一种提高光电探测性能的MoS2光电晶体管及其制备方法与流程

文档序号:20922681 发布日期:2020-05-29 14:50
一种提高光电探测性能的MoS2光电晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及光电探测技术领域,具体涉及一种提高光电探测性能的mos2光电晶体管及其制备方法。



背景技术:

近年来,基于二维(2d)材料的光电晶体管成为光电探测领域的研究前沿,应用于光计算、光逻辑、光通信,以及新兴的人工神经形态模拟等。为了保证微弱信号的检测和高频信号的不失真输出,理想的光电探测器件应同时兼具高响应度和快响应速度的探测性能。二硫化钼(mos2)作为典型的过渡金属硫族化合物(tmdcs)的一员,由于具有高的面内载流子迁移率、可调谐带隙、固有的柔韧性以及与其它半导体材料的良好兼容性等潜在优势,成为下一代光电子器件的明星材料。mos2和其它二维层状tmdcs的原子层厚度可以将原子和电子限制在有限的空间自由度内,实现强的光与物质相互作用。然而,原子层的厚度不可避免地导致光子吸收总量低,从而限制了基于光电导(pc)和光伏(pv)特性的器件性能。在大多数报道的mos2和其它tmdcs基光电晶体管中,光响应度作为光电子器件的一个重要指标,仍低至ma·w-1的量级。少数文献报道mos2基光电晶体管在高的偏置电压下可以达到较高的光响应度(>103a·w-1),这将不可避免导致器件大的漏电流、以及高能耗等问题。

在材料系统选择方面:零维(0d)胶体量子点(cqds)作为优良的光吸收和发射材料,具有高的量子产率、宽的光谱选择性和良好的光学稳定性。构建0d/2d杂化体系被认为是提高二维材料光电探测器的光响应能力的有效策略。在现有技术中,许多重金属量子点包括hgte,pbs,cdse,cdse@zns,cspbbr3,cspbi3-xbrx已与原子层mos2构建0d/2d杂化基光电晶体管,器件具有高达102~106a·w-1的光响应度,但受限于光导型器件构筑,其光响应速度仅增加到毫秒级(1~420ms)。更重要的是,上述qds的内在毒性对我们的健康和环境是有害的。欧盟的《限制有害物质指令》严格限制了这些材料应用于消费电子产品领域。

在器件结构设计方面:设计包括金属/半导体肖特基接触的新型器件结构是提高光电探测性能的有效策略。在接触界面处内建电场的存在可以促进光生载流子的有效分离和收集,从而克服光响应速度慢的限制。此外,内建电场有利于器件实现自供电特性。由于大规模二维层状tmdcs可控合成的局限性,现有技术中成对电极被广泛用于构建传统的三端光电晶体管,例如,huaxu等人在基于石墨烯-mos2的杂化型光电晶体管中,通过采用两步电子束曝光的非对称金属化方案,来引入肖特基接触。界面处的内建电场使其具有自供电特性,以及0.13ms的快速响应速度。受限于材料体系光吸收能力,其光响应度仅为3.0a·w-1。此方法构筑非对称电极的传统三端光电晶体管,不可避免导致制备方法繁琐,成本高等问题。



技术实现要素:

为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种提高光电探测性能的mos2光电晶体管及其制备方法,实现了高响应度、超快响应速度、自供电的光电探测性能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:

一种提高光电探测性能的mos2光电晶体管,该光电晶体管包括:si/sio2衬底、双层mos2薄膜、pt电极、inp@zns量子点和银膜;多片所述双层mos2薄膜设置在所述si/sio2衬底上表面;在所述双层mos2薄膜和si/sio2衬底上表面制作所述pt电极,作为漏源电极;所述pt电极为叉指电极,厚度为50nm,宽度为2μm,pt电极指长为300μm,两个电极之间的宽间距为5μm;所述inp@zns量子点制作在si/sio2衬底、双层mos2薄膜和pt电极表面;所述si/sio2衬底背面制作银膜作为背栅电极。

优选的,所述双层mos2薄膜为三角形。

优选的,所述双层mos2薄膜随机分布在两个pt叉指电极下。

一种提高光电探测性能的mos2光电晶体管的制备方法,该方法包括如下步骤:

步骤一:采用化学气相沉积方法生长双层mos2薄膜;

步骤二:采用湿法转移技术,将确认为双层的mos2薄膜转移到所述si/sio2衬底上,作为栅介质;

步骤三:采用紫外光刻技术、电子束蒸镀技术和剥离工艺制备pt叉指电极;

步骤四:将溶于甲苯溶剂的inp@zns量子点旋涂于mos2光电晶体管上,并加热和退火;

步骤五:在si/sio2衬底背面用速干银浆制备出光电晶体管背栅电极。

优选的,所述步骤一中,moo3粉末和s粉末作为钼源和硫源,分别加热到700℃和170℃,并维持40分钟。

优选的,所述步骤四中,将溶于甲苯溶剂的浓度为0.25mg/ml的inp@zns量子点以2000转/分的转速旋涂60s于mos2光电晶体管上,并在80℃的空气环境中加热120s。

优选的,所述步骤四中,在ar环境下对mos2光电晶体管进行150℃退火1小时。

本发明的有益效果是:

1、相比于现有mos2构建0d/2d杂化基光电晶体管,本发明首次构建了基于inp@zns-mos2的0d/2d杂化结构光电晶体管。inp适用于制作高速、高频、大功率、发光的电子器件。特别是inp具有与cdse类似的1.34ev的带隙。采用zns壳层构建inp@zns核壳量子点作为一种环境友好型光吸收和发射材料,不含重金属、环境友好型光电晶体管有利于商业化推广。

2、本发明所采用的叉指型电极对于基于tmdcs的光电晶体管有几个潜在的优势:(i)具有金属图案化阵列的叉指型电极由于金属表面等离子体(sps)共振而增强光与物质的相互作用,这是提高光电晶体管光响应度的另一种可行的方法。(ii)当叉指型电极被集成到一些三角形的2d材料上时,金属电极和2d沟道材料之间的非对称源漏肖特基接触区域,可以在光电晶体管阵列中提供内建电场,不仅可以一定程度缓解光响应度和光响应速度的两难问题,而且赋予光电晶体管实现自供电光电探测功能。(iii)与传统的成对电极相比,叉指电极可以连接多个串并联的三端晶体管单元结构。有利于突破基于二维材料的光电探测器件集成应用技术壁垒,利于推广商业化应用。

附图说明

图1本发明一种提高光电探测性能的mos2光电晶体管局部放大示意图。

图2(a)inp@zns-mos2体系无辐射能量传递机理图。

图2(b)球形inp@zns核壳量子点结构示意图。

图2(c)inp@zns量子点的吸收光谱。

图2(d)inp@zns量子点的光致发光(pl)光谱。

图2(e)inp@zns量子点的pl光谱与双层mos2的吸收光谱。

图2(f)inp@zns量子点在不同mos2厚度下的荧光寿命。

图3(a)mos2光电晶体管的输出i-v特性。

图3(b)inp@zns-mos2杂化光电晶体管的输出i-v特性。

图4(a)不同功率强度的532nm激光辐照下,mos2基光电晶体管与inp@zns-mos2杂化光电晶体管转移特性曲线。

图4(b)不同vgs下mos2基光电晶体管与inp@zns-mos2杂化光电晶体管光电流iph随着光功率密度的依赖关系。

图4(c)mos2基光电晶体管与inp@zns-mos2杂化光电晶体管光响应度随着光功率密度的依赖关系。

图5(a)响应时间测量实验装置的示意图。

图5(b)mos2基光电晶体管与inp@zns-mos2杂化光电晶体管的光伏电压随时间变化曲线。

图6(a)在2000hz的高频率光脉冲辐照下,inp@zns-mos2杂化光电晶体管器件在连续4000个循环后的光伏电压随时间变化曲线。

图6(b)inp@zns-mos2杂化光电晶体管器件的单脉冲光伏响应放大曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示,一种提高光电探测性能的mos2光电晶体管,该光电晶体管包括:si/sio2衬底、双层mos2薄膜、pt电极、inp@zns量子点和银膜;多片所述双层mos2薄膜随机设置在所述si/sio2衬底上表面;其中所述双层mos2薄膜为三角形结构。所述pt电极制作在所述双层mos2薄膜和si/sio2衬底上表面,作为漏源电极;所述pt电极为叉指电极,厚度为50nm,宽度为2μm,实现表面等离子体效应;pt电极指长为300μm,两个电极之间的宽间距为5μm;这种桥状的mos2在不同的叉指电极结构下连接在一起,构成网状通道形态。本实施例中,pt叉指电极的个数为30对。所述inp@zns量子点制作在si/sio2衬底、双层mos2薄膜和pt电极表面;inp@zns量子点覆盖层作为光吸收材料,器件中载流子从一个电极传输到邻近的电极,并在pt叉指电极图形中扩散,从而实现了一个简单的光电晶体管器件。所述si/sio2衬底背面制作银膜作为背栅电极。本实验采用自上而下的激光照射方式,采用背栅电极结构的场效应晶体管来提高光收集效率。

本发明的中构建的inp@zns-mos2杂化体系提高光吸收原理如下:

机理如图2(a)所示,光激发电子-空穴对(激子)从量子点(施主)不发射光子,通过无辐射能量传递,转移到mos2(受主)。图2(b)显示了球形inp@zns核壳量子点模型示意图,平均尺寸为9nm(核直径≈6nm,壳厚度≈1.5nm)。inp具有良好的结晶性,0.32nm的晶格间距对应于inp闪锌矿结构的(111)晶面。其中zns壳层钝化inp核的表面缺陷,降低了无辐射能量传递过程中激子弛豫到缺陷能级的复合通道,从而增加0d/2d之间无辐射能量传递效率。图2(c)和图2(d)显示了inp@zns量子点的吸收光谱和光致发光(pl)光谱。可见,量子点在紫外到可见范围内表现出很强的光吸收,特别是在蓝紫波段(400~480nm),这正好补偿了双层mos2在该波段的弱的光吸收特性(见图2(e)的左边)。此外,量子点可以实现从290nm紫外波段的光激发,并且pl峰位(627nm)不依赖于光激发波长。图2(e)显示inp@zns量子点的pl光谱与双层mos2的吸收光谱有很强的重叠,表明本发明中inp@zns-mos2的0d/2d杂化结构之间可以实现无辐射能量传递。

为了进一步证实强耦合效应,我们研究了inp@zns量子点在不同mos2厚度下的荧光寿命追踪,并与inp@zns量子点的瞬态荧光寿命比较。如图2(f)所示,inp@zns量子点的平均寿命为35.66ns,这是透明石英衬底上量子点的寿命(即在没有mos2的情况下)。当量子点旋涂在4l-mos2上,量子点寿命下降到15.36ns,当与2l或1l-mos2构建0d/2d杂化体系时,量子点寿命进一步淬灭到10.01ns和9.72ns。能量转移效率取决于近场相互作用的强度,这与介电屏蔽效应有关。因此,随着mos2厚度的减小(从四层到单层),介电屏蔽效应降低,相应的无辐射能量传递效率可以提高到~73%。与单层mos2类似,双层mos2也具有二维几何结构,根据最近对薄膜厚度的理论计算,双层mos2由于具有较小的带隙和较小的比表面积,显示出比单层mos2更好的光电特性。量子点/双层mos2杂化体系的能量转移效率接近于量子点/单层mos2杂化体系。综上,本发明以inp@zns量子点辅助光吸收,采用双层mos2作为光电晶体管的沟道材料,实现光电转换。

inp@zns-mos2杂化光电晶体管与mos2基光电晶体管输出特性的比较:

本发明比较了不同栅极电压(vgs=0~40v)下mos2与inp@zns-mos2杂化光电晶体管的输出i-v特性。当器件施加的正向栅压(vgs)逐渐增加时,mos2沟道中更多的电子被栅极电场逐渐极化,其饱和状态下获得更高的源漏电流(ids)。如图3(a)和图3(b)所示,在旋涂inp@zns量子点前后,在相同的vgs(40v)状态下,ids均能提高到15μa左右。这表明inp@zns量子点的存在并不影响mos2沟道的电学性能(即极化电子能力)。

inp@zns-mos2杂化光电晶体管与mos2基光电晶体管光响应性能比较:

图4(a)所示为在不同功率强度的532nm激光辐照下,mos2基光电晶体管与inp@zns-mos2杂化光电晶体管转移特性曲线。与几乎一致的暗态转移曲线相比,随着光功率的增加,inp@zns-mos2杂化光电晶体管的ids比mos2基光电晶体管的ids大得多。为了更清楚地比较器件的光响应特性,本发明比较两种器件在不同vgs下的激光功率依赖性光电流iph(iph=iilluminated-idark)。如图4(b)所示,四种vg(即10/20/30/40v)情况,当激光功率增加到170mw/cm2时,inp@zns-mos2杂化光电晶体管的iph比mos2基光电晶体管的iph增加六倍左右。iph的提高归因于inp@zns量子点的优异的光捕获能力以及inp@zns-mos2杂化体系高效率的无辐射能量传递。

光响应度(r)作为光电探测器件一个关键的性能指标,用于评估将光信号转换为电信号的探测效率,可以用以下公式表示:

其中p是激光功率密度,s是照射在器件上的有效面积。这里,光电晶体管的有效区域由叉指电极间的桥状mos2的面积决定。如图4(c)所示为光电晶体管光响应度随着光功率密度的依赖关系(vg=40v),对于mos2基光电晶体管,当光功率密度增加34mw/cm2时,其光响应度达到222.5a·w-1最大值,随着激光功率密度进一步增加到170mw/cm2,其光响应度下降到81.0a·w-1,这是由于当高功率光辐照器件时,产生的热量引起载流子散射和复合增加所致,mos2基光电晶体管的最大响应度比以前报道的大多数mos2基光电晶体管ma·w-1量级的光响应度增加了三到四个数量级。mos2基光电晶体管优异的光响应特性归因于所设计的叉指电极的表面等离子体效应引起的场增强。对于inp@zns-mos2杂化光电晶体管,可以实现1374a·w-1的高光响应度,这与目前报道的超高光响应度(>103a·w-1)的mos2杂化型光电晶体管相当。在现有表面等离子体增强光电探测技术中,通常是通过光刻技术将等离子体金属阵列覆盖在2d沟道材料的表面,但是不可避免地引起沟道材料曝光面积减少,从而在一定程度上牺牲2d材料自身的光吸收量。相比之下,本发明提出了2μm图案化pt阵列的叉指电极。除了导电电极外,作为表面等离子体源的叉指金属阵列不仅可以增强mos2的光吸收而且可以增强inp@zns-mos2体系中无辐射能量传递效率。表1将本发明中inp@zns-mos2基光电晶体管与其它报道的mos2基低维杂化型光电晶体管器件的关键性能指标对比研究,证实本发明通过材料体系选择和器件结构设计,实现光电探测器件综合性能的突破性改进。

表1为本发明中inp@zns-mos2基光电晶体管与其它报道的mos2基低维杂化型光电晶体管器件的关键性能指标对比研究

inp@zns-mos2杂化光电晶体管与mos2基光电晶体管自供电特性与循环保持特性比较:

本发明中采用的叉指pt电极与mos2沟道材料的肖特基接触,实现inp@zns-mos2基杂化光电晶体管的光伏(自供电)特性。图5(a)所示为响应时间测量实验装置的示意图,该系统由激光斩波器、数字示波器和负载电阻组成。这里,与光电晶体管串联的1mω负载电阻作为分压器,间接监测器件的瞬态光伏响应。通过532nm激光与频率可调的斩波器(0~4000hz)组合实现脉冲激光。当叉指的pt电极沉积在mos2材料上时,由于金属的费米能级钉扎效应,mos2中的电子将扩散到pt电极(wf=5.65ev)。因此,在pt表面附近mos2的能级将向下弯曲,最终费米能级与pt的能级一致。从而促使mos2到pt电极的界面会出现一个很强的内建电场。在多沟道组建的叉指型光电晶体管中,虽然源极和漏极构成的内建电场方向相反。但是由于mos2沟道材料的三角形结构,电极和沟道材料之间存在不同的源/漏接触面积。虽然存在抵消效应,但剩余的肖特基结仍然保证了光电晶体管阵列中的内建电场的存在。内建电场促进光生电子-空穴对可以分离并被驱动到相反的方向,从而产生光伏电压。由于不需要外加偏压驱动装置,这种光电晶体管可以用作零偏压(自供电)光电探测器,这种自供电的光伏特性促进了光电器件在低功率和高密度集成中的应用。

与mos2基光电晶体管相比较,inp@zns-mos2杂化光电晶体管不仅受到叉指pt电极等离子体共振效应的影响,而且还受到inp@zns量子点无辐射能量转移的影响。如图5(b)所示,覆盖inp@zns量子点层后,光伏电压从150mv增加到300mv。增强的自供电能力归因于inp@zns量子点增强的光收集能力,将光电晶体管暴露于环境中三个月后inp@zns-mos2基杂化光电晶体管器件的光伏电压保持在初始值,而mos2基光电晶体管器件的光伏特性略有下降,这表明inp@zns量子点可以同时作为封装层,避免mos2直接暴露于环境中,从而防止光电探测器件光响应特性的退化。

inp@zns-mos2杂化光电晶体管耐受性和光响应速度性能评估:

图6(a)所示,在2000hz的高频率光脉冲辐照下,inp@zns-mos杂化光电晶体管器件可以在连续4000个循环后仍能很好地工作,这表明器件具有良好的重复性以及超快的响应速度。响应速度是光电探测器的关键指标之一,特别是在光通信、监测、成像和传感等领域的应用。它可以通过用示波器检测光伏电压的变化(上升/下降沿)来估计。图6(b)所示为inp@zns-mos2杂化光电晶体管器件的单脉冲光伏响应放大曲线。本发明中杂化型光电晶体管器件具有21.5和133.3μs超快的上升和下降时间。如表1所示,该结果是目前报道的mos2基杂化型光电晶体管中响应速度最快的结果之一。传统的高响应度光电探测器的响应速度通常是几十毫秒或更长。本发明中inp@zns-mos2杂化光电晶体管器件的超快响应速度是由于特殊设计的器件结构所导致。mos2沟道材料在表面等离子体效应的辅助下,通过无辐射能量转移过程从inp@zns量子点接收到大量的电子-空穴对。利用叉指的pt电极与mos2材料之间的肖特基结,光生电子可以被有效地分离并注入mos2材料中,由于mos2沟道材料具有较高的面内迁移率,本发明中双层mos2提供了一个快速的载流子传输通道。

一种提高光电探测性能的mos2光电晶体管的制备方法,如图所示,该方法包括如下步骤:

步骤一:称取aldrich牌,含量为99.5%的moo3粉末和aldrich牌,含量为99.98%的s粉末作为钼源和硫源。在石英管中通入流量为15sccm的ar/h2(19:1)混合气体作为载气和还原气。在制备过程中,将moo3源(0.05g)和s源(0.2g)分别加热到700℃和170℃,并维持40分钟,获得双层mos2薄膜;

步骤二:采用湿法转移技术,将确认为双层的三角形mos2薄膜转移到尺寸为1.3cm×1.7cm的所述si/sio2衬底上,作为栅介质;

步骤三:采用紫外光刻技术对叉指电极进行了图形化,利用电子束蒸镀技术制备光电晶体管漏源电极,该漏源电极结构为pt,厚度为50nm;采用剥离工艺实现具有叉指电极的mos2基光电晶体管。pt电极指长300μm,宽2μm,间距5μm;

步骤四:将溶于甲苯溶剂的浓度为0.25mg/ml的inp@zns量子点以2000转/分的转速旋涂60s于mos2光电晶体管上,并在80℃的空气环境中加热120s;在ar环境下对inp@zns-mos2基杂化光电晶体管进行150℃退火1小时,一方面提高pt/mos2的接触性能,另一方面,使甲苯溶剂挥发(甲苯沸点:110.6℃);

步骤五:在si/sio2衬底背面用速干银浆制备出光电晶体管背栅电极。

再多了解一些
当前第1页 1 2 3
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1