一种Mg掺杂增强过渡金属硫化物基可见光探测器及其制备方法与流程

一种mg掺杂增强过渡金属硫化物基可见光探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于可见光通信用光电探测器领域，具体涉及一种mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着固态照明的高速发展，可见光通信技术也取得了长足的进步。可见光通讯是一种基于白光发光二极管技术的无线光通信技术，能同时实现照明和高速数据传输两大功能，并且具有信号密度覆盖高、保密安全性高、抗电磁干扰、频谱范围宽等特点，可以实现高速、稳定、安全的通信传输。作为不受限的空白频谱区，在信号上与传统的无线电波毫不干扰，开拓了下一代宽通信的频谱。
3.过渡金属硫化物是一种二维范德华半导体材料，拥有着高载流子迁移率、热稳定性高、化学稳定性好、禁带宽度随层数可调等特点，可以实现1.4-2.0ev的禁带宽度可调，对应于实现620-950nm波长的可见光探测。近年来，传统si基探测器尺寸的不断减小，晶体管密度呈指数增长，晶体管的短通道效应限制了自身性能的进一步提升。相比si基探测器，二维探测器具有体积小，易携带、易集成、击穿电场高等优势，促进了可见光探测器的进一步发展。
4.现有的过渡金属硫化物展现出天然n型的电子特性，和传统的三五族材料很难形成强的异质结内建电场。因为s空位难以消除，这一n型电子特性难以通过制备工艺调控得到改变。因此，过渡金属硫化物的p型掺杂是个难题。
5.本发明通过将掺杂的tmds和ingan半导体材料结合起来，制备范德华异质p-n结，进一步提升器件的性能。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种mg掺杂增强过渡金属硫化物基可见光探测器及其制备方法。本发明将mg掺杂的tmds(过渡金属硫化物)和ingan半导体材料结合起来，制备范德华异质p-n结，提升了器件的性能。本发明的方法简单，易于操作。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：
8.一种mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器，包括从下至上依次设置的si衬底层、ingan外延层(ingan层)、mg掺杂的过渡金属硫化物(tmds)层和电极层。所述电极层为第一电极层和第二电极层；第一电极层为ti/au层，第二电极层为ti/au层。
9.mg掺杂的过渡金属硫化物层部分覆盖ingan外延层，ingan外延层上表面形成一台面。
10.所述ingan外延层的台面上设有第一电极层，电极层与掺杂mg的过渡金属硫化物层不接触。第一电极层中ti层设置在ingan外延层的台面上。au层设置在ti层上。
11.所述掺杂mg的过渡金属硫化物层上设有第二电极层。第二电极层部分覆盖掺杂mg的过渡金属硫化物层。第二电极层中ti层设置在掺杂mg的过渡金属硫化物层上。au层设置在ti层上。
12.所述过渡金属硫化物也称为过渡金属硫族化合物，化学式为mx2，m是指过渡金属元素(例如：钼、钨、铌、铼、钛)，x是指硫族元素(例如：硫、硒、碲)。
13.所述mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
14.1)通过化学气相沉积法在si基ingan外延片上制备mg掺杂的过渡金属硫化物(tmds)层，退火；
15.2)在退火后的mg掺杂的过渡金属硫化物(tmds)层上以及未被mg掺杂的过渡金属硫化物(tmds)层覆盖的ingan层上制备电极层。
16.所述制备方法的具体步骤：
17.1)在si基ingan外延片上旋涂正性光刻胶，光刻出mg层的蒸镀区，该蒸镀区位于外延片上表面的一端；
18.2)采用分子束蒸发法在蒸镀区蒸镀一层金属mg，剥离未曝光的光刻胶，得到含mg层的外延片器件；
19.3)通过化学气相沉积法，以过渡金属氧化物和硫族源为前驱体，在含mg层的外延片器件上制备出外延的mg掺杂tmds层，退火处理，得到掺杂tmds/ingan层器件；器件中mg掺杂tmds层部分覆盖ingan层；
20.4)在掺杂tmds/ingan层器件上旋涂光刻胶，光刻出所需形状的电极沉积区；电极沉积区位于mg掺杂tmds层上以及未被mg掺杂tmds层覆盖的ingan层上；
21.5)采用分子束蒸镀法在沉积区蒸镀金属电极，剥离未曝光的光刻胶，获得mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器。
22.步骤3)中过渡金属氧化物为钼、钨、铌、铼、钛的氧化物，如：三氧化钼、三氧化钨；所述硫族源为硫、硒、碲粉；
23.所述化学气相沉在在标准大气压的氩气氛围下。
24.步骤3)中所述化学气相沉积的设备为管式炉；化学气相沉积的条件：生长环境为700-780torr的氩气氛围；过渡金属氧化物和硫族源在不同温度下加热，加热温度分别为650-750℃，100-140℃；生长时间为2-6min；
25.所述mg掺杂tmds层的厚度为1-100nm；mg掺杂tmds层中mg掺杂浓度为2
×
10
18
～6
×
10
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cm-3
。
26.步骤3)所述退火处理：温度为600-750℃，退火时间为0.5-2h。
27.(在制备的过程中会有大量的mg流失，被蒸发)
28.步骤5)中所述金属电极为ti/au电极，ti层设置在掺杂mg的过渡金属硫化物层上。au层设置在ti层上。
29.步骤1)中所述si基ingan衬底为ingan单晶或外延片，si层厚度为300-400um，ingan外延片厚度为1-3um。
30.步骤2)所述mg层厚度为10-100nm。
31.步骤5)中所述沉积ti、金电极厚度分别为30-60nm/60-150nm。
32.mg掺杂p型tmds层与本征n型ingan衬底层形成了p-n异质结。
33.本发明的器件中mg掺杂tmds层，引入大量的受主能级，实现了tmds的p型掺杂，调控了载流子浓度。调控后的载流子优化了材料与电极间势垒高度，降低了暗电流，增强了整流比，提升了器件的响应速度，对于实现高性能、高灵敏的可见光通信用光电探测器具有重要意义。
34.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
35.本发明利用分子束蒸发设备选择性蒸镀mg层，在生长过程中实现原位掺杂，以形成深受主能级，调控载流子类型和浓度，实现p型的tmds材料。通过和n型ingan材料结合构建2d/3d异质结，进一步提升器件性能。该方法具有原位掺杂效率高、工艺简单的优点，对于实现高灵敏度可见光通信用光电探测器器件具有重要意义。
附图说明
36.图1为本发明的mg掺杂增强tmds基可见光探测器结构示意图；1-衬底，2-ingan层，3-mg掺杂tmds层，4-电极层；
37.图2为本发明的mg掺杂增强tmds基可见光探测器制备流程图；1-衬底，2-ingan层，3-mg掺杂tmds层，4-电极层；30-mg层；
38.图3为本发明实施例1的ingan上外延生长mg掺杂tmds薄膜的拉曼表征图；
39.图4为本发明实施例1制备的mg掺杂增强tmds基可见光探测器在不同紫外光光照强度下的电流-电压曲线(365nm)。
具体实施方式
40.以下附图和实例对本发明的未来的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出，以下如有未特别详细说明之处，均是本领域科研技术人员可参照现有技术实现或理解的。
41.本发明的mg掺杂增强tmds基可见光探测器结构示意图如图1所示，包括从下至上依次设置的si衬底层1、ingan外延层2、mg掺杂的过渡金属硫化物(tmds)层3和电极层4。所述电极层4为第一电极层和第二电极层；第一电极层为ti/au层，第二电极层为ti/au层。
42.mg掺杂的过渡金属硫化物层3部分覆盖ingan外延层2，ingan外延层上表面形成一台面。
43.所述ingan外延层2的台面上设有第一电极层，电极层与掺杂mg的过渡金属硫化物层不接触。第一电极层中ti层设置在ingan外延层的台面上。au层设置在ti层上。
44.所述掺杂mg的过渡金属硫化物层3上设有第二电极层。第二电极层部分覆盖掺杂mg的过渡金属硫化物层。第二电极层中ti层设置在掺杂mg的过渡金属硫化物层上。au层设置在ti层上。
45.图2为本发明的mg掺杂增强tmds基可见光探测器制备流程图；1-衬底，2-ingan层，3-mg掺杂tmds层，4-电极层；30-mg层。
46.实施例1
47.本实施例提供了一种mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器，包括从下到上依次为si衬底层，ingan层，mg掺杂tmds层，ti电极层和金电极层。
48.本实施例还提供了一种mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
49.1)在si基ingan外延片上旋涂光刻胶，光刻出mg层蒸镀区器件(mg的蒸镀区位于ingan外延片上表面的一端，部分覆盖ingan)；
50.2)对步骤1)的蒸镀区用分子束蒸发设备蒸镀一层金属mg，所述金属mg的厚度为10nm，得到含金属mg层的外延片器件；
51.3)对步骤(2)所述含金属mg层的器件未曝光的光刻胶进行剥离、清洗处理，得到剥离后的mg层器件；
52.4)对步骤(3)的mg层器件用单温区化学气相沉积设备，采用氩气多次清洗管内空气，在标准大气压的氩气氛围，以氧化钼，硫粉为前驱体，分别加热至730℃，130℃，外延生长4min，制备出外延的mg掺杂mos2层，得到mg掺杂mos2/ingan层器件，mg掺杂浓度为2
×
10
18
～6
×
10
18
cm-3
；mg掺杂mos2层部分覆盖ingan层，mg掺杂mos2层位于ingan层上表面的另一端；
53.5)对步骤4)所述掺杂tmds/ingan层器件在进行硫氛围退火，退火温度600℃，退火时间2h，得到退火后的掺杂tmds/ingan层器件；
54.6)对步骤5)所述掺杂mos2/ingan层器件中mg掺杂mos2层以及未被mg掺杂mos2层覆盖的ingan层上旋涂光刻胶，光刻出所需电极形状的区域；
55.7)对步骤6)所述含电极形状的器件用分子束蒸镀设备蒸镀ti/au电极，厚度分别为30/60nm，得到含电极层的器件；
56.8)对步骤(7)所述含电极层的器件未曝光的光刻胶进行剥离、清洗处理，得到所述的mg掺杂增强mos2/ingan可见光探测器器件。
57.图3为本发明实施例1的ingan上外延生长mg掺杂tmds薄膜的拉曼表征图；
58.图4为本发明实施例1制备的mg掺杂增强tmds基可见光探测器在不同紫外光光照强度下的电流-电压曲线(365nm)。
59.实施例2
60.本实施例提供了一种mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器，包括从下到上依次为si衬底层，ingan层，mg掺杂tmds层，ti电极层和金电极层。
61.本实施例还提供了一种mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
62.1)在si基ingan外延片上旋涂光刻胶，光刻出mg层蒸镀区；蒸镀区位于ingan层上表面的一端；
63.2)对步骤1)的蒸镀区用分子束蒸发设备蒸镀一层金属mg，所述金属mg的厚度为20nm，得到含金属mg层的外延片器件；
64.3)对步骤2)所述含金属mg层的器件未曝光的光刻胶进行剥离、清洗处理，得到剥离后的mg层器件；
65.4)对步骤3)的mg层器件用单温区化学气相沉积设备，采用氩气多次清洗管内空气，在标准大气压的氩气氛围，以氧化钨和硫粉为前驱体，分别加热至750℃，130℃，外延生长3min，制备出外延的mg掺杂ws2层，得到掺杂ws2/ingan层器件，mg掺杂浓度为2
×
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～6
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cm-3
；mg掺杂ws2层部分覆盖ingan层；
66.5)对步骤4)所述掺杂ws2/ingan层器件在硫氛围进行退火，退火温度700℃，退火时间1h，得到退火后的掺杂tmds/ingan层器件；
67.6)对步骤(5)所述掺杂ws2/ingan层器件旋涂光刻胶，光刻出含电极形状的器件；
68.7)对步骤6)所述含电极形状的器件用分子束蒸发设备蒸镀ti/au电极，厚度分别为40/80nm，得到含电极层的器件；
69.8)对步骤7)所述含电极层的器件未曝光的光刻胶进行剥离、清洗处理，得到所述的mg掺杂增强ws2/ingan可见光探测器器件。
70.实施例3
71.本实施例提供了一种mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器，包括从下到上依次为si衬底层，ingan层，mg掺杂mos2层，ti电极层和au电极层。
72.本实施例还提供了一种mg掺杂增强过渡金属硫化物(tmds)基可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
73.1)在si基ingan外延片上旋涂光刻胶，光刻出mg层蒸镀区器件；
74.2)对步骤1)所述器件用分子束蒸发设备蒸镀一层金属mg，所述金属mg的厚度为50nm，得到含金属mg层的外延片器件；
75.3)对步骤2)所述含金属mg层的器件未曝光的光刻胶进行剥离、清洗处理，得到剥离后的mg层器件；
76.4)对步骤3)的mg层器件用单温区化学气相沉积设备，采用氩气多次清洗管内空气，在标准大气压的氩气氛围下，以氧化钼，硫粉为前驱体，分别加热至750℃，140℃，外延生长4min，制备出外延的mg掺杂mos2层，得到mg掺杂mos2/ingan层器件，mg掺杂浓度为2
×
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18
～6
×
10
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cm-3
；mg掺杂mos2层部分覆盖ingan层；
77.5)对步骤4)所述mg掺杂mos2/ingan层器件在进行硫氛围退火，退火温度750℃，退火时间0.5h，得到退火后的掺杂mos2/ingan层器件；
78.6)对步骤5)所述掺杂mos2/ingan层器件旋涂光刻胶，光刻出含电极形状的器件；
79.7)对步骤6)所述含电极形状的器件用分子束蒸发设备蒸镀ti/au电极，厚度分别为40/100nm，得到含电极层的器件；
80.8)对步骤7)所述含电极层的器件未曝光的光刻胶进行剥离、清洗处理，得到所述的mg掺杂增强tmds基可见光探测器器件。