一种基于多层二维三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件和方法
本发明属于高灵敏度宽波段光电探测器领域，具体属于一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件和方法。
背景技术：
1、在过去的几十年里，蓬勃发展的光电产业改变了世界，并延伸到了生活的方方面面。作为最重要的光电器件之一，具有光电转换能力的光电探测器一直受到广泛关注。而层状二维材料(如石墨烯等)因其原子级层厚、良好的柔性，无悬挂键的稳定表界面和可调控能带结构带来的高灵敏光电响应，在光电探测领域逐渐引起人们的重视，在物联网和可穿戴设备方面展现了广阔的应用前景。
2、在热激励下产生的载流子扩散形成的电流，以及材料缺陷所导致的载流子浓度升高进而引发的泄漏电流统称为暗电流，暗电流是光电器件的一项重要的指标。暗电流会降低光电器件信噪比，不利于对弱光和较宽波段光信号的探测。尤其对于宽波段器件，暗电流会覆盖部分光响应偏弱的波段，大大降低器件灵敏度。随着宽谱探测应用场景的不断挖掘，工作在不同波长区域的光电探测系统被证明在转换通信、夜视、材料识别、生物医学检测等方面具有重要的应用价值。因此如何降低器件暗电流成为本领域的热点问题。
3、目前，主要有如下几种降低二维材料光电器件暗电流的方法：1.能带对准：将不同光电性能材料以异质结或p-n结形式结合，其内部的势阱能够阻拦载流子的流动，从而降低暗电流。2.局部外加电场调节：通过外加电场调节载流子的迁移，引起能带弯曲，同时促进光生载流子的分离，抑制载流子复合，进而降低暗电流。3.界面处理：利用缺陷诱导的陷阱态以及界面插层工艺或表面钝化处理抑制界面结合处的暗电流，降低噪音。举例而言，接近裂隙型wse2/snse2异质结二极管既使用了能带对准，又外加电场调节，器件暗电流可以降低到10na。又如，bp/graphene/inse范德华异质结利用界面处理，也可降低暗电流至10na。
4、对于能带对准工艺，现有技术往往是通过异质结能带匹配以及能带调控来改善异质结光电性能，专注于-异质结结构的设计与制备，过于注重材料种类的选取，忽视了结构中界面的性能调控，导致热电子快速堆积，迁移速率过快，无法高效降低暗电流，进而影响此二维材料在宽波段高灵敏光电器件上的应用。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件和方法，能够降低高灵敏度宽波段光电探测器的工艺难度、成本低且易于实现集成化制备，为开发具有超宽带探测能力的超宽带光电探测器提供新思路，在集成化、高性能的光电探测器、图像传感器以及神经形态光电器件等领域具有较大的应用前景。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件，包括自下而上依次设置的衬底、中间层和顶层；所述中间层为具有相比顶层和衬底材料较低的导带底，在衬底和顶层之间形成电子势阱；
4、所述中间层和衬底之间形成异质结，所述顶层和中间层之间形成异质结；
5、所述衬底和顶层的表面设置有源电极和漏电极；源电极和漏电极相连接；所述中间层和顶层的材料均为二维层状过渡金属硫属化合物。
6、优选的，所述衬底材料为氮化镓、硅，碳化硅、氧化锌，金刚石，氮化铝中的一种或多种。
7、优选的，所述源电极和漏电极采用的材料为铬、金、铂、银、石墨烯、ito中的一种或多种。
8、优选的，所述二维金属硫属化合物为二维金属硫化合物、二维金属硒化合物或二维金属碲化合物。
9、优选的，所述中间层和顶层的材料为不同种类的二维金属硫属化合物，中间层材料的导带底低于顶层材料0.2ev以上。
10、一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件的制备方法，包括以下步骤，
11、步骤1，在衬底上制备二维金属硫属化合物中间层，使中间层和衬底形成异质结；
12、步骤2，判断中间层厚度是否合适且均匀，否则返回步骤1；
13、步骤3，在中间层上制备二维金属硫属化合物顶层，使顶层和中间层形成异质结；
14、步骤4，判断顶层厚度是否合适且均匀，否则返回步骤1；
15、步骤5，在衬底表面制备源电极，在顶层表面制备漏电极，形成多层异质结构的超低暗电流宽波段光电器件。
16、优选的，步骤1和步骤3中采用气相沉积法制备二维金属硫属化合物形成中间层和顶层。
17、进一步的，进行气相沉积时采用化学气相沉积法或物理气相沉积法，其中物理气相沉积法包括电子束蒸发沉积或热蒸发沉积。
18、优选的，所述源电极和漏电极采用微纳加工工艺进行制备，通过膜片遮掩实现区域选择性处理，使暴露区域在电极材料气氛中沉积电极材料，从而在衬底和顶层的表面形成源电极和漏电极。
19、优选的，进行气相沉积时所处环境为超高真空环境。
20、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
21、本发明提供一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件，基于多层异质结构的超低暗电流宽波段光电器件通过在中间层在衬底和顶层之间形成深度大于0.2ev的电子势阱，使得热电子的双向移动都获得更大阻力，更大程度降低暗电流；利用中间层材料比衬底和顶层材料更大的电子亲合能，设计中间层厚度使得中间层可以作为热电子缓冲区，进一步降低暗电流对器件性能的影响；所设计的多层异质结改变材料的局部电子结构和能带结构，形成新的量子态，对热电子具有量子约束效应。以上机制在从红外到紫外的全部波段的光照下均可以有效抑制暗电流、促进光生载流子的分离，同时所具有的超低暗电流的特性以及二维金属硫属化合物的应用也拓展了本发明所述光电器件应用的光照波长区间。举例实施例1，以n型inse作为电子吸收层起到降低暗电流作用的同时，增强了其光电响应，最终在-1.5v情况下，获得了e-10a的暗电流量级。
22、本发明提供一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件的制备方法，采用多次超高真空环境下的气相沉积制备，超低暗电流宽波段光电器件的制备方法简便易行，极大简化了超低暗电流宽波段光电器件繁琐的制备过程，降低工艺难度，易于实现大规模制备和器件集成。并且，该制备方法可在极大部分衬底上实施，为器件集成提供便利。
技术特征：
1.一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件，其特征在于，包括自下而上依次设置的衬底、中间层和顶层；所述中间层为具有相比顶层和衬底材料较低的导带底，在衬底和顶层之间形成电子势阱；
2.根据权利要求1所述的一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件，其特征在于，所述衬底材料为氮化镓、硅，碳化硅、氧化锌，金刚石，氮化铝中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件，其特征在于，所述源电极和漏电极采用的材料为铬、金、铂、银、石墨烯、ito中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件，其特征在于，所述二维金属硫属化合物为二维金属硫化合物、二维金属硒化合物或二维金属碲化合物。
5.根据权利要求1所述的一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件，其特征在于，所述中间层和顶层的材料为不同种类的二维金属硫属化合物，中间层材料的导带底低于顶层材料0.2ev以上。
6.一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
7.根据权利要求6所述的一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件的制备方法，其特征在于，步骤1和步骤3中采用气相沉积法制备二维金属硫属化合物形成中间层和顶层。
8.根据权利要求7所述的一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件的制备方法，其特征在于，进行气相沉积时采用化学气相沉积法或物理气相沉积法，其中物理气相沉积法包括电子束蒸发沉积或热蒸发沉积。
9.根据权利要求6所述的一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件的制备方法，其特征在于，所述源电极和漏电极采用微纳加工工艺进行制备，通过膜片遮掩实现区域选择性处理，使暴露区域在电极材料气氛中沉积电极材料，从而在衬底和顶层的表面形成源电极和漏电极。
10.根据权利要求6所述的一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件的制备方法，其特征在于，进行气相沉积时所处环境为超高真空环境。
技术总结
本发明公开了一种基于多层二维/三维材料异质结构的超低暗电流宽波段光电器件和方法，包括自下而上依次设置的衬底、中间层和顶层；中间层和衬底之间，顶层和中间层之间分别形成两个反向的异质结；中间层材料的能带具有比顶层和衬底材料低的导带底，因此在衬底和顶层之间形成电子势阱；衬底和顶层的表面分别接源电极和漏电极；源电极和漏电极连接可监测光电流的外电路；中间层和顶层的材料均为二维层状过渡金属硫属化合物。本发明能够降低高灵敏度宽波段光电探测器的工艺难度，结合了二维材料光探测灵敏性和三维半导体衬底兼容现有半导体工艺的优势，在高性能的光电探测器、图像传感器以及神经形态光电器件等领域具有较大的应用前景。
技术研发人员：尚武睿,林韵,张一诺,潘毅
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23