[發明專利]一種柵壓可調的氧化鋅紫外光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110465733.2
• 申請日: 2021-04-28
• 公開（公告）號: CN113193071B
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發明（設計）人: 張躍;于慧慧;張錚;張先坤;高麗;洪孟羽;柳柏杉;肖建坤;湯文輝;李瑞山
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01L31/113
• 分類號: H01L31/113;H01L31/0392;H01L31/0296;H01L31/18;B82Y40/00;B82Y15/00
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理事務所(普通合伙) 11562
• 代理人: 張雪

本發明涉及紫外光電探測器技術領域，具體涉及一種柵壓可調的氧化鋅紫外光電探測器及其制備方法；所述柵壓可調的氧化鋅紫外光電探測器包括設置在底層的絕緣硅襯底，設置在絕緣硅襯底上的二維氧化鋅納米片層以及設置在二維氧化鋅納米片層上的電極層；所述電極層為互不相交的兩個金屬電極，兩個金屬電極的間隔位置形成氧化鋅溝道。進一步地，所述二維氧化鋅納米片層和每個金屬電極之間還設置有二維材料層，所述二維材料具有金屬性或半金屬性。本發明通過利用離子層外延法合成了超薄氧化鋅納米片，設計了一種可通過外界電場調控光電探測器性能的超薄氧化鋅紫外光電探測器。

技術領域

本發明涉及紫外光電探測器技術領域，具體涉及一種柵壓可調的氧化鋅紫外光電探測器及其制備方法。

背景技術

自2004年石墨烯被成功機械剝離以來，隨厚度減小可實現間接到直接帶隙轉變的二維半導體在電子和光電子領域引起了廣泛研究。二維材料由于其高吸光率、柔性透明和易于加工等優點，在光電子領域具有更大的優勢，也使得它們成為能與傳統硅基半導體器件互補的重要材料。高響應度、快速響應的紫外探測器在天文學、光通信等軍事和國防領域具有重要意義，然而傳統的商用紫外探測器(如硅、砷化鎵)由于其間接帶隙，通常需要高通濾光片和冷卻系統來實現紫外探測的功能，同時其響應度仍然很差(Si0.2A/W,GaAs1A/W)。更重要的，復雜的器件結構使得這些紫外探測器很難縮小到二維尺度。

大量研究表明，氧化鋅具有寬禁帶和獨特的半導體特性，是一種優良的紫外光響應材料。此外，隨著氧化鋅尺度的減小，由于量子約束效應，禁帶寬度增大，導致吸收截止邊藍移，這對于深紫外探測是有積極意義的。目前基于氧化鋅的紫外光電探測器形貌多為一維納米結構或由一維結構堆疊而成的納米薄膜，表面粗糙度較高，均一性較差，導致傳感器靈敏度有待進一步提升，因此通過各種方法提高傳感器靈敏度顯得尤為必要。目前制備的ZnO納米薄膜都是沉積在固定基底上，無法實現向任意基底的轉移，同時這些基底無法與CMOS工藝兼容以及利用外界電場對載流子行為進行調控，這也就限制了ZnO紫外光電探測器的多元化設計以及與其他二維光電子器件的面上集成。

公開號CN 106098804 B公開了一種石墨烯/氧化鋅單晶基片肖特基結紫外光電探測器及其制備方法，他們是在一層ZnO單晶基片上覆蓋一層石墨烯薄膜，ZnO底部沉積Ti/Au電極，石墨烯表面沉積Ag分別實現歐姆接觸，實現ZnO/Graphene的肖特基結型紫外光電探測器，主要利用的是石墨烯優異的透光性和導電性以及ZnO的較好的紫外光吸收。但是器件體積較大，響應時間較慢(τr/τd≈1s/22s)，同時由于沒有沉積柵介質層，器件無法通過施加外部柵壓進行性能調控。公開號CN 106847989 B公開了一種基于界面優化的氧化鋅納米棒陣列/聚乙烯咔唑/石墨烯雜化的纖維狀紫外光探測器及其制備方法，這種結構實質為纖維狀光電探測器，聚乙烯咔唑修飾使氧化鋅納米棒陣列表面變光滑，減少了對光生載流子的束縛作用，單層石墨烯做電極使得氧化鋅與電極形成面接觸，在提高光透過率的同時促進了載流子傳輸。這種器件結構抑制了暗電流，提高了響應度，但是響應時間仍舊很慢，同時氧化鋅(聚乙烯咔唑)與石墨烯形成的肖特基勢壘過大，使得器件呈現出整流的趨勢，這種器件結構同樣無法實現通過施加柵極電壓調控載流子濃度。公開號CN 104779314 B公開了一種基于氧化鋅的紫外光敏傳感器及其制備方法，該傳感器特點在于對叉指電極表面涂敷粘性導電纖維膜，來粘取氧化鋅納米顆粒做光吸收層，實現光電探測的目的，但是由于氧化鋅納米顆粒形成的納米薄膜是通過直接粘黏作用轉移到電極表面的，表面粗糙度以及平整度都很難保證均一，無法滿足二維硅基光電子器件可大面積集成的需求。申請號201610021014.0提供了一種納米氧化鋅/硅薄膜形成的p-n異型異質結高性能紫外光探測器，他是利用磁控濺射法在硅襯底上沉積氧化鋅薄膜，再蒸鍍金屬電極實現器件構筑，制備的氧化鋅單晶薄膜雖然結晶性較好，但是一旦沉積到硅表面就很難轉移到其他基底上，無法實現與其他材料的任意異質集成，同樣也無法施加外部電場進行載流子濃度調控。基于以上研究現狀，發展一種柵壓可調的與硅基半導體器件兼容的超薄氧化鋅紫外探測器的構筑方法對后續器件的異質集成十分重要。

發明內容