[發明專利]一種基于絕緣層上硅襯底的二維材料/硅異質結陣列及其制備方法

在審

• 申請號: 202210049787.5
• 申請日: 2022-01-17
• 公開（公告）號: CN114530469A
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 徐楊;寧浩;吳少雄;呂建杭;劉粒祥;陳麗;汪曉晨;俞濱
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L31/0336;H01L31/109;H01L31/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種基于絕緣層上硅襯底的二維材料/硅異質結陣列及其制備方法，包括組成陣列的若干異質結單元。異質結單元為二維材料/硅的垂直異質結，陣列是異質結單元的面陣陣列。制備方法為在絕緣層上硅襯底上通過刻蝕頂硅的方式形成圖形化的頂硅條帶，再依次沉積絕緣層、制作電極、刻蝕出硅窗口及硅接觸孔，再將二維材料轉移至硅窗口并圖形化。本發明通過二維材料與硅的垂直異質結拓寬吸收波段、增強光吸收。本發明的異質結陣列中，每一列/行異質結共用同一條頂硅條帶，每一行/列異質結的二維材料接觸電極相互連接，組成一條該行/列的頂電極布線。本發明實現了二維材料/硅異質結器件的陣列制作，為二維材料和硅的大規模集成提供了方案。

技術領域

本發明屬于光電探測技術領域，涉及一種基于絕緣層上硅襯底的二維材料/硅異質結陣列及其制備方法。

背景技術

光電探測技術在食品檢測、物質識別、醫藥研究、生化檢測、環境安防、無線通信等領域具有廣泛的應用。制備大面積高質量單晶硅的工藝已經非常成熟，在可見光領域，硅的光電探測器已經應用在各個方面。然而在紫外、紅外以及高速的場景下，僅僅依靠硅光電探測器難以滿足需求。

石墨烯等二維材料的引入為純硅基光電探測器提供了新的思路。新型的二維材料由于量子限域效應，具有優異獨特的光學和電學特性，被認為是很有前景的光電探測材料，有可能被應用在下一代微納電子器件。例如，石墨烯具有超高載流子遷移率、寬吸收譜；過渡金屬硫化物有較強的光與物質相互作用。二維材料作為一種通過原子層間范德華力作用形成的層狀材料已形成了一個極為豐富的材料體系，在光子學和光電子學領域具有重要應用潛力，特別是具備光譜范圍可選和無晶格失配等突出優點。通過二維材料和硅形成異質結，有望實現響應度、帶寬及靈敏度等綜合高性能的光電探測器。此外，二維材料器件在制備均一性、可靠性、陣列化、規模化等方面都面臨著挑戰，仍需在陣列、集成和高可靠制備技術工藝等方面取得突破。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于絕緣層上硅襯底的二維材料/硅異質結陣列及其制備方法。該發明提供了一種二維材料/硅異質結的光電器件結構，解決了二維材料/硅器件在制作陣列上的問題，為二維材料與硅的大規模集成提供了方案。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

本發明提供一種基于絕緣層上硅襯底的二維材料/硅異質結陣列，包括組成陣列的若干異質結單元，所述異質結單元是二維材料與硅的垂直異質結；所述陣列是異質結單元的面陣陣列；

所述陣列包括絕緣層上硅襯底，所述絕緣層上硅襯底是將頂硅圖形化成若干頂硅條帶的SOI襯底，所述襯底上還設有絕緣層，所述絕緣層中刻有硅窗口陣列和硅接觸孔；

所述硅窗口陣列的每個硅窗口外圍設有二維材料接觸電極，每一行/列的硅窗口外圍的二維材料接觸電極相互連接并引出作為該行/列的公共頂電極；所述二維材料接觸電極上覆蓋二維材料，所述二維材料通過所述硅窗口與所述頂硅條帶接觸，形成異質結；所述陣列中的每一列/行異質結共用同一條頂硅條帶，每條頂硅條帶均通過所述硅接觸孔連接有硅接觸電極，每一行/列異質結分別做在不同的頂硅條帶上。

進一步地，所述二維材料為單層或多層的二維薄膜材料，包括單層、多層石墨烯、宏觀組裝石墨烯、薄層石墨、單層或多層過渡金屬硫化物、單層或多層過渡金屬硒化物、單層或多層黑磷。

進一步地，所述二維材料與硅接觸形成的異質結區是以陣列結構排布的感光區。

進一步地，包含二維材料接觸電極的頂電極和所述硅接觸電極的材質為導電金屬。

本發明提供一種基于絕緣層上硅襯底的二維材料/硅異質結陣列的制備方法，包括如下步驟：

(1)在絕緣層上硅襯底的頂硅表面使用光刻技術制作條狀陣列掩膜，刻蝕未被掩膜保護的頂硅以制作頂硅形狀是若干頂硅條帶的絕緣層上硅襯底；