[发明专利]一种纳米层状横向同质PN二极管及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种纳米层状横向同质PN二极管及其制备方法与应用。所述p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜均位于介质层的上表面，且横向连接；电极层分别与p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜纵向连接或横向连接；所述p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜由相同过渡金属硫族化合物组成。本发明制备方法简单，采用磁控溅射使氧等离子体实现过渡金属硫族化合物高效率低损伤的p型掺杂，实现了有效、可控掺杂，得到的二极管用于光电探测器具有更快光响应和更高探测率。

技术领域

本发明属于光探测器领域，更具体地，涉及一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管及其制备方法与应用。

背景技术

二维过渡金属硫族化合物层状材料(TMDs)，因具有极高的电子迁移率和其他优异的光、电、机械、化学、声、力学等特性而倍受关注。过渡金属硫族化合物化学结构类似，显示为半导体特性的过渡金属硫族化合物各项性能也相仿，例如都具有随层数变化的带隙。以MoS₂为例，MoS₂是一种本征为n型的半导体材料并且带隙(1.29eV-1.8eV)随层数变化。MoS₂有优良的载流子迁移率，单层载流子迁移率可达410cm²V^-1s^-1，多层载流子迁移率高达500cm²V^-1s^-1。MoS₂还具有很强的吸光能力，据报道MoS₂可吸收可见光到近红外波段的入射光(350-950nm)，约1nm厚的MoS₂就可以吸收约5-10％的入射光，其吸收效率比GaAs和Si的吸收效率大约高一个数量级。 MoS₂薄膜在光电探测器上展现出优异的特性，最近报道的利用铁电体做栅介质的MoS₂光电晶体管探测器光响应度可以达到2570A/W，最短光响应时间只有1.8ms，探测波长范围从可见光到近红外(1.55um)，探测率达到 2.2×10¹²Jones。

目前大部分二维过渡金属硫族化合物光电探测器是光电晶体管型和异质结型，但是基于光电晶体管的过渡金属硫族化合物光探测器的性能受许多因素影响，如栅介质与过渡金属硫族化合物薄膜的界面接触，异质结型光电探测器性能受制于不同材料间接触良好与否和不同材料间定点转移的复杂工艺等等。因此结构更简单，工艺可控、易操作，界面接触更好，有更大潜能展现优异性能的同质结型过渡金属硫族化合物光电探测器成为研究热点。

目前主要采用等离子体注入方法对过渡金属硫族化合物掺杂制备同质横向或纵向PN光电二极管，离子体注入掺杂具有高度选择性和掺杂可控性的优点，但是由于过渡金属硫族化合物具有较弱的结合键和较强的化学活性，在离子轰击过程中会产生物理刻蚀和化学刻蚀破坏过渡金属硫族化合物物理结构，使得掺杂成功率低且制备横向或纵向同质PN二极管光电探测器性能下降。

发明内容

本发明解决了现有技术制备过渡金属硫族化合物同质PN二极管成功率低、制备工艺复杂和光响应慢的技术问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种纳米层状过渡金属硫族化合物横向同质PN二极管，所述PN二极管包括单晶硅、介质层、p型过渡金属硫族化合物膜、n型过渡金属硫族化合物膜和电极层；所述介质层位于单晶硅的上表面；所述p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜均位于介质层的上表面，且p型过渡金属硫族化合物和n型过渡金属硫族化合物膜横向连接；所述电极层由两层金属电极构成；所述电极层位于p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜的上表面，且分别与p 型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜纵向连接；或所述电极层位于p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜的边界外侧，且分别与p型过渡金属硫族化合物膜和n型二过渡金属硫族化合物膜横向连接；所述p型过渡金属硫族化合物膜和n型过渡金属硫族化合物膜由相同过渡金属硫族化合物组成。