一种二硫化钼光电探测器及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体传感器技术领域，尤其涉及一种二硫化钼光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.半导体光电探测器早已被成熟应用于广泛的领域之中并成为现代工业和科学的核心器件品类之一，当前新型二维半导体材料被不断探索发掘且因其相对于传统半导体材料所独有的特殊的物理、化学性质能够满足光电探测在实际应用层面各种复杂场景中的高性能需求而逐渐成为了前沿光电探测技术研究的重点。少层二硫化钼以其带隙宽度可调、原子级厚度、以及表面光滑无悬键等特性，在电学、光学中表现出了非常优异的性能。
3.二维半导体材料因纳米级的超薄厚度而导致直接光吸收效率较低，与光学结构集成而改变其电学激发模式可以显著提升光耦合效率，形成性能更加全面、应用场景更加广阔的光电探测新技术。等离激元赋能是目前实现二维材料
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光学结构复合的主要研究方向之一，表面等离激元是在金属表面由自由电子和入射电磁波共振形成的一种表面电磁模式，它可以细分为两种类型：表面等离极化激元和局域表面等离激元。其中表面等离极化激元是金属表面的等离激元与入射电磁场耦合的结果，是一种在金属
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电介质界面上传播的电磁波。由于等离激元表面波的波长远小于同频率的光在自由空间的波长，等离激元模式能够产生深亚波长尺度的强光场，从而大幅提高低温探测材料，如二维材料的光吸收和光响应。
4.现有的光电探测器，由于源电极和漏电极形状大致相同且基本是对称设置在光电探测器上的，这样光电探测器源电极附近区域的光吸收和漏电极附近区域的光吸收之间难以形成明显的差异，导致现有光电探测器的光响应效率较低。


技术实现要素：

5.本发明提供一种二硫化钼光电探测器及其制备方法，旨在解决现有技术的光电探测器光响应效率低的技术问题。
6.本发明第一方面提供了一种二硫化钼光电探测器，包括自下而上设置的金属反射层，绝缘介质层，二硫化钼层，以及彼此间隔设置在所述二硫化钼层上的源电极和漏电极，所述漏电极包括电极部和光栅部。
7.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述金属反射层、所述源电极和所述漏电极均为钛/银叠层。
8.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述绝缘介质层为二氧化硅层。
9.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述二硫化钼层为单层二硫化钼层。
10.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述源电极的厚度大于等于电磁波在所述源电极中趋肤深度的2倍。
11.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述漏电极的厚度大于等于电磁波在
所述漏电极中趋肤深度的2倍。
12.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述金属反射层的厚度大于等于电磁波在所述金属反射层中趋肤深度的2倍。
13.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述漏电极的所述光栅部一侧朝向所述源电极。
14.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述光栅部包括若干间隔设置的栅条，所述栅条的长度方向与所述源电极的侧边和所述电极部的侧边均垂直。
15.本发明第二方面提供了一种二硫化钼光电探测器的制备方法，包括：
16.提供一衬底；
17.在所述衬底上依次沉积金属反射层，绝缘介质层，二硫化钼层和电极层；
18.通过掩膜在所述电极层上制作出源电极以及漏电极的电极部和光栅部。
19.有益效果：本发明提供了一种二硫化钼光电探测器及其制备方法，其中，所述二硫化钼光电探测器包括自下而上设置的金属反射层，绝缘介质层，二硫化钼层，以及彼此间隔设置在所述二硫化钼层上的源电极和漏电极，所述漏电极包括电极部和光栅部。本发明的二硫化钼光电探测器由于采用了金属发射层作为底层，并且在漏电极上集成有光栅，这样光电探测器漏电极和源电极两端会形成明显的光吸收差异，打破了两端光电流大小的对称性，增强了光电探测器的光响应。
附图说明
20.图1是本发明一种二硫化钼光电探测器的结构示意图。
21.图2是本发明一种二硫化钼光电探测器的制备方法的流程框图；
22.图3是一般耦合光栅非对称集成的二硫化钼光电器件(对照组)的结构示意图。
23.图4是激光光斑照射在本发明二硫化钼光电探测器源极附近区域(图1中a)和光栅附近区域(图1中b)两个位置获得的光吸收率示意图。
24.图5是泛光照射下图1和图3的两种器件的响应光谱。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
26.参见图1，本发明第一方面提供了一种二硫化钼光电探测器，包括自下而上设置的金属反射层10，绝缘介质层20，二硫化钼层30，以及彼此间隔设置在所述二硫化钼层20上的源电极40和漏电极50，所述漏电极50包括电极部60和光栅部70。
27.本发明的目的在于提出了一种实现自驱动宽谱光响应增强的基于超材料光学天线非对称集成的二硫化钼光电探测器及设计方法，突破经典的金属
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二硫化钼
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金属光电探测器件在泛光照射下没有净的自驱动光响应，以及二硫化钼光吸收率低的瓶颈问题。
28.具体来说，本发明集成有光栅的漏电极、二硫化钼层和金属反射层形成超材料光学天线，本发明将超材料光学天线于一端电极集成，利用等离激元模式的共振在该电极与
二硫化钼接触的结区形成局域强光场，显著提高结区的光吸收效率；同时利用底面金属对于无超材料光学天线集成的另一端电极与与二硫化钼接触的结区的光吸收的抑制，打破两端电极
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二硫化钼结区的方向相反的光电流的大小的对称性，实现显著的净值自驱动光响应增强，另外，通过设计超材料光学天线使局域光场的极化方向平行于二硫化钼二维平面，从而增强局域光场与二硫化钼的相互作用，再通过临界耦合调控，实现宽谱光响应增强。
29.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述金属反射层、所述源电极和所述漏电极均为钛/银叠层。在本实施例中，钛/银是高导电性的金属，本发明中的金属反射层、源电极和漏电极采用钛/银叠层，具有极好的导电性和电磁兼容性。
30.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述绝缘介质层为二氧化硅层。在本实施例中，所述绝缘介质层是一层工作波段透明的介质，包括但不限于二氧化硅，其厚度根据实际器件性能需求进行选择。
31.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述二硫化钼层为单层二硫化钼层。在本实施例中，二硫化钼作为最具代表性的新兴二维层状材料之一，其层与层间靠较弱的范德华力相结合，因而可以被剥离成二维层状纳米材料，其物理性质具有明显的厚度依赖性，随着原子层数的减少，其由间接带隙过渡到直接带隙，光致发光、光电转换效率也出现相应程度的增强，使其在光电子、能量存储和场效应晶体管等众多领域具有良好的应用前景，采用单层二硫化钼可以最大限度地增强器件的光电转换效率。
32.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述源电极的厚度大于等于电磁波在所述源电极中趋肤深度的2倍。在本实施例中，在该厚度条件下，源电极的电极性能更佳。
33.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述漏电极的厚度大于等于电磁波在所述漏电极中趋肤深度的2倍。在本实施例中，在该厚度条件下，漏电极的电极性能更佳。
34.在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述金属反射层的厚度大于等于电磁波在所述金属反射层中趋肤深度的2倍。在本实施例中，金属反射层具有更好的电磁波反射能力。
35.参见图1，在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述漏电极的所述光栅部一侧朝向所述源电极。在本实施例中，源电极和漏电极的电极部的形状大小相同，漏电极的电极部向内侧延伸形成有所述光栅部，光栅部可以提高漏电极区域的光吸收率，源电极区域由于不存在光栅部且由于器件底部是金属反射层，所以源电极区域的光吸收率会比漏电极区域低，从而形成明显的光吸收差异。
36.参见图1，在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述光栅部包括若干间隔设置的栅条，所述栅条的长度方向与所述源电极的侧边和所述电极部的侧边均垂直。在本实施例中，栅条之间可以是等间距也可以是非等间距，栅条的长度方向也可以不与源电极的侧边和电极部的侧边垂直。
37.参见图2，本发明第二方面提供了一种二硫化钼光电探测器的制备方法，包括：
38.s100、提供一衬底；
39.s200、在所述衬底上依次沉积金属反射层，绝缘介质层，二硫化钼层和电极层；
40.s300、通过掩膜在所述电极层上制作出源电极以及漏电极的电极部和光栅部。
41.本发明的二硫化钼光电探测器，通过超材料光学天线与二硫化钼集成，利用等离激元共振，实现局域切向光子模式(电场主要平行于二硫化钼的二维平面)的场增强。基于
切向光子模式与二硫化钼光吸收方向的匹配提高等效吸收系数，降低吸收q值，并通过调整金属条栅的周期、介质层厚度等参数调控超材料光学天线辐射q值，令体系逼近临界耦合状态，使入射电磁波高效地转化为局域在二硫化钼附近的强光场，实现光与二硫化钼充分的相互作用，提高二硫化钼的光吸收和光响应。通过超材料光学天线与一端电极融合，利用高效耦合与光场局域实现该电极
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二硫化钼接触结区光吸收显著增强，同时通过延长接触结的边界增大光敏区域，提高入射光接收效率；而在另一电极
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二硫化钼接触结区，利用距离很近的金属底面大幅抑制光吸收，实现两个电极
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二硫化钼接触器的光吸收的巨大差异，从而构建出具有显著宽谱响应增强的低功耗二硫化钼光电探测器件。
42.实施例1
43.本发明一种二硫化钼光电探测器的具体结构如下：
44.所述二硫化钼光电探测器的结构包括：源电极、集成有光栅的漏电极、单层二硫化钼层、绝缘介质层、金属反射层。参见图1，源电极以及集成有光栅的漏电极是一层厚度为h3的高导电性的金属，其厚度h3不小于电磁波在该金属中趋肤深度的2倍，通过栅条周期p、栅条线宽w、栅条长度l1和沟道长度l2就能确定源漏电极的结构，比如l1等于l2/2，p为光波长的十分之一到二十分之一，w为p的四分之三，绝缘介质层是一层厚度为h2的工作波段透明的介质，具体是二氧化硅，厚度为h2，金属反射层是一层厚度为h1的完整的金属反射层，h1不小于电磁波在该金属中趋肤深度的2倍。
45.更加具体的，以针对波长为710nm设计的二硫化钼探测器为例，源电极、集成有光栅的漏电极均采用钛(ti)/银(ag)叠层，通过设计优化的周期单元的结构尺寸为：p＝41nm，w＝31nm，l1＝5μm，l2＝10μm，h1＝110nm，h2＝26nm，h3＝20nm。其中源电极、集成有光栅的漏电极采用ti(5nm)/ag(15nm)，单层二硫化钼为湿法转移的cvd生长的二硫化钼，绝缘介质层采用设计厚度的对该工作波段透明的二氧化硅作为介质层，金属反射层采用ti(10nm)/ag(100nm)。
46.为了验证本发明器件的性能，本发明设计了一对照组，参见图3，作为对照组的一般耦合光栅非对称集成的二硫化钼器件其顶层光栅周期性结构尺寸与超材料光学天线非对称集成的二硫化钼探测器相同，但其最底层为500μm厚的硅，绝缘介质层为300nm的二氧化硅。
47.本发明二硫化钼光电探测器的优点如下：
48.1、本发明的二硫化钼器件结构中超材料光学天线与一端电极集成(集成有光栅的漏电极、单层二硫化钼层、绝缘介质层和金属反射层组成超材料光学天线)，参见图4，本发明基于超材料光学天线的高效耦合与光场局域使该电极与二硫化钼的接触结区的光吸收大幅增强，并且依靠延长接触结的边界使光敏区域增大，而在另一端没有金属栅条集成的电极处的二硫化钼与底部金属平面距离较近，光场受到抑制，光吸收被削弱。最终，两个电极与二硫化钼接触结的光吸收对比度在波长从400到800纳米的范围内达到约10.3倍，在波长710纳米附近高达113倍，金属
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二硫化钼
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金属光电探测器获得了在泛光照射下的净自驱动光吸收。
49.2、参见图5，本发明利用超材料光学天线集成二硫化钼探测器相比于传统的用于光吸收增强的金属光栅集成二硫化钼探测器光吸收率提高2倍以上。
50.3、该探测器光学结构与二硫化钼集成在一个平面上，工艺兼容性强，便以集成，工
艺流程简单，自驱动的光探测模式对应于较低的器件暗电流。
51.实施例2
52.本发明一种二硫化钼光电探测器的具体制备方法如下：
53.1、首先用丙酮对硅片衬底进行超声清洗，然后用异丙醇冲洗硅片表面去除多余丙酮，接下来用去离子水冲洗硅片，吹干烘干保证硅片衬底表面洁净无污染。
54.2、在洁净的硅片衬底上，用电子束蒸镀的方法沉积ti(10nm)/ag(100nm)金属层作为底部金属反射层。
55.3、利用等离子体增强的原子层沉积(peald)在底部金属反射层上沉积一层特定厚度的对工作波段透明的绝缘介质。
56.4、利用机械剥离方法将单层二硫化钼转移到绝缘介质层的表面。
57.5、利用电子束光刻定义图形，并利用电子束光刻胶作为掩膜，保护底层二硫化钼，利用氧等离子体轰击样品，轰击去除掉未被光刻胶保护的二硫化钼，实现二硫化钼图形化处理。
58.6、通过电子束光刻定义图形，并利用光刻胶作为掩膜，采用电子束蒸镀的方法沉淀ti/ag，通过剥离最终获得源、漏电极和光栅。