[实用新型]一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器

说明书

本专利公开了一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器。器件结构自下而上依次为是绝缘衬底、双极性二维半导体，金属电极、铁电功能层。器件制备步骤是：利用机械剥离法在衬底上制备双极性二维半导体，利用紫外光刻或电子束光刻的方法结合热蒸发、剥离工艺制备金属电极，然后在该结构上用旋涂法制备铁电薄膜，随后利用压电力显微镜使二维材料上方两侧的铁电材料极化方向相反，利用铁电局域场调控二维半导体两侧分别为电子和空穴导电，形成面内PN结，并用于光电探测。器件工作时无需外加电压，通过测量光照下的电流信号变化，实现光电探测，也可用于光伏能源转换。该探测器具有高灵敏、低暗电流、快速响应、稳定性好、低功耗等特点。

技术领域

本专利涉及一种二维半导体光电探测器件，具体指一种铁电场调控的二维材料PN结光电探测器。

背景技术

过去十几年中，二维材料由于其独特性能在各个领域受到广泛关注和研究。以石墨烯、黑磷以及二硫化钼为代表的二维材料在生物、医学、化学以及物理等不同领域都有重大突破。由于大多数二维材料都具有半导体特性，并且其带隙各不相同，足以覆盖整个光谱，因此在光电探测领域也表现出巨大潜力。如石墨烯在太赫兹波段的探测研究以及其它二维材料对紫外到红外波段的探测研究等都为光电探测领域提供了新途径。

由于二维材料种类丰富，能带结构多样，且表面不存在悬挂键，因此可不受限于晶格匹配的限制而形成各种不同的异质结。PN结作为一种重要的异质结是现代电子和光电器件的基础元件，并广泛应用于二极管，双极型晶体管，发光二极管，太阳能电池，光电探测器等等。传统PN结结区通常通过化学掺杂的方式形成，而很多二维材料本身具有双极性，例如WSe₂,MoTe₂,黑磷等，因此可以通过静电掺杂在同一块二维材料内形成PN结，即通过栅电极施加不同电压使一块二维材料内的载流子是电子或者空穴，从而形成面内PN结。两个距离很近的栅电极分别施加不同电压，加负电压一侧使WSe₂的费米能级向价带顶移动，从而实现空穴注入，另一侧加正电压使费米能级向导带底移动，实现电子注入，这样就在同一块二维材料中实现了PN结。二极管有良好的整流特性，理想因子和整流因数分别是1.9和10⁵，对可见光有明显的光响应，响应率达到210mA/W[Nature nanotechnology,2014,9(4):262]。另外，这个器件具有光伏特性和电致发光特性，可用于光伏太阳能电池和发光二极管，其光电转化效率和发光效率分别达到0.5％和0.1％[Nature nanotechnology,2014, 9(4):257]。

虽有上述优点，但此器件要求栅电极在空间上间隔很小(约三百纳米)，对工艺要求极高，且工作时需不断施加两个栅极电压，极大增加了能耗。为了规避这些不足，我们提出用铁电材料剩余极化调控同一块二维材料内的载流子类型从而形成PN结的方法。铁电材料是具有极化特性的一类电介质材料，施加外加电压使铁电材料极化，撤去外加电压后，其内部电偶极子整齐排列，可以产生巨大的内建电场。因此将铁电材料与二维材料相结合，利用铁电材料的剩余极化产生的强局域电场来调控二维材料的内部特性。通过压电力显微镜(PFM)针尖给有机铁电聚合物聚偏氟乙烯(P(VDF-TrFE))施加一个大于其矫顽场的扫描电压，并且两端的电压方向相反，保证二维材料上方的P(VDF-TrFE) 完全极化且铁电畴方向恰好相反。在铁电材料剩余极化场的作用下，双极性二维材料的两边分别是空穴和电子注入，形成PN结，从而实现光电探测。由于单一二维材料的光电流主要源于光电导效应，因此光响应慢，响应率低。而 P(VDF-TrFE)极化电场调控下形成的PN结，其光伏特性不仅可以实现快响应，高响应率，而且不用在工作时一直加着电压，极大降低能耗。

本专利利用铁电材料极化所产生的强局域场来调控二维材料的内部载流子形成PN结，将该器件应用于光电探测，可以有效提高二维材料的光响应率、响应时间等性能，且无需施加外加栅压。在极大程度上开发和利用了二维材料在光电探测上的潜力，同时加速了其在光电探测领域走向应用的步伐。

发明内容