一种薄膜制备方法及光电探测器与流程

1.本技术属于光电探测技术领域，特别是涉及一种薄膜制备方法及光电探测器。


背景技术：

2.光电探测器，也称为光电传感器，是光或其他电磁辐射的传感器，可以吸收入射辐射并将其转换为电信号。也是现代集成和小型化电子行业的重要组成部分。其对于光学信息的捕获、识别和可视化至关重要，并在视觉成像、光通信、遥感、光电存储、环境监测、军事探测等领域有着不同的应用。二维层状半导体材料在基础研究和技术开发等方面都取得了巨大的进步。如mos2、snse2、sns2等二维层状硫族化合物由于具有独特的纳米电子学、光学和光电特性而受到越来越广泛的关注。通过分子束外延和气相沉积等简单易行、低成本的工艺流程制备，从而拓展其在光电探测器方面的应用。
3.现有的光电探测器上的薄膜光利用效率低，限制了光电探测器的性能。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.现有的光电探测器上的薄膜光利用效率低，限制了光电探测器的性能。
6.2.技术方案
7.为了解决上述的技术问题，本技术提供了一种薄膜制备方法，在温度小于250℃的条件下，通过加热锡材料源和硒材料源，使得锡和硒蒸发后在衬底上纵向生长形成半导体纳米片阵列薄膜。
8.本技术提供的另一种实施方式为：采用分子束外延工艺在所述衬底上生长形成snse
x
纳米片阵列薄膜；所述分子束外延工艺包括向分子束外延设备中分别加入高纯度硒材料源和高纯度锡材料源，通过所述分子束外延设备分别加热所述硒材料源和所述锡材料源，并将所述硒材料源以分子束或原子束的形式喷射至所述衬底上，同时将所述锡材料源以分子束或原子束的形式喷射至所述衬底上，形成snse
x
纳米片阵列薄膜。
9.通过低温超高真空共蒸发技术制备直立式的snse2二维纳米片阵列。
10.本技术提供的另一种实施方式为：对所述衬底进行旋转，使得所述snse
x
纳米片阵列薄膜均匀生长。
11.本技术提供的另一种实施方式为：所述半导体纳米片阵列薄膜为snse2二维薄膜材料直立式v型结构。
12.本技术还提供一种光电探测器，将所述的薄膜应用于光电探测器。snse2纳米片阵列具有很强的陷光能力，所以将其用在光电探测器上。
13.本技术提供的另一种实施方式为：包括依次层叠的衬底、snse
x
纳米片阵列薄膜、绝缘层、胶层和第一电极，所述衬底包括基底和第二电极，所述基底、所述第二电极、所述snse
x
纳米片阵列薄膜依次层叠。
14.本技术提供的另一种实施方式为：所述绝缘层为al2o3层，所述胶层为聚甲基丙烯
酸甲酯层、电子束光刻胶正胶层或者环氧负胶层；所述第一电极为钛金电极，所述第二电极为钛金电极。
15.本技术提供的另一种实施方式为：所述基底为4英寸硅片或者玻璃。
16.本技术提供的另一种实施方式为：所述al2o3层通过原子层沉积与所述snse
x
纳米片阵列薄膜上。
17.本技术提供的另一种实施方式为：所述胶层通过旋涂设置于所述al2o3层上。
18.首先在基底上通过电子束蒸发技术制备图案化的ti/au下电极，接着在上面长snse2纳米片阵列，通过原子沉积法沉积一层al2o3，al2o3为绝缘层，一方面可以有效的钝化snse2，降低表面缺陷；也可以作为有效的水氧阻隔层提高稳定性。在al2o3层上通过旋涂制备一层pmma，pmma的作用有两方面：第一个是作为隔离层，因为后面要镀上电极，如果没有pmma直接镀电极的话上下电级容易连通而造成短路；另外一个是因为pmma为绝缘的有机高分子，也可以起到水氧阻隔层的作用从而提高稳定性。最后通过电子束蒸发技术制备图案化的ti/au上电极。
19.3.有益效果
20.与现有技术相比，本技术提供的一种薄膜制备方法及光电探测器的有益效果在于：
21.本技术提供的薄膜制备方法，为一种芯片级大面积直立式结构的二维层状材料snse2薄膜制备方法。
22.本技术提供的光电探测器，为基于snse2的高性能宽波段光电探测器及其阵列。
23.本技术提供的光电探测器，旨在生长直立式二维层状材料snse2并制备基于该材料的的宽波段光电探测器。一方面通过高质量二维snse2薄膜的生长及结构的陷光效应提光的利用效率，从而提高光电探测器的光响应度。
24.本技术提供的光电探测器，通过al2o3层和pmma高分子层有效的阻隔空气中水和氧的侵蚀，从而提高光电探测器的稳定性。
25.本技术提供的光电探测器，通过al2o3层及pmma的保护提高器件响应时间及其器件稳定性，借此打开基于大面积均匀的二维材料的高性能宽波段光电探测器的应用之路。
附图说明
26.图1是本技术的光电探测器制备流程示意图；
27.图2是本技术的光电探测器结构示意图；
28.图3是本技术的直立式snse2薄膜结构示意图；
29.图4是本技术的snse2薄膜sem图像示意图；
30.图5是本技术的snse2薄膜性能结果示意图；
31.图6是本技术的snse2薄膜陷光特性示意图。
具体实施方式
32.在下文中，将参考附图对本技术的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本技术，并能够实施本技术。在不违背本技术原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些
实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
33.现有的宽波段光电探测器，比如基于场效应晶体管的光电探测器，基于钙钛矿结构的光电探测器等等，在探测响应强度上得到了很大的提高。以上各种结构的紫外光探测器虽然在性能上实现了一定的突破，但是这些光电探测器往往稳定性较差，不能暴露在空气中极易被氧化。
34.参见图1～6，本技术提供一种薄膜制备方法，在温度小于250℃的条件下，通过加热锡材料源和硒材料源，使得锡和硒蒸发后在衬底上纵向生长形成半导体纳米片阵列薄膜。
35.二维材料snse2的传统制备方式主要包括机械剥离、物理气相沉积(高温加热snse2粉末)及化学气相沉积，获得的snse2纳米片的形貌十分离散，且位置随机。又因为是厚度《10nm的平铺薄膜结构，其对光的吸收较弱且不利于光电探测器的集成。传统化学气相沉积工艺制备snse2纳米片时生长温度较高(超过600℃)，故snse2分子更容易越过迁移能势垒进行横向堆积从而形成平坦的薄膜。但当生长温度较低时(《250℃)，分子迁移能不足以越过势垒，从而演化为堆叠式的纵向生长模式。
36.进一步地，采用分子束外延工艺在所述衬底上生长形成snse
x
纳米片阵列薄膜；所述分子束外延工艺包括向分子束外延设备中分别加入高纯度硒材料源和高纯度锡材料源，通过所述分子束外延设备分别加热所述硒材料源和所述锡材料源，并将所述硒材料源以分子束或原子束的形式喷射至所述衬底上，同时将所述锡材料源以分子束或原子束的形式喷射至所述衬底上，形成snse
x
纳米片阵列薄膜。
37.优选的硒源和锡源的纯度为99.99％。其中se、sn源以及衬底的温度分别为260℃，1100℃和240℃，真空度为2
×
10-5
pa。形成snse
x
(x＝1.6～2.2)纳米片阵列结构，生长时间为10min～50min。所述半导体纳米片阵列中的纳米片的厚度为5nm～25nm，高度为1μm～2μm。
38.进一步地，对所述衬底进行旋转，使得所述snse
x
纳米片阵列薄膜均匀生长。传统化学气相沉积制备的snse2通过为离散式的薄膜，本技术通过对沉积的衬底进行旋转保证snse2纳米片均匀的生长。
39.进一步地，所述半导体纳米片阵列薄膜为snse2二维薄膜材料直立式v型结构。纳米片的厚度大概只有几个nm或数十个nm，单层的snse2为0.6nm左右，所以称之为二维层状材料。
40.参见图5(a)和图6，snse2纳米片可以视作为一些v型光腔，光进入这些v型腔后在腔内多次反射，多次被snse2纳米片吸收并转化为电信号。传统平铺的纳米片对光的吸收效率只有2.3％，本技术中制备的直立式纳米片对光的吸收效率超过90％。所以说光的利用效率大大提高从而提高对光的探测性能。
41.陷光结构通常是通过光刻刻蚀得来的一些v型结构，我们制备的陷光snse2纳米片阵列式自发形成的。因为全部竖着往上长，但并不是完全90
°
，而是70
°
，80
°
等等，这就自然形成了v型腔结构。
42.本技术还提供一种光电探测器，将所述的薄膜应用于光电探测器。
43.进一步地，包括依次层叠的衬底、snse
x
纳米片阵列薄膜、绝缘层、胶层和第一电极，所述衬底包括基底和第二电极，所述基底、所述第二电极、所述snse
x
纳米片阵列薄膜依
次层叠。
44.进一步地，所述绝缘层为al2o3层，所述胶层为聚甲基丙烯酸甲酯层pmma、电子束光刻胶正胶层rzj-304或者环氧负胶层sn-100；所述第一电极为钛金电极，所述第二电极为钛金电极。al2o3层厚约4nm。
45.进一步地，所述基底为4英寸硅片或者玻璃。制备4英寸芯片级大面积直立式结构snse2薄膜。
46.进一步地，所述al2o3层通过原子层沉积与所述snse
x
纳米片阵列薄膜上。
47.进一步地，所述胶层通过旋涂设置于所述al2o3层上。
48.通过控制转速来调控匀胶的厚度，然后用膜厚仪进行测试其厚度。转速范围在700～3700rpm，厚度控制在1～2μm左右。
49.匀胶操作完成后，利用电子束蒸镀的方法进行蒸镀电极，其特征在于ti-au电极的稳定性以及其优异的透光性且控制其厚度在15nm～20nm。
50.具体的，(1)在玻璃基底通过电子束蒸发技术制备一层图案化的ti/au底电极；
51.(2)在玻璃/ti/au基底上通过超高真空共蒸发技术沉积snse2薄膜；
52.(3)通过原子层沉积技术在snse2纳米片表面沉积一层约4nm后的al2o3；
53.(4)通过旋涂工艺旋涂一层pmma作为隔离层；
54.(5)通过电子束蒸发技术制备图案化的ti/au顶电极。
55.snse2二维薄膜材料直立式v型结构，其陷光效应十分显著，光利用效率极大地增强，对340nm至650nm波长的光的吸收超过90％，可有效提高探测器的光响应度及外量子效率。此外，与传统离散化二维材料光电探测器相比，制备的snse2薄膜大面积均匀，而且生长温度较低，可以cmos芯片兼容。这些优点使得二维材料snse2薄膜成为下一代高性能宽波段光电探测器的核心感光材料，有望推动下一代光电探测器的产业化进程，满足日益增长的对高性能宽波段光电探测器的市场需求。
56.光电探测器的性能参数主要包括光响应度，噪声功率，响应时间等。对于基于二维材料半导体的光电探测器来说其性能很大程度上取决于二维层状半导体材料的生长质量和器件结构设计。iv-vi族半导体材料如二硫化硒(sns2)、二硒化锡(snse2)等可以在多种材质的衬底下长出符合性能要求的纳米级薄膜。但是目前大多数的化学气相沉积工艺制备出的纳米片过于稀疏离散，响应度和响应时间都不能够满足实际性能需求。利用低温pvd法来生长高致密度的二硒化锡(snse2)薄膜，长出来的薄膜不仅均匀且与基底的结合强度更高。
57.电探测器广泛应用于光学通讯、安全监控、生物医学成像、工业检测等领域。
58.高性能宽波段光电探测器。
59.图2a-b分别为ti/au/snse2纳米片和最终直立式结构的snse2光电探测器。
60.图3是制备的4英寸硅芯片基底大面积直立式结构snse2薄膜。
61.图4a-b snse2纳米片的顶部和横截面视图sem图像。c-d为pmma旋涂工艺后snse2纳米片的顶部和横截面视图sem图像。
62.图5是snse2纳米片阵列对400～600nm波段的电磁波吸收大于90％。图5(b)：在390、532和633nm条件下，根据公式r＝i
ph
/ps，其中i
ph
为光电流，p为功率密度(0.5mw/cm2)，s为器件面积(100um*100um)，snse2光电探测器的响应度分别为31.42a/w，13.13a/w和8.98a/w。
63.图6是v型snse2纳米片陷光特性的示意图和模拟结果，入射的电磁波在v型腔内多次反射，最大电场强度在v行纳米片底部。
64.相比传统平铺式二维材料层状结构，竖直式阵列结构的二维iv-vi族半导体材料表现出显著的陷光效应，极大地提高了材料的光吸收率，吸收系数达到90％以上，初步获得的光电探测器对的量子效率达到了1.02
×
104％，响应时间小于400μs。
65.相对传统离散式薄层结构，大面积均匀(10cm
×
10cm，4英寸硅芯片)的二维iv-vi族半导体更容易实现光电探测器阵列的制备，将有机会推进新型超高性能的宽波段光电探测器的产业化进程。
66.通过ald制备al2o3钝化层等技术调控材料表面缺陷态，以便进一步提高宽波段探测器的响应时间。
67.本技术提出cmos芯片(si芯片)上直接生长探测器吸收材料工艺，制备与cmos设备集成的二维成像芯片。
68.尽管在上文中参考特定的实施例对本技术进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本技术公开的原理和范围内，可以针对本技术公开的配置和细节做出许多修改。本技术的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。