[发明专利]一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器及制备方法

说明书

本发明公开了一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器及制备方法。该探测器首先通过磁控溅射在氧化铝衬底上生长了一层均匀的二氧化钒薄膜，然后利用光刻掩膜和氩等离子体刻蚀技术将二氧化钒薄膜刻蚀成阵列，随后通过干法转移将二维半导体转移到二氧化钒材料上，形成垂直结构的异质结，随后运用电子束光刻的方法结合剥离工艺在二氧化钒和二维半导体上制备金属电极，形成垂直结构的异质结型光探测器件。器件结构自下而上为衬底、二氧化钒、二维半导体和金属源漏电极。通过调控偏压，该器件可实现P‑N结和Bolometer转换，从而实现可见光至远红外波段光谱的探测，功耗低，灵敏度高，而且可在高温环境中工作。

技术领域

本发明涉及一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器件，属于纳米材料技术领域。

背景技术

近年来，以二硫化钼(MoS₂)为代表的过渡金属硫族化合物的出现，为光电探测领域的发展提供了契机。这类过渡金属硫族化合物[Nature Nanotechnology 7,699(2012)]具有1eV-2eV的禁带宽度，载流子有效迁移率可以高达几百cm²V^-1s^-1，而且可以利用化学气相沉积的方法实现大面积制备，这些优异特性使得这类材料可以用于可见光的有效探测。事实上，基于二维半导体的光电探测器早已开始研究，并取得了较好的发展，比如基于二硫化钼的光电探测器[Nature Nanotechnology 8,497(2013)]可以实现高灵敏的探测，探测率高达880A W^-1。

然而，过渡金属硫族化合物在光电探测领域也并不是一帆风顺，比如它的禁带宽度限制了它在红外光电探测器方面的应用，因为这类半导体本身的带隙落在紫外至可见波段，虽然通过能带工程能使其延伸到近红外波段[Advanced Materials 27,6575(2015)]，但却很难再进一步延伸。尽管现在也有其他的二维半导体，比如Bi₂SeO₂[NatureCommunications 9,3311(2018)]和BP[Nature Nanotechnology 10,707(2015)]，这些材料的禁带宽度可调，通过厚度的控制可使其带隙处于0.2-0.3eV，可对应到中波红外区域，但这些材料的制备难度和空气稳定性却抑制了他们的发展。此外,二维材料的厚度也限制了他对光的吸收，导致光电转换效率较低，而厚的二维材料暗电流大，很难被完全抑制。基于以上分析，针对二维半导体在光探测器方面的应用，迫切需要通过器件结构的优化和工艺的改进，增加光的吸收同时降低暗电流，并且延长探测波长。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器件。该方法采用二氧化钒和较厚的、空气稳定的、带隙较窄的二维半导体结合，通过构建垂直型异质结型器件，增加光吸收的同时降低暗电流。该器件在零偏压下是P-N结型器件，可以探测到2微米波长的光；在正偏下可利用二氧化钒的bolometer特性，使探测波长延伸到长波红外，实现了超宽光谱的探测；而在极端高温环境中，该器件会转变为肖特基型器件，从而实现光探测，拓宽了光电探测器的应用领域。

本发明是一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器件及制备方法，其特征在于，器件自下而上依次为：

衬底1、二氧化钒2、二维半导体3、金属源极4、金属漏极5，

其中衬底1为厚度为500微米的氧化铝，表面粗糙度为0.5纳米；

其中二氧化钒2为厚度22纳米的二氧化钒薄膜，表面粗糙度为1纳米；

其中二维半导体3为过渡金属硫族化合物，厚度为20-40纳米；

其中金属源极4、金属漏极5为铂和金电极，铂厚度为15纳米，金厚度为65纳米。

本发明是一种二氧化钒和二维半导体的结型光探测器件及制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：