[发明专利]硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法

说明书

本发明公开了一种硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法。该光电探测器由下至上依次层叠的硅材料层、绝缘介质层、二维半导体材料层和金属电极；绝缘介质层中心开有通孔，二维半导体材料通过通孔与硅材料形成异质结，通过结区电流变化检测外界光的变化。该光电检测器制备方法简单，其制备过程均与半导体工艺兼容，适合大规模工业生产；制得的光电检测器拥有硅基易集成的特点，结构简单，可控性强，同时具有光响应度高、响应速度快的特点，对可见光的响应度优于普通的硅光探测器件，光探测响应时间为微妙量级。

技术领域

本发明属于二维半导体材料制备技术领域，具体涉及一种硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法。

背景技术

在光电子系统中，光探测器件是最重要最关键的部件之一。原则上所有对光响应的材料都可以被用于光电探测器，光电探测器包括真空光电探测器如光电管、光电倍增管等，这类光电器件是基于外光电效应制成的，即光照射到器件阴极，材料中电子吸收光能从而克服材料逸出逃离材料表面并在阳极被收集进而产生光电流的过程。这类器件受光面积较大，高频特性好，但同时体积庞大易破损且要求外部工作电压要及其稳定。与之相对的是光敏电阻、光电二极管这类光电探测器。这类光电探测器用到了材料的内光电效应。详细来说，当光入射到材料表面时，材料中电子吸收光能发生能级跃迁，从而改变材料的某种物理特性，通过对这类特性的检测可以反映光信号的信息。此类器件由于结构简单所以造价较低，且灵敏度高，特别是光电二极管响应时间一般在微秒量级。

基于以上特性，通信领域信号转换一般都用半导体光电探测器。硅光电二极管是现代最为成熟的半导体光探测器件，但由于硅禁带宽度(Eg)为1.1eV的特征，硅光电二极管的探测范围有限，且响应度不高。另外广泛用于光信号转化的磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)等材料与硅的晶格不匹配，要在硅上集成这类材料并制作器件难度很大。硫化钨这类二维半导体材料的出现改善了这一现状。二维半导体材料具有以下特征：(1)单层原子之间以共价键形式结合；(2)单层分子形成晶体结构；(3)原子层与层之间以范德华力结合，硫化后形成的硫化钨材料除了拥有二维半导体材料共有的特性，即表面无悬挂键，可以与几乎所有衬底材料复合外，还具有禁带宽度匹配于可见光的特点。现急需将硅材料与过渡金属硫化物结合，制备一种结构简单，适合大规模工业生产的高响应度光电探测器。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种硅/二维半导体异质结型光电探测器及制备方法，其结构简单，可控性强，具有响应度高和响应快的特点。

一种硅/二维半导体异质结型光电探测器，包括由下至上依次层叠的硅材料层、绝缘介质层、二维半导体材料层和金属电极；绝缘介质层中心开有通孔，二维半导体材料通过通孔与硅材料形成异质结。

进一步地，硅材料层为n掺杂或p掺杂，其与二维半导体材料层构成n-n结、p-p结或p-n结。

进一步地，绝缘介质层为二氧化硅等普通材料或三氧化二铝、氧化铪等高K材料。

进一步地，二维半导体材料层为过渡金属硫化物或硒化物。

进一步地，金属电极为与二维半导体材料层形成欧姆接触的材料。

进一步地，金属电极为Ti/Au电极，其中Ti层厚度为3-6nm，Au层厚度大于50nm。

上述硅/二维半导体异质结型光电探测器的制备方法，采用光刻技术在硅材料上制作胶块结构，再采用原子层沉积技术在胶块结构上沉积绝缘介质层，并用丙酮洗去残余光刻胶，制得中心开孔的绝缘介质层，通过开孔，使硅基材料与二维半导体材料形成异质结；

再通过热蒸发方式制备金属电极，将其附于二维半导体材料层上，制得硅/二维半导体异质结型光电探测器。

进一步地，绝缘介质层的制备方法为：利用光刻技术，在硅材料上制作胶块结构，再利用原子层沉积技术在胶块结构上沉积绝缘介质层，并用丙酮洗去残余光刻胶，制得中心开孔的绝缘介质层。