[發明專利]一種基于二維黑磷材料實現IGZO光電流調控的方法

有效

• 申請號: 201911421184.8
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111081820B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 南海燕;李大慶;邵楓;肖少慶;顧曉峰
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/0336
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 彭素琴

本發明公開了一種基于二維黑磷材料實現IGZO光電流調控的方法，屬于半導體器件領域。本發明提出了一種利用干法轉移技術制備IGZO?黑磷異質結構的方法，并且通過改變IGZO與黑磷之間的接觸方式，可以實現IGZO對不同激光波長光電流響應的調控，該方法中IGZO溝道和電極都借助掩膜版進行磁控濺射，重復性好且能夠實現大面積多器件的制備，黑磷樣品通過機械剝離法制備，厚度和尺寸均可控制，異質結的制備利用干法轉移技術，操作簡單，可控性強。該發明有利于推動IGZO薄膜在微納領域和半導體行業的發展。

技術領域

本發明涉及一種基于二維黑磷材料實現IGZO光電流調控的方法，屬于半導體器件領域。

背景技術

非晶銦鎵鋅氧化物(簡稱IGZO)是一種新型透明氧化物半導體材料，具有較寬的帶隙(～3.5eV)、高遷移率(～35.8cm²V^-1s^-1)、較低的制備溫度和極高穩定性等特性，是目前顯示技術領域的研究熱點，同時也被認為是柔性顯示技術、柔性可穿戴電子技術以及新型傳感技術發展中的一種重要材料。2004年Hosono和Nomura等研究人員在室溫條件下第一次利用IGZO實現了柔性襯底PET全透明薄膜晶體管(TFT)的制備，其場效應遷移率超過10cm²V^-1s^-1，比之前報道的硅晶體管高了一個數量級。很快該材料的研究得到了全球范圍內研究者和顯示面板廠商的關注。目前，基于IGZO TFT的高分辨中小尺寸顯示屏已實現量產，夏普公司生產的IGZO面板已應用于高端移動終端設備。

基于IGZO的柔性光電器件在工業、醫療、民用、航天、國防及軍事等各個領域都有著極其廣泛的應用。但是隨著研究的深入，人們發現IGZO雖然具有較好的電學特性如高遷移率等，但原子無序性排列會使物質結構中存在許多缺陷，這些缺陷態在外界偏壓、光照等的作用下與導帶電子發生作用或者自身性質發生變化，會對載流子的輸運和材料的穩定性產生極大的影響，導致器件光電性能的不穩定。同時，由于光電探測器是一種能夠將輻射光信號轉換為電信號的半導體器件，光電流的大小直接對應著轉換效率的高低，即調控光電流的大小便能夠有效地實現器件對外界光敏感度的調節。在實際應用中，不同場合對光電器件靈敏性的要求不同，比如對于普通可見光范圍內的光電探測器，希望對光具有非常強的響應，即光電流和響應度應該高；而對于航天或者國防等軍事中的探測器，更希望器件在可見光內對光不敏感，即幾乎不響應以保持穩定，而在特定的日盲紫外區或者深紅外區有著較強的響應。因此，對光電器件而言，其光電性能的調控是至關重要的。

常規半導體光電器件性能調控的方法有摻雜、制備周期性陣列結構、選用不同的接觸電極材料等。例如目前對于IGZO器件性能調控的方法主要集中在器件結構的改變，例如制備厚度不同的周期性結構、構造不同形貌(柱狀、矩形狀等)的結構；器件電極相對位置的改變，例如反交疊背柵，反交疊頂柵，共面背柵以及共面頂柵結構；器件電極材料的選擇，例如Ti/Au，IZO，Al，Cu等金屬材料。同時在不同溫度下退火處理不同時間也是調控IGZO器件性能常用的方法。然而，上述常用的方法不僅操作復雜，也很難實現光電流的提升。

自2014年二維半導體材料黑磷被發現后，由于其高遷移率(1000cm²V^-1s^-1)、高開關比(10³-10⁵)及近紅外的高吸收率迅速的引起了大家的廣泛研究。但研究發現，單層及薄層(十層以內)的黑磷在空氣易被氧化分解，不太穩定。同時，黑磷器件在近紅外波段的光電響應較弱，極大地限制了其在電子和光電子領域中的應用。

基于異質結結構調控光電性能是二維半導體光電器件常用的調控手段，例如通過黑磷-石墨烯異質結實現黑磷響應時間的加快；通過黑磷-XY2(X＝Mo,W；Y＝S,Se)異質結實現響應波長的拓寬和響應度的提高；通過黑磷-硫化錸異質結實現器件在紫外波段的超強超快響應等。但是上述異質結構都是基于二維材料間實現的，樣品尺寸小、異質結的轉移和器件的制備過程比較復雜，并且器件性能不夠穩定。

發明內容