一种高性能光电探测器的制备方法

1.本发明属于光电材料与器件技术领域，具体涉及一种高性能光电探测器的制备方法。


背景技术：

2.具有独特结构和物理性能的二维(2d)材料是下一代高性能光电探测器中急需开发的材料。二维过渡金属二卤化物(tmdc)由于其可调谐的带隙和优异的光电性能，在光探测应用中也引起了越来越多的关注。其中，二硒化钼(mose2)作为tmdc系列材料中不可或缺的候选者，具有1.55ev的直接带隙、较强光致发光和较大的激子结合能。与其他tmdc相比，它表现出更好的光吸收(5％-10％)，这有利于灵敏的光探测。
3.然而，与其他tmdc类似，mose2也存在杂质、散射和结构缺陷，这大大限制了器件性能。对于mose2光电探测器，由于可控掺杂的困难，很难实现高光电性能。由此，需要开发有效的方法改善器件性能。近年来尽管采用了异质结和同质结结构，但是还面临着探测器检测率低的问题。此外，这些方法的制备过程复杂且难以控制，并且这些策略主要集中在改进一个性能参数上，却牺牲了其他的性能参数。除了结构工程，器件性能还受到mose2内部固有缺陷和界面杂质的限制。这不仅导致光电探测器中出现较大的迟滞和延迟响应动力学，而且还导致严重的不稳定性问题。因此需要采用新的方法去构建高性能的mose2光电器件。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：提供一种高性能光电探测器的制备方法，解决现有二硒化钼光电探测器存在结构缺陷、不稳定性、低光响应的问题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种高性能光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
7.s1、使用透明胶带将机械剥离的mose2薄片转移到衬底上，首先通过光刻对衬底进行图案化处理，然后通过电子束在衬底上沉积金电极，并通过丙酮洗去未图案化电极部分，得到mose2光电器件，光刻时采用反刻胶对衬底进行图案化处理，分别进行4.5秒的前曝和90秒的泛曝，电子束沉积在衬底上金电极厚度为60nm，沉积速率为20nm/h；
8.s2、将步骤1将所制备的光电器件在氩气气氛中进行退火处理，退火温度300℃，退火时间3个小时，升温速率20℃/min；
9.s3、再通过反应离子刻蚀机在mose2光电器件的mose2薄片上进行o2等离子体处理，为了防止在mose2纳米片上过度蚀刻，mose2薄片被处理两次，每次o2等离子体处理15秒，间隔10秒，最终制得mose
2-o2光电探测器。
10.在上述方案中，所述步骤s3中，进行o2等离子体处理时，控制反应离子刻蚀机的压力为470m torr，氧气流量为5sccm，功率为20mw。
11.在上述方案中，所述衬底为二氧化硅-硅(sio2/si)衬底。
12.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
13.1、本发明中，对mose2薄片进行o2等离子体处理后，氧原子被化学吸附在mose2的表面上形成mo-o和se-o键，键合氧原子提供富电子的气氛，可以有效地减少本征硒空位，调节mose2的本征性质，从而降低带隙，增强光吸收。
14.2、本发明中，对mose2薄片进行o2等离子体处理，控制反应离子刻蚀机的压力为470m torr，氧气流量为5sccm，功率为20mw，保证了mose2不被过度刻蚀，确保o2等离子体只是对mose2内部缺陷钝化。由于mo-o和se-o键形成的氧化层还起到保护层的作用，防止空气中的氧气和水分与内部mose2发生反应。经o2等离子体处理后mose2内部产生强大的内建电场，有效地抑制了光载流子的复合，明显提升光电性能，制备的mose
2-o2光电探测器响应时间为52μs，高响应率达889ma w-1
，探测率接近3.37
×
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jones。同时，得益于se-mo亚晶格中o原子的微扰,收缩了带隙能量，mose
2-o2光电探测器具有更好的近红外响应，除了可见光检测外，mose
2-o2光电探测器的响应光谱可以进一步扩展到近红外(λ＝980nm)，使其可以在近红外(nir)区域工作。
15.3、本发明中，将所制备的光电器件在300℃的氩气气氛中退火，有效改善了金电极和mose2之间的欧姆接触。
附图说明
16.图1为本发明氧等离子作用mose2示意图；
17.图2为本发明mose
2-o2光电探测器示意图；
18.图3为本发明mose
2-o2光电探测器与mose2光电探测器在850nm光照下，光响应性能对比图；
19.图4为本发明mose
2-o2光电探测器在980nm光照下光响应图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
21.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
22.应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
25.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.一种高性能光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
27.s1、使用透明胶带将机械剥离的mose2薄片转移到衬底上，首先通过光刻对衬底进行图案化处理，然后通过电子束在衬底上沉积金电极，并通过丙酮洗去未图案化电极部分，得到mose2光电器件，光刻时采用反刻胶对衬底进行图案化处理，分别进行4.5秒的前曝和90秒的泛曝，电子束沉积在衬底上金电极厚度为60nm，沉积速率为20nm/h；
28.s2、将步骤1将所制备的光电器件在氩气气氛中进行退火处理，退火温度300℃，退火时间3个小时，升温速率20℃/min；
29.s3、再通过反应离子刻蚀机在mose2光电器件的mose2薄片上进行o2等离子体处理，为了防止在mose2纳米片上过度蚀刻，mose2薄片被处理两次，每次o2等离子体处理15秒，间隔10秒，最终制得mose
2-o2光电探测器。
30.进一步地，所述步骤s3中，进行o2等离子体处理时，控制反应离子刻蚀机的压力为470m torr，氧气流量为5sccm，功率为20mw。
31.进一步地，所述衬底为二氧化硅-硅衬底(sio2/si)。
32.本发明在实施过程中，使用透明胶带将机械剥离的mose2薄片转移到二氧化硅-硅衬底上，然后分别通过光刻和电子束沉积对金电极进行图案化和沉积。为了改善金电极和mose2之间的欧姆接触，将所制备的光电器件在300℃的氩气气氛中退火。最后通过反应离子刻蚀机在mose2薄片上进行o2等离子体处理。反应离子刻蚀机的压力、氧气流量和功率分别为470m torr、5sccm和20mw。压力、氧流量和功率的控制可以保证mose2不被过度刻蚀，而是对mose2内部缺陷的钝化。由于mo-o和se-o键形成的氧化层还起到保护层的作用，防止空气中的氧气和水分与内部mose2发生反应。因此，经o2等离子体处理的mose2表现出显著改善的性能。在mose2内部产生强大的内建电场，有效地抑制了光载流子的复合，明显提升光电性能，制备的mose
2-o2光电探测器响应时间为52μs，高响应率达889ma w-1
，探测率接近3.37
×
10
14
jones。同时，得益于se-mo亚晶格中o原子的微扰，收缩了带隙能量，mose
2-o2光电探测器具有更好的近红外响应，除了可见光检测外，mose
2-o2光电探测器的响应光谱可以进一步扩展到近红外(λ＝980nm)，使其可以在近红外(ni r)区域工作。
33.实施例1
34.一种高性能光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
35.s1、使用透明胶带将机械剥离的mose2薄片转移到衬底上，首先通过光刻对衬底进行图案化处理，然后通过电子束在衬底上沉积金电极，并通过丙酮洗去未图案化电极部分，得到mose2光电器件，光刻时采用反刻胶对衬底进行图案化处理，分别进行4.5秒的前曝和90秒的泛曝，电子束沉积在衬底上金电极厚度为60nm，沉积速率为20nm/h；
36.s2、将步骤1将所制备的光电器件在氩气气氛中进行退火处理，退火温度300℃，退火时间3个小时，升温速率20℃/min；
37.s3、再通过反应离子刻蚀机在mose2光电器件的mose2薄片上进行o2等离子体处理，为了防止在mose2纳米片上过度蚀刻，mose2薄片被处理两次，每次o2等离子体处理15秒，间隔10秒，最终制得mose
2-o2光电探测器。
38.实施例2
39.在实施例1的基础上，所述步骤s3中，进行o2等离子体处理时，控制反应离子刻蚀机的压力为470m torr，氧气流量为5sccm，功率为20mw。
40.实施例3
41.在实施例1的基础上，所述衬底为二氧化硅-硅衬底(sio2/si)。
42.如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。