所述在衬底上旋涂一层p(vdf-trfe)铁电薄膜，包括：在衬底上旋涂一层有机溶液，预甩转速为300-800rpm，预甩时间3-5s，旋涂转速为2000-3000rpm，旋涂时间为20-50s，然后进行退火得到p(vdf-trfe)铁电薄膜。

27、所述有机溶液为质量分数为0.5％-5％的p(vdf-trfe)溶液，有机溶液体积为40μl-100μl。

28、所述p(vdf-trfe)溶液中的溶质为p(vdf-trfe)聚合物，所述p(vdf-trfe)聚合物中的trfe摩尔比占比为20％-50％，剩余为vdf，所述p(vdf-trfe)溶液中的有机溶剂为碳酸二乙酯。

29、所述退火工艺为，退火温度为120-140℃，退火时间为4-12h。

30、转移所述wse2薄膜的转移介质为pdms薄膜。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

32、本发明提供的wse2类超晶格光电探测器利用周期性铁电极化提供周期性静电场调控二维wse2的带隙，并诱导wse2薄膜形成类似超晶格的能带结构，解决了范德华超晶格制备工艺步骤繁琐、容错率低、耗时长等问题，实现了范德华超晶格能带结构的快速、高效、简单构筑。

33、本发明通过利用铁电畴能够随外加电场发生翻转的可编程性，通过周期性铁电畴调控wse2内部载流子浓度，可随时调控二维半导体带隙，从而实现wse2类超晶格光电探测器在可见-近红外波段不同波长下的探测性能需求，将进一步提高二维光电探测器的探测范围、探测率及响应率。