[发明专利]一种基于氧等离子体处理的二维半导体铁电栅型晶体管结构光电探测器件

说明书

一种基于氧等离子体处理的二维半导体铁电栅型晶体管结构光电探测器件，属于光电探测技术领域。以硅/二氧化硅为衬底，二氧化硅上为二维铁电半导体材料选用α‑In₂Se₃，二维铁电材料α‑In₂Se₃上表面经过氧等离子体处理后形成界面绝缘介质层，绝缘介质层上边用机械剥离方法制备二维过渡金属硫族化合物；在二维铁电半导体材料和二维过渡金属硫族化合物上分别通过电极粘附层粘结金属电极。所述器件在二维铁电栅的作用下，得到暗电流低，响应度高的光电探测性能；该器件还有一定光记忆功能，适用于探测记忆一体的多功能器件；本发明的栅介质层制备方法简易，适用于大规模制备，成本低；可应用于光电探测技术领域和人工视觉仿生领域。

技术领域：

本发明涉及光电探测器技术领域，具体来说是氧等离子体处理的二维半导体铁电栅型晶体管结构光电探测器件。

背景技术：

光电探测器作为光信号转为电信号的最基本器件单元应用十分广泛，目前已经广泛应用在光通信、激光测距、跟踪、制导、自动控制以及激光唱机、商品条码读出器、计算机光笔乃至游戏机等军用、民用产品中。其中以硅基以及Ⅲ-Ⅴ族化合物为基础的传统半导体材料探测器因其种类多，光谱范围广，量子效率高等优点，成为各个领域商业化光电探测器中的佼佼者。但是随着信息时代的到来，第三代光电探测器应用需求已经面向更小尺寸、更轻重量、更高性能、更低成本、更低功耗。传统的半导体探测器需要工作在低温下，已经在成本、尺寸和性能上不能满足当前的应用需求。具有原子层厚度的二维材料则有着天然的优势，并且超薄二维材料因有量子限域导致的光场强耦合作用使得其有极高的光吸收效率，被认为是最有潜力的第三代光电探测器应用材料之一。但是二维材料超薄特性也导致了其透明度高，光响应度受限的弊端。为了提高响应度，从器件上构造以栅调控场效应晶体管结构是最为简洁有效的方法。但是目前广泛使用的栅介质材料仍然以传统三维材料(如SiO₂和Al₂O₃)为主，这些传统材料在尺寸缩小到原子级别时会产生大的漏电流而不能满足二维器件应用的需求。目前二维栅介质材料h-BN也已经被发现，但其作为绝缘栅极材料功能单一，缺少放大光电信号以及探测记忆一体等多功能化的可拓展性。不能满足单一器件中日益增长的多功能需求，这限制了二维材料光电探测器件在下一代光电子学中的应用。因此设计一种适用于多功能的由纯二维材料组成的晶体管结构光电探测器件具有重要的意义与应用价值。

发明内容：

本发明提供了一种基于氧等离子体处理的二维半导体铁电栅型晶体管结构光电探测器件，其中基于氧等离子体处理的栅介质层制备方法简易，器件制备难度低，成本低。

一种基于氧等离子体处理的二维半导体铁电栅型晶体管结构光电探测器件，其特征在于，在衬底(1)上制备有一条状二维结构的铁电半导体材料(2)，条状二维结构的铁电半导体材料(2)上有一层界面绝缘介质层(3)；在衬底(1)上还制备有一条状二维过渡金属硫族化合物材料(4)，条状二维过渡金属硫族化合物材料(4)与条状二维结构的铁电半导体材料(2)十字相交，相交处过渡金属硫族化合物材料(4)位于铁电半导体材料(2)上且过渡金属硫族化合物材料(4)与铁电半导体材料(2)之间有界面绝缘介质层(3)；条状二维结构的铁电半导体材料(2)的两端分别制备有独立的金属电极(5)，条状二维过渡金属硫族化合物材料(4)的两端分别制备有独立的金属电极(5)。

所述器件是一种基于氧等离子体加工的二维铁电材料和二维过渡金属硫族化合物(以二硒化钼为例)构建的铁电栅型晶体管结构光电探测器。从下至上依次包括：衬底、二维铁电半导体材料、界面绝缘介质层、二维过渡金属硫族化合物、金属电极。

上述方案中，衬底为硅/二氧化硅，即在硅面上有二氧化硅作为绝缘层，二氧化硅用于隔绝硅衬底的电荷注入；二氧化硅层为在硅上原位热氧化所得，厚度为280～300nm。