本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于二硫化鉬和金垂直肖特基結(jié)的近紅外探測(cè)器和相關(guān)的測(cè)試方法，具體是指利用這種獨(dú)特的垂直肖特基結(jié)構(gòu)，在不影響光照入射的情況下，通過(guò)金和二硫化鉬形成的肖特基結(jié)來(lái)抑制溝道中因缺陷熱電離產(chǎn)生的本征載流子，從而大大降低探測(cè)器在零偏壓的暗電流，加速光生載流子的分離效率，提高器件的信噪比和探測(cè)能力。

背景技術(shù)：

二維材料由于獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，從而在光、電、磁等物理化學(xué)領(lǐng)域具有一系列的奇特現(xiàn)象，引起了研究者們的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是發(fā)展下一代納米光電器件的潛力候選者，成為當(dāng)今納米材料研究領(lǐng)域的熱門(mén)前沿。其中二硫化鉬(mos2)作為典型的二維材料，層與層之間通過(guò)范德瓦爾斯力連接；帶隙隨著層數(shù)的減少可由多層的間接帶隙(1.2ev)變?yōu)閱螌拥闹苯訋?1.8ev)。其高遷移率(184cm²·v^-1·s^-1)和高響應(yīng)率(2570a/w)可作為高速電子器件、光電子器件和光電探測(cè)器等諸多技術(shù)領(lǐng)域的潛力取代者(nanoletter13100-105(2013).advancedmaterials276575(2015))。

然而，基于mos2的光電探測(cè)器因其豐富的表面態(tài)和晶格缺陷會(huì)產(chǎn)生高的本征載流子濃度，在一定程度上導(dǎo)致器件具有較大的暗電流并且降低器件的響應(yīng)速度，從而嚴(yán)重影響了器件的光探測(cè)性能。因此，迫切需要研究一種獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)來(lái)降低暗電流，提高器件的響應(yīng)速度從而提高器件的信噪比和探測(cè)能力。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于mos2垂直肖特基結(jié)的近紅外探測(cè)器及其制備方法。該方法是利用金的高功函數(shù)和mos2形成肖特基結(jié)光電二極管。利用肖特基結(jié)的負(fù)向整流，來(lái)抑制mos2溝道中因缺陷或陷阱所產(chǎn)生的本征載流子，從而大大降低了探測(cè)器在的暗電流，另外一方面mos2和金形成的內(nèi)建電場(chǎng)能提高光生電子和空穴對(duì)的分離，同時(shí)提高了器件的信噪比和響應(yīng)速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了基于二硫化鉬垂直肖特基結(jié)的近紅外探測(cè)器及其制備方法。該探測(cè)器利用二硫化鉬和金形成的肖特基結(jié)來(lái)抑制溝道中的本征載流子降低暗電流，同時(shí)加快光生電子和空穴的分離，大幅提高了探測(cè)器的靈敏度和響應(yīng)速度。

所述的探測(cè)器的結(jié)構(gòu)：帶有sio2氧化層的p型si襯底1、在sio2氧化層制作金底電極2，金底電極正上方是通過(guò)定點(diǎn)轉(zhuǎn)移的二硫化鉬層3、在二硫化鉬的正上方是ito的頂電極4，并且保證ito頂電極和金底電極沒(méi)有接觸區(qū)域；

所述的p型si襯底1是硼重?fù)诫s，sio2氧化層厚度是300nm，電阻率小于0.05ω·cm；

所述的底電極2是cr和au，厚度分別是15和50nm，并且金和二硫化鉬直接接觸；

所述的二硫化鉬層3的的厚度是50～100nm,長(zhǎng)寬分別是20～50um；

所述的頂電極4是ito，厚度是100～200nm；

本發(fā)明提供了一種基于二硫化鉬垂直肖特基結(jié)的近紅外探測(cè)器的制備方法步驟如下：

1.利用電子束曝光ebl技術(shù)，熱蒸鍍和剝離等技術(shù)沉積鉻和金作為底電極；

2.采用機(jī)械剝離的方法將膠帶上的二硫化鉬轉(zhuǎn)移到pdms上，然后通過(guò)定點(diǎn)轉(zhuǎn)移的設(shè)備，在pdms上挑選合適厚度的樣品轉(zhuǎn)移到金底電極的正上方，樣品的厚度可以通過(guò)二硫化鉬在硅片上的反射光初步確定，最后通過(guò)raman,afm和sem來(lái)確定材料的微觀形貌和準(zhǔn)確的厚度。

3.利用電子束曝光ebl技術(shù)，磁控濺射和剝離等技術(shù)在預(yù)先轉(zhuǎn)移的二硫化鉬的正上方準(zhǔn)確定位沉積ito的頂電極，從而制備成具有垂直肖特基結(jié)的mos2近紅外探測(cè)器。

二硫化鉬因缺陷或非故意性摻雜引入高的熱激發(fā)本征載流子濃度，在一定的偏壓下，這些本征載流子被電極收集形成較大的溝道電流即暗電流。光照下，當(dāng)入射光子的能量大于二硫化鉬的禁帶寬度時(shí)，產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)在外加偏壓下分離，從會(huì)形成光生電流，此時(shí)收集的電流為暗電流與光生電流的總和。引入垂直肖特基結(jié)光電二極管，利用肖特基的負(fù)向整流來(lái)抑制溝道中因缺陷或非故意性的摻雜所產(chǎn)生的本征載流子，使得探測(cè)器的暗電流能降至pa，達(dá)到抑制暗電流的目的。同時(shí)光生電子和空穴在肖特基結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)下快速分離，提高器件的響應(yīng)速速。由于垂直的肖特基勢(shì)壘的存在，光照下的溝道電流主要是由光生電子和空穴所產(chǎn)生的光生電流形成，暗電流得到了有效的抑制，并且產(chǎn)生的光生電子和空穴可以快速的分離，從而大大提高了器件的信噪比和響應(yīng)速度。

本發(fā)明專利的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)利用金和二硫化鉬形成的垂直肖特基結(jié)來(lái)抑制溝道中因缺陷或非故意性的摻雜產(chǎn)生的本征載流子，從而大大降低了探測(cè)器的暗電流并且加速光生電子和空穴的分離，提高了器件的信噪比和響應(yīng)速度?；谠摲椒?，二硫化鉬形成的垂直肖特基結(jié)近紅外探測(cè)器的響應(yīng)速度上升沿64μs，下降沿51μs，暗電流可以到10^-12a,響應(yīng)率和探測(cè)率可以穩(wěn)定的保持在～1a/w和～10¹⁰jones。

附圖說(shuō)明

圖1是基于二硫化鉬垂直肖特基結(jié)近紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1中：1si襯底，2金底電極，3多層二硫化鉬，4ito頂電極。

圖2是垂直肖特基近紅外探測(cè)器在零偏壓下光照前后的能帶圖。圖2(a)是光照前的能帶圖，圖2(b)是光照后的能帶圖。

圖3是垂直肖特基近紅外探測(cè)器分別在無(wú)光和有光照下的輸出特性曲線。

圖4是垂直肖特基近紅外探測(cè)器在不同入射光功率下的響應(yīng)率和探測(cè)率。圖4(a)是響應(yīng)率，圖4(b)探測(cè)率

圖5是垂直肖特基近紅外探測(cè)器的響應(yīng)速度曲線。圖5(a)是上升沿的時(shí)間，圖5(b)是下降沿時(shí)間。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明研制了垂直肖特基近紅外探測(cè)器。通過(guò)金和二硫化鉬形成的肖特基結(jié)來(lái)抑制二硫化鉬溝道中的本征載流子，從而大大降低了探測(cè)器的暗電流并且加速光生電子和空穴的提高了器件的探測(cè)性能。

具體步驟如下：

1.選用重?fù)诫sp型硅做為襯底，電阻率小于0.05ω·cm，sio2氧化層厚度是300nm；

2.利用designcad2000軟件設(shè)計(jì)制備底電極的圖形，用勻膠機(jī)先后旋涂mma和pmma并150度烘干時(shí)間分別大于1分鐘和5分鐘；利用電子束曝光(掃描電鏡jeol6510與微圖形發(fā)生系統(tǒng)npgs的組裝)，對(duì)電極圖形進(jìn)行精準(zhǔn)定位曝光，然后顯影；利用熱蒸發(fā)技術(shù)制備金屬電極，鉻15納米，金50納米；結(jié)合傳統(tǒng)的剝離方法，剝離金屬膜，獲得金底電極，電極引出線寬度為10μm。

3.用膠帶將過(guò)渡金屬硫族化合物mos2晶體機(jī)械剝離，然后把其轉(zhuǎn)移到pdms的襯底上。

4.利用定點(diǎn)轉(zhuǎn)移設(shè)備上的顯微鏡，在pdms襯底上通過(guò)顏色對(duì)比選取合適厚度范圍內(nèi)的多層二硫化鉬的原材料。然后運(yùn)用定點(diǎn)轉(zhuǎn)移技術(shù)把pdms上的二硫化鉬轉(zhuǎn)到金底電極的正上方，轉(zhuǎn)移的誤差范圍小于2μm。

5.在硅片上用顯微鏡尋找與金底電極正上方類似反射光的二硫化鉬原材料，并且利用原子力顯微鏡(afm)，raman光譜和掃描電子顯微鏡(sem，jeol6510)準(zhǔn)確的確定特定二硫化鉬的厚度和微觀形貌，避免表征對(duì)材料的損傷。

6.利用designcad2000軟件設(shè)計(jì)出電子束曝光的頂電極的圖形；用勻膠機(jī)先后旋涂光刻膠mma和pmma并150度烘干時(shí)間分別大于1分鐘和5分鐘；利用電子束曝光(掃描電鏡jeol6510與微圖形發(fā)生系統(tǒng)npgs的組裝)，對(duì)電極圖形進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在二硫化鉬正上方的曝光，然后顯影；利用磁控濺射生長(zhǎng)透明電極ito，生長(zhǎng)時(shí)間半小時(shí)，溫度為100度；生長(zhǎng)完畢后，在丙酮中進(jìn)行ito的剝離，形成垂直肖特基結(jié)的可見(jiàn)光到近紅外探測(cè)器。

7.圖1是器件結(jié)構(gòu)示意圖。

8.圖2是探測(cè)器在零偏下光照前后下的能帶圖。其中，圖2a是光照前的能帶圖，mos2中因缺陷或非故意摻雜的本征載流子被金屬和二硫化鉬形成的肖特基結(jié)所抑制，探測(cè)器在零偏壓附近形成極小的暗電流；而圖2b在光照情況下，當(dāng)入射光子的能量大于mos2的禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶并且在肖特基內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)快速分離形成光生電動(dòng)勢(shì)同時(shí)驅(qū)動(dòng)外電路形成較大的光電流。

9.圖3是探測(cè)器分別在無(wú)光和有光照下的輸出特性曲線。光照前，由于金和二硫化鉬形成良好的肖特基勢(shì)壘，抑制了探測(cè)器的暗電流，使器件的暗電流在零偏下可以達(dá)到10^-12a。光照后，肖特基勢(shì)壘形成的光生電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)外電路從而得到極大的光電流，光開(kāi)關(guān)比iph與idark之比達(dá)10⁶，信噪比得到大大地提高。

10.圖4是光電探測(cè)器在不同入射光功率下的響應(yīng)率和探測(cè)率的曲線。圖4(a)是光電探測(cè)器在不同入射光功率下的響應(yīng)率。入射光的波長(zhǎng)為637nm,光功率由3.38mw/mm²衰減到0.00338mw/mm²跨度3個(gè)數(shù)量級(jí)，響應(yīng)率符合理想光電二極管的特性保持不變達(dá)到～1a/w；如圖4(b)是由公式d*＝ra^1/2/(2ei)^1/2得到探測(cè)率，維持在～10¹⁰jones。

11.圖5是垂直肖特基結(jié)近紅外探測(cè)器的響應(yīng)速度曲線。上升沿的時(shí)間定義為光電流從百分十增加到百分之九十，下降沿的時(shí)間定義為光電流從百分九十減少到百分之十。圖5(a)和圖5(b)是探測(cè)器上升沿的時(shí)間64μs，下降沿時(shí)間51μs；這打破了以前二硫化鉬光電探測(cè)器毫秒級(jí)別的響應(yīng)速度。這要?dú)w功于較短的垂直溝道，縮短了載流子的渡越時(shí)間和載流子能在肖特基的內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)快速的分離。同時(shí)二硫化鉬垂直肖特基結(jié)近紅外探測(cè)器顯示了超高的光響應(yīng)性能，相應(yīng)的波長(zhǎng)可以到1000nm。

二硫化鉬垂直肖特基結(jié)近紅外探測(cè)器(厚度50nm)光電探測(cè)器在波段(λ＝637nm)的響應(yīng)速度上升沿42μs；

二硫化鉬垂直肖特基結(jié)近紅外探測(cè)器(厚度70nm)光電探測(cè)器在波段(λ＝637nm)的響應(yīng)速度上升沿51μs；

二硫化鉬垂直肖特基結(jié)近紅外探測(cè)器(厚度90nm)光電探測(cè)器在波段(λ＝637nm)的響應(yīng)速度上升沿64μs。

結(jié)果說(shuō)明本發(fā)明提供的利用肖特基結(jié)結(jié)構(gòu)作為光電探測(cè)器來(lái)降低暗電流、提高器件的信噪比和響應(yīng)速度的方法是合理的、有效的。