[發(fā)明專利]一種二氧化釩和二維半導體的結(jié)型光探測器及制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010126431.8
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111129186A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王建祿;蔣偉;孟祥建;沈宏;林鐵;褚君浩
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: H01L31/0336
• 分類號: H01L31/0336;H01L31/0352;H01L31/108;H01L31/109;H01L31/18
• 代理公司: 上海滬慧律師事務(wù)所 31311
• 代理人: 郭英

本發(fā)明公開了一種二氧化釩和二維半導體的結(jié)型光探測器及制備方法。該探測器首先通過磁控濺射在氧化鋁襯底上生長了一層均勻的二氧化釩薄膜，然后利用光刻掩膜和氬等離子體刻蝕技術(shù)將二氧化釩薄膜刻蝕成陣列，隨后通過干法轉(zhuǎn)移將二維半導體轉(zhuǎn)移到二氧化釩材料上，形成垂直結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)，隨后運用電子束光刻的方法結(jié)合剝離工藝在二氧化釩和二維半導體上制備金屬電極，形成垂直結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)型光探測器件。器件結(jié)構(gòu)自下而上為襯底、二氧化釩、二維半導體和金屬源漏電極。通過調(diào)控偏壓，該器件可實現(xiàn)P?N結(jié)和Bolometer轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)可見光至遠紅外波段光譜的探測，功耗低，靈敏度高，而且可在高溫環(huán)境中工作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種二氧化釩和二維半導體的結(jié)型光探測器件，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，以二硫化鉬(MoS₂)為代表的過渡金屬硫族化合物的出現(xiàn)，為光電探測領(lǐng)域的發(fā)展提供了契機。這類過渡金屬硫族化合物[Nature Nanotechnology 7,699(2012)]具有1eV-2eV的禁帶寬度，載流子有效遷移率可以高達幾百cm²V^-1s^-1，而且可以利用化學氣相沉積的方法實現(xiàn)大面積制備，這些優(yōu)異特性使得這類材料可以用于可見光的有效探測。事實上，基于二維半導體的光電探測器早已開始研究，并取得了較好的發(fā)展，比如基于二硫化鉬的光電探測器[Nature Nanotechnology 8,497(2013)]可以實現(xiàn)高靈敏的探測，探測率高達880A W^-1。

然而，過渡金屬硫族化合物在光電探測領(lǐng)域也并不是一帆風順，比如它的禁帶寬度限制了它在紅外光電探測器方面的應用，因為這類半導體本身的帶隙落在紫外至可見波段，雖然通過能帶工程能使其延伸到近紅外波段[Advanced Materials 27,6575(2015)]，但卻很難再進一步延伸。盡管現(xiàn)在也有其他的二維半導體，比如Bi₂SeO₂[NatureCommunications 9,3311(2018)]和BP[Nature Nanotechnology 10,707(2015)]，這些材料的禁帶寬度可調(diào)，通過厚度的控制可使其帶隙處于0.2-0.3eV，可對應到中波紅外區(qū)域，但這些材料的制備難度和空氣穩(wěn)定性卻抑制了他們的發(fā)展。此外,二維材料的厚度也限制了他對光的吸收，導致光電轉(zhuǎn)換效率較低，而厚的二維材料暗電流大，很難被完全抑制。基于以上分析，針對二維半導體在光探測器方面的應用，迫切需要通過器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和工藝的改進，增加光的吸收同時降低暗電流，并且延長探測波長。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決以上問題，本發(fā)明提出一種二氧化釩和二維半導體的結(jié)型光探測器件。該方法采用二氧化釩和較厚的、空氣穩(wěn)定的、帶隙較窄的二維半導體結(jié)合，通過構(gòu)建垂直型異質(zhì)結(jié)型器件，增加光吸收的同時降低暗電流。該器件在零偏壓下是P-N結(jié)型器件，可以探測到2微米波長的光；在正偏下可利用二氧化釩的bolometer特性，使探測波長延伸到長波紅外，實現(xiàn)了超寬光譜的探測；而在極端高溫環(huán)境中，該器件會轉(zhuǎn)變?yōu)樾ぬ鼗推骷瑥亩鴮崿F(xiàn)光探測，拓寬了光電探測器的應用領(lǐng)域。

本發(fā)明是一種二氧化釩和二維半導體的結(jié)型光探測器件及制備方法，其特征在于，器件自下而上依次為：

襯底1、二氧化釩2、二維半導體3、金屬源極4、金屬漏極5，

其中襯底1為厚度為500微米的氧化鋁，表面粗糙度為0.5納米；

其中二氧化釩2為厚度22納米的二氧化釩薄膜，表面粗糙度為1納米；

其中二維半導體3為過渡金屬硫族化合物，厚度為20-40納米；

其中金屬源極4、金屬漏極5為鉑和金電極，鉑厚度為15納米，金厚度為65納米。

本發(fā)明是一種二氧化釩和二維半導體的結(jié)型光探測器件及制備方法，其特征在于，制備方法包括以下步驟：