本發(fā)明屬于半導體光電探測技術領域，具體涉及一種雙異質結光探測器及其制備方法。

背景技術：

以石墨烯及二維過渡金屬硫族化合物為代表的二維材料在光電探測領域受到越來越廣泛的關注。其中以二硫化鉬(mos2)為代表的過渡金屬硫化物二維材料具有與硅、砷化鎵等傳統(tǒng)半導體材料接近的禁帶寬度，且能帶帶隙隨厚度的變化而變化，在新型光電探測領域具有廣闊應用前景。然而這類材料在制備過程中不可避免的會引入界面缺陷等問題使得該材料在零柵壓下具有較高的背景載流子濃度，進而使得光電探測器的暗電流較高，這些問題都限制了其在光電探測領域的應用。

因此，如何研制出一種低暗電流、高探測性能的光探測器尤為重要。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種雙異質結光探測器及其制備方法。

本發(fā)明的一個實施例提供了一種雙異質結光探測器，包括：

一種雙異質結光探測器的制備方法，其特征在于，包括：

(a)對半絕緣半透明襯底進行清洗；

(b)在所述襯底上生長底電極層；

(c)在所述底電極層上生長第一mos2層；

(d)在所述第一mos2層上生長雜化鈣鈦礦層；

(e)在所述雜化鈣鈦礦層上生長第二mos2層；

(f)在所述第二mos2層上生長頂電極。

在本發(fā)明的一個實施例中，步驟(a)包括：

(a1)選取半絕緣半透明單面拋光材料作為所述襯底；

(a2)利用rca標準清洗工藝對所述襯底進行清洗。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述襯底材料為藍寶石。

在本發(fā)明的一個實施例中，步驟(b)包括：

(b1)利用磁控濺射工藝，在所述襯底的拋光面濺射所述第一金屬材料；

(b2)在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝，使所述襯底的拋光面與所述第一金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述底電極層的生長。

在本發(fā)明的一個實施例中，步驟(d)包括：

(d1)制備前驅體溶液；

(d2)將所述前驅體溶液攪拌并旋涂至所述第一mos2層上以生長雜化鈣鈦礦層。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述雜化鈣鈦礦層的材料為ch3nh3pbi3。

在本發(fā)明的一個實施例中，步驟(e)采用低溫生長工藝，所述低溫生長工藝溫度小于150度。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述第一mos2層和所述第二mos2層的生長工藝均為磁控濺射工藝。

在本發(fā)明的一個實施例中，步驟(f)包括：

(f1)采用物理掩膜板，利用磁控濺射工藝在所述第二mos2層上生長第二金屬材料；

(f2)在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝，在所述第二mos2層的上表面與所述第二金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述頂電極的生長。

在本發(fā)明的另一個實施例提出了一種雙異質結光探測器，包括：半絕緣半透明襯底層、底電極層、第一mos2層、雜化鈣鈦礦層、第二mos2層、頂電極，所述雙異質結光探測器由上述實施例所述的方法制備形成。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、雜化鈣鈦礦雙異質結可以使二維材料溝道的背景載流子的完全耗盡，顯著降低了器件暗電流，提高器件在弱光下的探測性能；

2、制備工藝簡單，生產成本低，無需昂貴的儀器設備等優(yōu)點；

3、制備的光電探測器可在零柵壓、低源漏偏壓下工作，具有優(yōu)異的低功耗特性，且結構簡單、效率高、響應快、工作穩(wěn)定、使用壽命長。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種雙異質結光探測器的制備方法流程圖；

圖2a～圖2f為本發(fā)明實施例提供的一種雙異質結光探測器的工藝流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種雙異質結光探測器的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種mos2的拉曼散射圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的一種雜化鈣鈦礦的光致發(fā)光圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例一

請參見圖1、圖4和圖5，圖1為本發(fā)明實施例提供的一種雙異質結光探測器的制備方法流程圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的一種mos2的拉曼散射圖；圖5為本發(fā)明實施例提供的一種雜化鈣鈦礦的光致發(fā)光圖。

該方法包括如下步驟：

(a)對半絕緣半透明襯底進行清洗；

(b)在所述襯底上生長底電極層；

(c)在所述底電極層上生長第一mos2層；

(d)在所述第一mos2層上生長雜化鈣鈦礦層；

(e)在所述雜化鈣鈦礦層上生長第二mos2層；

(f)在所述第二mos2層上生長頂電極。

其中，步驟(a)包括：

(a1)選取半絕緣半透明單面拋光材料作為所述襯底；

(a2)利用rca標準清洗工藝對所述襯底進行清洗。

優(yōu)選地，所述襯底材料為藍寶石。

其中，步驟(b)包括：

(b1)利用磁控濺射工藝，在所述襯底的拋光面濺射第一金屬材料；

(b2)在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝，使所述襯底的拋光面與所述第一金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述底電極層的生長。

其中，所述底電極層和所述頂電極的材質可以是金、銀、鎳、鈦、鉑、鈀、fto、ito電極中的一種或多種，并作為引出電極，與外電路相連。

優(yōu)選地，所述底電極層為ito電極。

其中，步驟(d)包括：

(d1)制備驅體溶液；

(d2)將所述驅體溶液攪拌并旋涂至所述第一mos2層上以生長雜化鈣鈦礦層。

其中，所述雜化鈣鈦礦層材料為有機或者無機雜化鈣鈦礦，包括ch3nh3pbi3、ch3nh3pbcl3、ch3nh3sni3等等，為弱p型，載流子濃度為10¹⁶cm^-3量級；生長方法是一步溶液法、兩步溶液法、共蒸發(fā)法中的一種。

優(yōu)選地，所述雜化鈣鈦礦層的材料為ch3nh3pbi3。

其中，所述雜化鈣鈦礦層的厚度為200-350nm。

其中，步驟(e)采用低溫生長工藝，所述低溫生長工藝溫度小于150度。

其中，所述第一mos2層和所述第二mos2層為單層或者多層薄膜材料，載流子類型選用n型；生長方法為磁控濺射、化學氣相淀積、分子束外延或者旋涂中的一種。

優(yōu)選地，所述第一mos2層和所述第二mos2層的生長工藝為磁控濺射工藝。

其中，所述第一mos2層的厚度為1-10nm，第二mos2層的厚度為0.5-1nm。

其中，步驟(f)包括：

(f1)采用物理掩膜板，利用磁控濺射工藝在所述第二mos2層上生長所述第二金屬材料；

(f2)在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝，在所述第二mos2層的上表面與所述第二金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述頂電極的生長。

其中，所述底電極層和所述頂電極的厚度均為50-200nm。

本實施例的有益效果如下：

1、雙異質結可以使二維材料溝道的背景載流子的完全耗盡，顯著降低了器件暗電流，提高器件在弱光下的探測性能；

2、制備工藝簡單，生產成本低，無需昂貴的儀器設備等優(yōu)點；

3、制備的光電探測器可在零柵壓、低源漏偏壓下工作，具有優(yōu)異的低功耗特性，且結構簡單、效率高、響應快、工作穩(wěn)定、使用壽命長。

實施例二

請參見圖2a～圖2f，圖2a～圖2f為本發(fā)明實施例提供的一種雙異質結光探測器的工藝流程示意圖。該方法包括如下步驟：

步驟1、選取藍寶石襯底201，如圖2a所示。

步驟2、在所述藍寶石襯底201表面淀積第一金屬材料形成底電極層202，如圖2b所示。

步驟3、在所述底電極層202表面形成第一mos2層203即光吸收層1，如圖2c所示。

步驟4、在所述第一mos2層203表面形成雜化鈣鈦礦層204即光吸收層2，如圖2d所示。

步驟5、在所述雜化鈣鈦礦層204表面形成第二mos2層205即光吸收層3，如圖2e所示。

步驟6、在所述第二mos2層205上表面淀積第二金屬材料形成頂電極206以及外電路,如圖2f所示。

其中，步驟1可以包括：

步驟1-1、選取半絕緣半透明單面拋光材料作為所述藍寶石襯底201；

步驟1-2、利用rca標準清洗工藝對所述藍寶石襯底201進行清洗。

步驟2可以包括：

步驟2-1、利用磁控濺射工藝在步驟1所述藍寶石襯底201的拋光面濺射第一金屬材料；

步驟2-2、在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝在所述藍寶石襯底201的拋光面與所述第一金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述底電極層202的制備。

進一步地，步驟2-1可以包括：以ti材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為80w，真空度為5真空度^-4～64空度^-3pa的條件下，在所述藍寶石襯底201的拋光面濺射所述ti材料以作為所述第一金屬材料。

步驟3可以包括：

步驟3-1、將第一mos2層203即mos2薄膜轉移至步驟2所述底電極層202上；

其中，轉移方法為：在生長于原始制備mos2薄膜的襯底上的第一mos2層203表面通過旋涂或者噴涂高分子溶液制作支撐層,或者通過將高分子薄膜直接熱壓在第一mos2層203上得到支撐層，再將支撐層連同第一mos2層203一起從其原始制備mos2薄膜的襯底上剝離下來，轉移至底電極層202上，使第一mos2層203與底電極層202接觸，去除支撐層。

步驟4可以包括：

步驟4-1、將0.415g的ch3nh3i和1.223g的pbi2溶于4ml的dmf溶液中制備旋涂前驅體溶液，在50中攪拌10-12h；

步驟4-2、以3000rpm的轉速將步驟4-1所述前驅體溶液旋涂到步驟3所述的第一mos2層203上；

步驟4-3、在903下退火0.5h，制成ch3nh3pbi3薄膜，作為雜化鈣鈦礦層204。

步驟5可以包括：

步驟5-1、由于雜化鈣鈦礦層204不耐高溫，因此在生長第二mos2層205時采用低溫工藝生長工藝，其中，溫度需要小于150度，可以采用磁控濺射技術在雜化鈣鈦礦層204生長mos2材料形成所述第二mos2層205。

進一步地，步驟5-1可以包括：將mos2靶材放置在射頻磁控濺射系統(tǒng)的靶位置，將腔體抽至真空狀態(tài)(5×10-6pa)，加熱整個樣品，通入氣體ar，調整真空腔內的壓強；其中，mos2靶材與藍寶石襯底201的距離為10厘米，濺射功率為60-80w，沉積時間為0.5-1h。

步驟6可以包括：

步驟6-1、采用物理掩膜板，利用磁控濺射工藝在第二mos2層205上生長所述第二金屬材料；

步驟6-2、在氮氣和氬氣的氣氛下，利用快速熱退火工藝在第二mos2層205的上表面與所述第二金屬材料表面處形成歐姆接觸以完成所述頂電極206的制備。

步驟6-3、完成外電路的連接；

其中，步驟6-1可以包括：以au材料作為靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔體中，在工作功率為60～80w，在真空度為5×10^-4～6×10^-3的條件下，在所述第二mos2層205表面濺射形成所述au頂電極206。

本實施例具有如下有益效果：

1、mos2的優(yōu)點為mos2是直接帶隙半導體，可以直接將光子轉變成電子-空穴對，mos2的電子在平面薄片中的運行速度，mos2的電子遷移速率大約是100cm²/vs，這遠遠高于有機無機雜化鈣鈦礦的遷移率，可以大大增加光電導，同時mos2材料禁帶寬度可調，對近紅外光較敏感。

2、有機無機雜化鈣鈦礦材料因其載流子擴散長度長、光吸收系數(shù)大，禁帶寬度可調而非常適合可見-近紅外光探測，暗電流小、噪聲電流小是作為光電探測器材料的優(yōu)選。

3、采用了雙異質結結構，從而形成雙勢壘，可有效降低漏電流，從而大幅提高光電探測器的器件可靠性，同時可以促進光生電子-空穴的分離。

4、結構簡單、效率高、響應快、工作穩(wěn)定、使用壽命長；光探測器的制備工藝簡單，生產成本低，無需昂貴的儀器設備等優(yōu)點。

實施例三

請再次參見圖2a～圖2f，圖2a～圖2f為本發(fā)明實施例提供的一種雙異質結光探測器的工藝流程示意圖。該方法包括如下步驟：

s01：襯底201清洗：將半絕緣半透明藍寶石襯底201放在丙酮、乙醇和去離子水中分別進行超聲清洗，并真空干燥，如圖2a所示。

s02：放置靶材和襯底201：將步驟s01中清洗處理后的藍寶石襯底201固定在樣品托盤上，放進真空腔，將ito靶材放置在射頻磁控濺射系統(tǒng)的靶位置，開始抽真空。

s03：淀積ito底電極層202：先將腔體抽至真空狀態(tài)(即壓強為5×10^-6pa)，加熱藍寶石襯底201，調整腔內氣壓：其中，ito靶材與藍寶石襯底201的距離為10厘米，濺射功率為50w，沉積時間為0.5h-1h，以完成ito底電極層202的制備，如圖2b所示。

s04：第一mos2層203淀積：采用化學氣相沉積法，以單質的鉬金屬和硫粉做為源，在底電極層202表面沉積二維mos2，其中沉積溫度為：800℃-850℃，沉積時間為0.5-1h，以完成第一mos2層203的淀積，如圖2c所示。

s05：旋涂雜化鈣鈦礦層204：將0.415g的ch3nh3i和1.223g的pbi2溶于4ml的dmf溶液中制備旋涂前驅體溶液，并在50中攪拌10-12h，以3000rpm的轉速將前驅體溶液旋涂到步驟s04所述的第一mos2層203上，然后在90然下退火0.5h，制成ch3nh3pbi3薄膜，以完成雜化鈣鈦礦層204的制備，如圖2d所示。

s06：第二mos2層205淀積：將mos2靶材放置在射頻磁控濺射系統(tǒng)的靶位置，將腔體抽至真空狀態(tài)(即壓強為5×10^-6pa)，加熱包括襯底201、底電極層202、第一mos2層203、雜化鈣鈦礦層204的整個襯底，加熱溫度小于150攝氏度，通入惰性氣體，調整真空腔內的壓強；其中，mos2靶材與整個襯底的距離為10厘米，濺射功率為60-80w，沉積時間為0.5-1h,以完成第二mos2層205的淀積，如圖2e所示。

s07：淀積頂電極206：利用掩膜版并通過射頻磁控濺射技術在第二mos2層205上面沉積一層厚度為100nm的au薄膜電極作為測試電極，先將腔體抽至真空狀態(tài)(即壓強為5×10^-6pa)，加熱樣品，調整腔內氣壓：其中，靶材與樣品的距離為10厘米，濺射功率為50w，沉積時間為1h-2h,以完成頂電極206的制備，如圖2f所示。

實施例四

請參見圖3，圖3為本發(fā)明實施例提供的一種雙異質結光探測器的結構示意圖；該雙異質結光探測器依次包括：半絕緣半透明襯底層301、底電極層302、第一mos2層303、雜化鈣鈦礦層304、第二mos2層305、頂電極306，其中，所述雙異質結光探測器由上述實施例所述的方法制備形成。

其中，半絕緣半透明襯底301為單拋藍寶石襯底；所述第一mos2層303和第二mos2層305為單層或多層薄膜材料，載流子類型選用n型；所述雜化鈣鈦礦層304為ch3nh3pbi3、ch3nh3pbcl3、ch3nh3sni3等材料，為弱p型，載流子濃度為10¹⁶cm^-3量級。

進一步地，所述底電極層302和頂電極306為au、al、ti、sn、ge、in、ni、co、pt、w、mo、cr、cu、pb等金屬材料、包含這些金屬中2種以上合金或底等導電性化合物形成。另外，也可以是具有由不同的2種以上金屬構成的2層結構，例如al/ti。所述底電極層302為au、al、ti、sn、ge、in、ni、co、pt、w、mo、cr、cu、pb等金屬材料、包含這些金屬中2種以上合金或底等導電性化合物形成。另外，也可以是具有由不同的2種及以上金屬構成的2層結構，例如al/ti疊層雙金屬材料。

綜上所述，本文中應用了具體個例對本發(fā)明一種雙異質結光探測器及其制備方法的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護范圍應以所附的權利要求為準。