[发明专利]一种基于全二维半导体材料的双极性光电晶体管、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及基于全二维半导体材料的双极性光电晶体管及其制备方法和应用，其采用微机械剥离法、化学/物理气相沉积法在SiO₂/Si衬底上制备全二维过渡金属硫族化物(TMDs)半导体层，在半导体层的两端制备Ti/Au电极，随后在TMDs沟道的局部位置沉积介质层；之后对未覆盖介质层的TMDs沟道进行P型掺杂，获得双极性N‑P‑N或P‑N‑P的器件结构。本发明采用全二维TMDs，通过化学局部掺杂的办法获得了双极性光电晶体管结构，解决了纯TMDs探测器中响应速度慢、灵敏度低等问题，实现了高达10³的光增益、响应时间在ms量级、探测率接近10¹²琼斯，其性能可比于商用的Si基探测器，同时制备方法简单，技术成熟，成本低廉，非常有利于商业化推广。

技术领域

本发明涉及微电子和光电探测技术领域，具体涉及一种基于全二维半导体材料的双极性光电晶体管、制备方法及其应用。

背景技术

电探测技术是影响人类现代生活众多技术的核心，极大丰富和方便了人们日常生活，在军事、工业、医学、安防等领域都具有极为广泛而重要的应用。传统薄膜半导体(如Si和InGaAs等)探测器虽工艺成熟，但同时也面临着材料制备困难、工艺复杂、低温工作、成本昂贵等难题。因此，迫切需要发展新材料和新结构，以满足不断提高的光电探测技术的快速发展需求。

由于具有原子层厚、机械柔韧性、强烈的光-物相互作用的优势特性，新型的二维过渡金属硫族化物(TMDs)，包括MoS₂等，在新一代的晶体管、光电探测器和太阳能电池等领域中展现出不可估量的应用前景。目前研究者已通过各种途径和方法来提高MoS₂光电探测器的性能指标。例如，通过提高材料迁移率和金半接触质量，薄层MoS₂光电晶体管的响应度从7.5mA/W提高到了880A/W，然而缺点是较慢的响应速度。随后，由TMDs组成的PN结构的光电二极管也被研发出来，响应速度得到了极大的改善，但由于缺乏光增益机制，其响应度很小，这会限制光电转化效率和进一步的应用。

获得高性能光电探测的关键是集高增益、低噪声和快响应为一体，鉴于此，本发明创造性的制备了一种基于全二维TMDs的双极性光电晶体管，该NPN和PNP两种类型的双极光电晶体管可以产生大于10³的光增益，响应速度在毫秒量级，探测率近10¹²琼斯，解决了基于TMDs单极晶体管增益小或速度慢的缺点。这些关键性能指标可比于商用的Si基探测器，同时制备过程简单，设备易得，成本低廉，非常有利于商业化推广。

发明内容

针对现有技术中存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种全二维TMDs的双极性光电晶体管及其制备方法和应用，其结合了高增益、低噪声和快响应等优良指标，从而整体上表现出超高的灵敏度。同时，器件的厚度为原子层厚，尺寸极小。制备方法简单，成本低廉，有利于大规模、大面阵、高密集和高灵敏的光电探测器系统制作，具有一定的应用前景和商业价值。

基于上述目的，本发明至少采用如下技术方案：

一种基于全二维半导体材料的双极性光电晶体管的制备方法，其包括以下步骤：

采用微机械剥离法或化学/物理气相沉积法在SiO₂/Si衬底上制备全二维过渡金属硫族化合物(TMDs)半导体层；

在所述半导体层的两端沉积金属电极；

在所述半导体层的局部位置沉积介质层；

以AuCl₃溶液作为P型掺杂剂旋涂于所述半导体层上未沉积介质层的部位；

退火后获得双极性N-P-N或P-N-P结构的光电晶体管。