一种基于范德华金属电极的自驱动超快光电探测器构筑方法

1.一种基于范德华金属电极的自驱动超快光电探测器构筑方法，不需要外接电源，自驱动探测，具有高的灵敏度和超快速的光响应。本发明属于微电子半导体材料光电探测领域，具体涉及一种基于范德华金属电极的自驱动超快光电探测器构筑及其制备方法。


背景技术：

2.光探测器作为光电器件的重要组成部分，是将光信号转换成电信号的装置。光电探测器用途广泛，涵盖军事和国民经济的各个领域，应用于成像、光通信、传感、和生物医学技术。如在可见光和近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、导弹尾焰探测等。常规的半导体光电探测器存在响应度低、响应速率慢、探测灵敏度低等问题制作，制作过程复杂且昂贵。例如，基于硅、砷化镓及硫化铅等半导体材料的传统光电探测器普遍存在响应范围窄、灵敏度不够高、需要消耗能源、环境不友好等问题，越来越无法满足工作需要。因此，进一步开发具有能源节约型的自驱动快速光响应的光电探测器对其发展具有重要意义。二维材料组装的异质结界面几乎没有晶格匹配限制，能保证界面间的有效电荷转移，保证了自驱动器件的持续工作。在本专利中，我们构建了基于二维层状材料wse2作为通道材料的金属(fe3gete2)-半导体(wse2)-金属(graphene)光电探测器。在此结构中不同范德华金属电极与沟道材料的wse2接触长度存在差异，形成非对称的几何接触形状，获得不同的肖特基势垒高度。从而形成有效的结区内部电场，产生自驱动电流。此种结构的光电探测器具有结构简单、暗电流几乎为零、响应度高、响应速率快、灵敏度高等特点。适用于无外接电源的室外环境、可穿戴式医疗监护、超快的光电传感器等。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提出一种基于范德华金属电极的自驱动超快光电探测器构筑方法。
4.光电探测器至少包括硅/二氧化硅衬底，二维金属fe3gete2及graphene，沟道材料wse2组成的异质结，还包括必要的金属电极及电极黏附层。在硅衬底上为二氧化硅层，二氧化硅层上为金属(fe3gete2)-半导体(wse2)-金属(graphene)异质结，其中fe3gete
2-wse
2-graphene异质结中fe3gete2在底层，二维金属graphene在沟道材料wse2的顶层，中间层为沟道材料wse2，并行在二氧化硅层上形成垂直结构的异质结。在二维金属fe3gete2及graphene上分别通过电极黏附层粘结有金属电极，形成源漏电极，构筑光电探测器，具有自驱动、超快的光电响应。
5.本发明的目的在于通过形成非对称的二维金属电极接触，得到与中间层沟道材料wse2不同的肖特基势垒高度。从而形成有效的结区内部电场，产生自驱动电流，实现自驱动的超快光电探测器。
6.所述衬底为二氧化硅层，其结构为垂直堆叠，二氧化硅作为底栅介质层。
7.探测器的源漏电极分别压在二维金属fe3gete2及graphene上。
8.一种基于范德华金属电极的自驱动超快光电探测器构筑方法，其特征在于，按下述步骤进行：
9.(1)切割并清洗带有氧化层的硅片，切割后，硅片表面没有划痕，硅片尺寸为1.5cm
×
1.5cm左右。用丙酮、异丙醇和去离子水依次顺序超声各20min，用氮气吹干后备用。
10.(2)采用机械剥离的方法剥离二维金属材料及沟道材料。将撕开好的胶带黏着在硅片上，放在恒温加热板上，90℃加热2.5min烘烤后取下，等待片子冷却后，将胶带沿一个方向撕下，完成机械剥离过程。
11.(3)在显微镜下找到大小适中，厚度均匀的长方形样品，采用紫外曝光机光刻，用电子束蒸镀金电极，得到贯穿样品的平行电极。
12.其中，优选地，所述步骤(1)中衬底的氧化层厚度为280-300nm，衬底厚度为500μm掺杂p型硅，电阻率0.001-0.005ω
·
cm。
13.其中，优选地，所述步骤(2)中胶带的对折和撕开次数范围为10-15次。胶带转移样品过程中需通过pdms进行，pdms的厚度在0.5-3mm，恒温加热板的温度保持在90-120℃。
14.其中，优选地，所述步骤(3)中需对样品涂胶，光刻机旋涂涂胶的转速分低速300-600r/min和高速挡3000-10000r/min。
15.其中，优选地，所述步骤(3)中需对样品涂胶，所述的光刻机旋涂涂胶的厚度为0.5-3μm。
16.其中，优选地，所述步骤(3)中所述大小适中，厚度均匀的长方形样品，长宽分别为10-60μm和5-20μm，厚度为0.3nm-40nm。
17.其中，优选地，所述步骤(3)中所述电极为贯穿样品的平行电极，电极间距为所述探测器源漏电极的沟道宽度为3-50μm。
18.其中，优选地，所述步骤(3)中所述的电极为ti/au电极，采用电子束蒸镀沉积ti为10-30nm厚度的金属，au为50-100nm厚度的金属。
19.与现有技术相比，基于范德华金属电极的自驱动超快光电探测器构筑的优点在于：
20.(1)本发明的垂直异质结探测器件结构，具有很好的整流特性，具有较大的正反向电流开关比，还具有与传统硅探测器相比较高的光响应速度及光电流，综合利用fe3gete2和graphene的良好界面接触，产生高效的电荷转移以及wse2的吸光特性，产生高的量子吸收效率，生成自驱动的光电流，获得超快的光电响应。
21.(2)本发明中的异质结材料直接在硅/二氧化硅层衬底上原位制备，方法简易。与转移制备异质结探测器沟道材料的方法相比，可以获得更加洁净的界面，免去了转移过程带来的机械应力以及人为操作损伤，并且缩短了制备的周期，降低了制备难度。
附图说明
22.图1为本发明的fe3gete
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2-graphene异质结光电导探测器结构示意图。
23.图2为本发明的fe3gete
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2-graphene异质结光电导探测器633nm的红光光电测试i-v曲线。
24.图3为本发明的fe3gete
2-wse
2-graphene异质结光电导探测器633nm的红光光电测
试打开光源的i-t曲线
25.图4为本发明的fe3gete
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2-graphene异质结光电导探测器633nm的红光光电测试关闭光源的i-t曲线。
具体实施方式
26.下面结合附图和实例对一种基于范德华金属电极的自驱动超快光电探测器构筑的制备方法进一步说明，但不作为对本发明的限制。以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
27.如图3所示，本实施例公开了一种基于范德华金属电极的自驱动超快光电探测器构筑方法，异质结包括设置在sio2/si衬底层2上的fe3gete2层3以及graphene层6，fe3gete2层3以及graphene层6中间为沟道材料wse2层7，fe3gete2层3上设置有1个ti/au制成的金属电极4作为源极，graphene层6上设置有1个ti/au制成的金属电极5作为漏极。sio2/si衬底层包括设置在sio2层2以及设置在sio2层2下方的掺杂导电si层1。
28.fe3gete
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2-graphene异质结自驱动光电导探测器的制备方法：步骤一，二维金属fe3gete2层3以及graphene层6和沟道材料wse2层7通过聚二甲基硅氧烷pdms干法转移方式，具体的，干法转移具体步骤为，二维材料放到胶带上，对折胶带和撕开，重复对折和撕开过程15次。将撕开好的胶带黏着在硅片上，放在90℃恒温加热板上，烘烤2.5min后取下，等待3min片子冷却后，将胶带沿一个方向撕下，完成机械剥离过程。在显微镜下找到大小适中，厚度均匀的几何形状规则的长方形样品，使用台阶仪测量样品的厚度，保证样品厚度不超过100nm，使用显微镜测量其大小，保证长和宽不小于5μm。备好的聚二甲基硅氧烷pdms剪切为矩形块，本发明一个实施例中，聚二甲基硅氧烷pdms裁剪为1cm
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1cm大小，利用聚二甲基硅氧烷pdms与二维材料之间的黏附力小于二维材料之间的黏附力，使三种二维材料fe3gete2、wse2、graphene叠加到一起。步骤二，在fe3gete2/graphene上设置ti/au材质的金属电极4/5。使用匀胶机，将光刻胶均匀地旋涂在硅片上，匀胶机的转速分低速500r/min和高速挡4000r/min，时间分别为10s和50s。将匀胶完成后的样品放到加热台上加热3min，然后选择平行的电极掩膜版，采用紫外曝光的方法使光刻胶变性。将紫外曝光后的样品放入显影液中，去除未曝光的光刻胶，光刻出平行电极图案，显影时间控制在33s，显影完成后用去离子水清洗干净，然后烘干。采用电子束蒸镀沉积ti/au各10nm、50nm，沉积速度保持在沉积完成后，用丙酮腐蚀光刻胶后显露出贯穿样品的平行电极。至此，器件制备过程完成。
29.图2、图3以及图4为fe3gete
2-wse
2-graphene异质结自驱动光电导探测器的光电测试曲线。图2为加光与不加光时的电流变化曲线，可以看到曲线为典型的二极管正向导通，反向截止的i-v曲线，并且在光照下电流增大，器件表现明显的光电效应。可以明显的看到，当外加电压为0v时，在光照下可以产生大小为30na的自驱动电流。图3为异质结光电探测器的打开光源的光电测试i-t曲线。光照时电流增大，并逐渐恢复到稳定状态。测试异质结光导探测器在光功率密度为156.9mw/cm2时，在633nm的红外激光照射下，最响应时间在4.1
×
10-4
秒。图4为异质结光电探测器的关闭光源的光电测试i-t曲线。关闭光照时电流减小，无光时，电流减小并逐渐恢复到稳定状态。并测试异质结光导探测器最响应时间在5.2
×
10-4
秒。上述探测器测试在外接到具有输入、输出及源表于一体的半导体参数分析仪b1500a上进行的。本实验通过转移方式构造异质结，成本低，并发现构造的fe3gete
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2-graphene异质结自驱动光电导探测器具有明显的光电导效应，稳定的自驱动电流以及快速的光电响应。这在二维材料器件关于下一代自驱动超快光电探测器的发展应用方面具有一定的指导意义。
30.以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。