一种基于二维过渡金属硫化物半导体的新型激子调控器件及其制备方法和调控方法

1.本发明涉及激子设备技术领域，尤其涉及一种基于二维过渡金属硫化物半导体的新型激子调控器件及其制备方法和调控方法。


背景技术：

2.现代信息化社会发展至今，集成电路的发展实现了众多领域的技术革新。对于日益增长的通信速度的需求使得人们不断探索新的技术手段。在这方面的激子设备体现出独特的潜力。这些设备将光转换为激子，通过电场或磁场操纵激子，并将激子转换回光，由于在计算设备与传输设备之间不需要电光转换，有望实现通信速度的加快。特别重要的是基于间接激子的设备，相比于直接激子具有更长的(两个数量级)寿命。但激子在室温下的输运长度仍然十分有限(十微米以下)，这限制了激子在电路上的应用。寻找新的材料和结构来实现激子传输距离和发光强度的提升成为解决问题的关键。
3.原子级厚度的二维材料，如石墨烯和单层过渡金属硫族化合物(tmds)，由于其独特的能带结构、电子学特性、降维性和晶体对称性而表现出显著的物理性质。半导体过渡金属硫族化合物家族是二维系统基础研究的一个特别有前途的平台，其在单层极限上的直接带隙和高效的光物质耦合，在光电子和谷电子学中具有潜在的应用前景。具有破坏反转对称性的晶格与强自旋轨道相互作用相结合，导致了自旋和谷自由度的独特组合。此外，单分子层的二维特性和来自环境的弱介电屏蔽也显著增强了库仑相互作用。由此产生的束缚电子-空穴对或激子的形成，支配着材料的光学和自旋性质。利用以上性质，此类材料可用于光探测器、场效应晶体管、高效微纳传感器和光电子电路等微纳光电器件中。对于激子的研究是过渡金属硫族化合物的一个重要研究方向。半导体带间跃迁过程中吸收光子，分别在导带和价带产生电子和空穴，他们之间由于库伦相互作用结合在一起产生的电子空穴对被称为激子。激子对外不显电性，在形成后可以在材料内部自由移动，到达边界后可发生辐射复合放出光子，从而实现信号的快速传输。对于激子发光强度的调控手段主要包括衬底、温度、应力、外加电场、化学掺杂等，但受限于调控范围不大、材料本身受损、调控不可逆等问题。对激子的强度以及输运的室温调控仍然无法满足现代科技的需求。因此，现有室温下对半导体材料内的电子空穴对，即激子(包括层内激子和层间激子)输运调控距离较短、荧光强度较弱这一技术难题亟需解决。


技术实现要素：

4.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种基于二维过渡金属硫化物半导体的新型激子调控器件及其制备方法和调控方法，其解决了现有技术中存在的室温下对半导体材料内的电子空穴对，即激子(包括层内激子和层间激子)输运调控距离较短、荧光强度较弱的问题。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
6.一种基于二维过渡金属硫族化物半导体的新型激子调控器件，包括sio2衬底，所述sio2衬底上设有封装层，所述封装层上设有金属硫族化物层，所述金属硫族化物层上设有石墨烯层，在所述sio2衬底上还制备有金属电极，所述石墨烯层连接金属电极和金属硫族化物层。
7.本发明进一步设置为：所述金属硫族化物为wse2或wse
2-mos2异质结。
8.本发明进一步设置为：所述封装层为h-bn。
9.本发明进一步设置为：所述sio2衬底重掺杂si。
10.本发明还提供了一种基于二维过渡金属硫族化物半导体的新型激子调控器件的制备方法，包括以下步骤：
11.s1，在sio2衬底上利用光刻、蒸发镀膜和lift-off工艺制备出金属电极；
12.s2，制备pc转移膜；
13.s3，将石墨烯层转移到pc转移膜上；
14.s4，将金属硫族化物层转移到pc转移膜的石墨烯层上；
15.s5，将封装层转移到pc转移膜的金属硫族化物层上，然后将上述pc转移膜附在带有金属电极的sio2衬底上得到调控器件样品。
16.本发明还提供了一种基于二维过渡金属硫族化物半导体的新型激子调控器件的调控方法，其中编程过程为，利用405nm激光辐照和栅压同时作用使h-bn中的电子空穴对被激发并且使电子或空穴在电场的作用下转移到单层材料或异质结中，在h-bn中留下带另一种电性的粒子。
17.本发明进一步设置为：其中读取过程为，撤去栅压和光照时，利用532nm的激光对其进行pl光谱探测，读取pl强度及利用光谱仪的成像模式对异质结层间激子的边界发光现象进行探测。
18.本发明进一步设置为：其中擦除过程为，利用与编程过程反号的栅压及405nm激光辐照对器件进行擦除，此时载流子在层间的传输过程与编程过程相反，使两层材料内部的载流子中和。
19.本发明具有以下优点：
20.1、通过源漏栅电极配合光掺杂调控二维过渡金属硫族化物导电沟道的掺杂浓度，利用光照激发bn缺陷中的电子空穴，通过栅压实现电子空穴在材料间的传输，通过使掺杂剂与导电沟道分离来保持导电沟道高迁移率并实现对激子强度的调控。
21.2、利用光掺杂的灵活编程擦除特点，实现源漏极和栅极双输入控制的激子光电调控器件。采用二维过渡金属硫族化物半导体材料作为导电沟道，结合其量子产率较高的特点，利用光掺杂调控荧光强度，实现宽调控范围，长存储时间。
22.3、采用pc低温干法转移，实现上下介质层与二维过渡金属硫族化物异质结范德华超洁净界面接触，有效保持沟道材料的激子发光，并提升器件的输运特性。
附图说明
23.图1为单层wse2激子器件结构示意图；
24.图2为mos2/wse2异质结器件结构示意图；
25.图3为wse2激子光电调制器件在编程栅压为-10v的光掺杂过程的光谱调控曲线；
26.图4为wse2激子光电调制器件在编程栅压为-20v的光掺杂过程的光谱调控曲线；
27.图5为wse2激子光电调制器件在编程栅压为-30v的光掺杂过程的光谱调控曲线；
28.图6为wse2激子光电调制器件多位光谱存储曲线。
具体实施方式
29.下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
30.实施例1：
31.一种基于二维过渡金属硫族化物半导体的新型激子调控器件，如图1所示，包括sio2衬底，此sio2衬底重掺杂si。在sio2衬底上设有封装层，此封装层为h-bn层。在封装层上设有金属硫族化物层，此金属硫族化物层为wse2层。在金属硫族化物层上设有石墨烯层，在sio2衬底上还制备有金属电极，石墨烯层连接金属电极和金属硫族化物层。
32.此种基于二维过渡金属硫族化物半导体的新型激子调控器件的制备方法为：
33.s1，在sio2衬底上利用光刻、蒸发镀膜和lift-off工艺制备出金属电极。首先在重掺杂的si/sio2衬底光刻出间隔5um、宽10um的条状掩膜图形，然后采用热蒸发镀膜机以的速率在衬底上沉积50nm厚的au-cr混合薄膜，随后将衬底浸入丙酮溶液30min后lift-off制得图形化的au-cr电极。
34.s2，制备pc转移膜。首先制备出质量分数为10％的pc水溶液，然后取5ml溶液滴于清洗干净的透明玻璃片上，随后置于温度为50℃的加热板烘10min，得到pc膜。然后刀片划取3mm
×
3mm的pc膜和3mm
×
3mm的pdms衬底，先将pdms衬底粘附在一块透明玻璃片上，然后将菜切好的pc膜放置在pdms衬底上，由此获得pc转移膜。
35.s3，将石墨烯层转移到pc转移膜上。采用机械剥离法从石墨烯晶体中获得厚度为10nm的石墨烯层样品，机械剥离法为采用透明胶带对石墨烯晶体材料进行多次剥离。然后将实施过剥离的透明胶带黏附在干净的sio2衬底上2h后，揭下透明胶带，即可在干净的sio2衬底上制备10nm的石墨烯层。然后在显微镜和三维位移平台的辅助下，先将样品台加热至50℃，再利用pc转移膜的一角缓慢均匀地贴附到干净的sio2衬底的石墨烯层上，待加热台冷却至室温，缓慢抬起玻璃片，实现石墨烯层到pc膜的干法转移。
36.s4，将金属硫族化物层转移到pc转移膜的石墨烯层上。采用机械剥离法从wse2晶体中获得厚度为0.6nm的wse2单层样品，然后在显微镜和三维位移平台的辅助下，先将样品台加热至50℃，再利用pc转移膜的一角缓慢均匀地贴附到干净的sio2衬底的wse2单层样品上，待加热台冷却至室温，缓慢抬起玻璃片，实现金属硫族化物层wse2到pc膜的干法转移。
37.s5，将封装层转移到pc转移膜的金属硫族化物层上，然后将上述pc转移膜附在带有金属电极的sio2衬底上得到调控器件样品。首先采用机械剥离法从h-bn晶体中获得厚度为10nm的h-bn层样品，然后在显微镜和三维位移平台的辅助下，先将样品台加热至50℃，再利用pc转移膜的一角缓慢均匀地贴附到干净的sio2衬底的h-bn层样品上，待加热台冷却至室温，缓慢抬起玻璃片，实现h-bn层到pc膜的干法转移。随后将样品台加热至180℃，将此附着了石墨烯层、wse2层和h-bn层的pc膜对准制备好的金属电极，缓慢均匀地贴附到带有金属电极的sio2衬底并一起落于此衬底，最后得到表面附有pc膜的器件样品。
38.此种基于二维过渡金属硫族化物半导体的新型激子调控器件的调控方法包括编程-读取-擦除；其中，编程过程为：利用背栅si衬底施加负栅压的同时给器件施加一个全局
激光辐照，从而实现器件的编程；具体为利用405nm激光辐照和栅压同时作用使h-bn中的电子空穴对被激发并且使电子或空穴在电场的作用下转移到单层材料中，在h-bn中留下带另一种电性的粒子。读取过程为：在编程过程完成后，将栅压和激光关闭，通过光学方法来读出此时材料的掺杂状态；具体为撤去栅压和光照时，利用532nm的激光对其进行pl光谱探测，读取pl强度及利用光谱仪的成像模式对层内激子的边界发光现象进行探测。擦除过程为：通过对器件施加正栅压和激光辐照来完成擦除；具体为利用与编程过程反号的栅压及405nm激光辐照对器件进行擦除，此时载流子在层内的传输过程与编程过程相反，使材料内部的载流子中和。
39.实施例2：
40.一种基于二维过渡金属硫族化物半导体的新型激子调控器件，如图2所示，包括sio2衬底，此sio2衬底重掺杂si。在sio2衬底上设有封装层，此封装层为h-bn层。在封装层上设有金属硫族化物层，此金属硫族化物层为wse
2-mos2异质结层。在金属硫族化物层上设有石墨烯层，在sio2衬底上还制备有金属电极，石墨烯层连接金属电极和金属硫族化物层。
41.此种基于二维过渡金属硫族化物半导体的新型激子调控器件的制备方法为：
42.s1，在sio2衬底上利用光刻、蒸发镀膜和lift-off工艺制备出金属电极。首先在重掺杂的si/sio2衬底光刻出间隔5um、宽10um的条状掩膜图形，然后采用热蒸发镀膜机以的速率在衬底上沉积50nm厚的au-cr混合薄膜，随后将衬底浸入丙酮溶液30min后lift-off制得图形化的au-cr电极。
43.s2，制备pc转移膜。首先制备出质量分数为10％的pc水溶液，然后取5ml溶液滴于清洗干净的透明玻璃片上，随后置于温度为50℃的加热板烘10min，得到pc膜。然后刀片划取3mm
×
3mm的pc膜和3mm
×
3mm的pdms衬底，先将pdms衬底粘附在一块透明玻璃片上，然后将菜切好的pc膜放置在pdms衬底上，由此获得pc转移膜。
44.s3，将石墨烯层转移到pc转移膜上。采用机械剥离法从石墨烯晶体中获得厚度为10nm的石墨烯层样品，机械剥离法为采用透明胶带对石墨烯晶体材料进行多次剥离。然后将实施过剥离的透明胶带黏附在干净的sio2衬底上2h后，揭下透明胶带，即可在干净的sio2衬底上制备10nm的石墨烯层。然后在显微镜和三维位移平台的辅助下，先将样品台加热至50℃，再利用pc转移膜的一角缓慢均匀地贴附到干净的sio2衬底的石墨烯层上，待加热台冷却至室温，缓慢抬起玻璃片，实现石墨烯层到pc膜的干法转移。
45.s4，将金属硫族化物层转移到pc转移膜的石墨烯层上。采用机械剥离法从wse2晶体中获得厚度为0.6nm的wse2单层样品，从mos2晶体中获得厚度为0.6nm的mos2单层样品，混合wse2与mos2形成wse
2-mos2异质结层，然后在显微镜和三维位移平台的辅助下，先将样品台加热至50℃，再利用pc转移膜的一角缓慢均匀地贴附到干净的sio2衬底的wse
2-mos2异质结层样品上，待加热台冷却至室温，缓慢抬起玻璃片，实现金属硫族化物层wse
2-mos2异质结到pc膜的干法转移。
46.s5，将封装层转移到pc转移膜的金属硫族化物层上，然后将上述pc转移膜附在带有金属电极的sio2衬底上得到调控器件样品。首先采用机械剥离法从h-bn晶体中获得厚度为10nm的h-bn层样品，然后在显微镜和三维位移平台的辅助下，先将样品台加热至50℃，再利用pc转移膜的一角缓慢均匀地贴附到干净的sio2衬底的h-bn层样品上，待加热台冷却至室温，缓慢抬起玻璃片，实现h-bn层到pc膜的干法转移。随后将样品台加热至180℃，将此附
着了石墨烯层、wse
2-mos2异质结层和h-bn层的pc膜对准制备好的金属电极，缓慢均匀地贴附到带有金属电极的sio2衬底并一起落于此衬底，最后得到表面附有pc膜的器件样品。
47.此种基于二维过渡金属硫族化物半导体的新型激子调控器件的调控方法包括编程-读取-擦除；其中，编程过程为：利用背栅si衬底施加负栅压的同时给器件施加一个全局激光辐照，从而实现器件的编程；具体为利用405nm激光辐照和栅压同时作用使h-bn中的电子空穴对被激发并且使电子或空穴在电场的作用下转移到异质结材料中，在h-bn中留下带另一种电性的粒子。读取过程为：在编程过程完成后，将栅压和激光关闭，通过光学方法来读出此时材料的掺杂状态；具体为撤去栅压和光照时，利用532nm的激光对其进行pl光谱探测，读取pl强度及利用光谱仪的成像模式对异质结层间激子的边界发光现象进行探测。擦除过程为：通过对器件施加正栅压和激光辐照来完成擦除；具体为利用与编程过程反号的栅压及405nm激光辐照对器件进行擦除，此时载流子在层间的传输过程与编程过程相反，使两层材料内部的载流子中和。
48.本发明所描述的基于二维过渡金属硫化物半导体的激子光电调控器件，通过源漏栅电极配合光掺杂调控wse2导电沟道的掺杂浓度，利用光照激发bn缺陷中的电子空穴，通过栅压实现电子空穴在材料间的传输，通过使掺杂剂与导电沟道分离来保持导电沟道高迁移率并实现对激子强度的调控。其利用光掺杂的灵活编程擦除特点，实现源漏极和栅极双输入控制的激子光电调控器件。采用wse2二维过渡金属硫化物半导体材料作为导电沟道，结合其量子产率较高的特点，利用光掺杂调控荧光强度，实现宽调控范围，长存储时间，如图3-5所示。改变掺杂栅压来对器件实现多位非易失性激子存储器件，如图6所示。并且采用pc低温干法转移实现上下介质层与wse2/mos2范德华超洁净界面接触，有效保持沟道材料的激子发光并提升器件的输运特性。利用光掺杂调控激子发光强度，从而实现层间激子发光增强的光电子器件。
49.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。