[发明专利]一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法，属于半导体器件及其制造领域。通过确定性干法转移的方法制备的Graphene‑WSe₂‑Au结构器件具有良好的光伏特性，避免了传统方法直接在二维材料上蒸镀电极容易引起的费米能级钉扎效应，器件具有良好的光响应。由于器件的两个异质结WSe₂‑Graphene结和WSe₂‑Au结具有不对称性，器件具有自驱动特性，可以在零偏压下工作，此时的暗电流几乎可以忽略；此外，由于隧穿层和俘获层的引入，使得即使器件在外部偏压下工作的时候，也能将暗电流控制在很低的数量级。

技术领域

本发明涉及半导体器件及其制造领域，尤其涉及一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器是一种将光信号转换为电信号的探测器件，在军事和民用领域都有着非常广泛而重要的应用。在军事上，主要用于制导、雷达监测、光通信等方面；民用上，在摄像、红外探测、测温等方面也有着重要的应用。

目前，硅基光电探测器是嵌入手机、电脑和数码相机的商业图像传感器背后的主力，特别是基于PN结的光电二极管由于其制造工艺与主流互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的兼容性，在消费电子产品中越来越普遍。但是由于硅半导体禁带宽度比较大，难以实现红外波段的探测。因此，一些二维材料的发现，使光电探测器的发展得到了重大的突破。二维材料良好的光学、电学、热学性质以及其良好的机械性质使得其成为制作光电探测器良好的基础材料，且光电探测器的探测波段、探测性能可以通过改变二维材料的厚度、以及进行二维材料间的异质结构建来调节。所以，二维材料在光电探测领域具有巨大的发展潜力。

为了满足光电探测器在生物成像、环境监测等领域的应用，基于一些新型的半导体材料和一些新的结构的光电器件开始涌现，尤其是随着石墨烯和一些二维层状材料的发现，使得光电探测器件的研究被

推向一个新的浪潮。从零带隙的石墨烯到带隙可调的过渡金属硫族化物再到禁带宽度达到6eV的六方氮化硼(h-BN)，囊括了光电探测所需求的几乎整个光谱。随着一些材料生长和转移方法的发展与创新，使大面积的二维材料器件和硅CMOS集成电路的集成成为可能，此外，二维材料对光子的吸收率远远高于硅，这一特性使得即使在非常薄的二维材料上也能实现绝大部分的光吸收，这意味着在高性能的图像传感器上，一层薄薄的二维材料与底层的硅CMOS处理电路的潜在集成。

在过去的十年中，基于不同二维材料例如Graphene、MoS₂、WSe₂等的光电探测器已经被证明具有优异的性能。基于单层WSe₂的p-n结光电探测器表现出明显的光伏效应，由于不同的二维材料具有不同的载流子极性，将不同的二维材料组合在一起可以形成具有明显光伏效应的异质结结构光电探测器。这种在不加外部偏压的条件下，由于自身结构内部存在势垒而形成内建电场，在光照条件下由于光生载流子在电场下漂移产生光电流的性质称为自驱动，这种光电探测器称为自驱动型光电探测器。由于这种自驱动器件不需要外界电压或者能量的供给便可以工作，所以在无线传感器网络的户外环境传感、可穿戴医疗监控等应用领域不可或缺。

此外，自驱动型光电探测器不需要在外加偏压的条件下工作，使其具有极低的暗电流。

发明内容

本发明为解决上述问题，而提出的一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有低暗电流的自驱动型光电探测器，包括衬底以及转移在衬底上的二维半导体材料薄片、两个金属电极、隧穿层和俘获层，所述两个金属电极分别沉积在衬底两侧，所述隧穿层位于二维半导体材料薄片顶部，所述俘获层位于隧穿层上方；所述的二维半导体材料薄片分别是过渡金属硫族化物WSe₂和石墨烯，所述隧穿层材料为HfO₂，所述俘获层材料为Si₃N₄。