1.本发明涉及半导体光电器件领域，具体涉及一种光电探测器及其制备方法。
背景技术：2.半导体光电器件是指利用光电效应(或热电效应)实现光和电互相转化的新型半导体器件，其中光电探测器的应用领域十分广泛，其在通信、传感、成像及环境保护等方面均起到了十分重要的作用，因而在商业和军事应用中备受关注。光电探测器的基本工作机理包括三个过程：(1)光生载流子(即光生激子)在光照下产生；(2)载流子发生分离并扩散或漂移而形成电流；(3)光电流在放大电路中放大并转换为电压信号；从以上可以看出，如何使光生载流子在高效产生的同时实现有效分离和输运是优化光电探测器性能的重要课题。
3.目前，因为受到光吸收材料本身带隙宽度较大的影响，传统的硅基或有机光电探测器的光响应范围被限制在了可见光及近红外光波段，极大地影响了光电探测器的效率提升。因此研究者们一直在努力寻找更合适、更高效的新型半导体材料，其中以过渡金属硫族化合物为代表的二维吸光材料展现了巨大的潜力，它们的带隙处于0.1～5.6ev，可吸收远红外光区的光能量，且当它们处于少层二维材料的状态时，材料中的电子能态可以被限制在某些特定的能量区域，在能量接近于禁带宽度的光子入射时，就会有更大的几率激发出电子-空穴对，因而能表现出超高的响应率。
4.但在光电探测器的实际使用中，还需要有效调控光生载流子的分离与传输过程，这对于实现高灵敏光电探测器的制造至关重要。而评判光生载流子分离与传输过程的重要指标是光电探测器的响应速度以及反应带宽。其中，响应速度可以用光生载流子的渡越时间表示，而载流子渡越时间的外在频率响应则表现为探测器的反应带宽。光生载流子的渡越时间在光生电流的变化中分为上升时间和下降时间，通常取两者之中的较大值来衡量探测器的响应速度，具体来说决定探测器响应速度的因素主要有：(1)耗尽区载流子的渡越时间：当耗尽区电场强度达到最大时，那么载流子的渡越时间为：t＝w/vd；其中vd表示载流子的最大漂移速度，w表示耗尽区宽度；(2)耗尽区外载流子的扩散时间：大多数产生于耗尽区之外的载流子寿命非常短，复合发生速度快，所以只有距离耗尽区范围较近的载流子才能通过扩散运动到达耗尽区中，并在电场中漂移产生光电流，此时的扩散时间为：t
diff
＝d2/(2dc)；其中，dc表示载流子的扩散系数，d表示扩散距离。
5.因此从以上可以看出，缩短耗尽区宽度并减小扩散距离，即缩短光电探测器源极和漏极之间的电极间隙，使处于源极和漏极之间的导电沟道宽度进一步缩短，可以实现激子的高效分离并促进载流子的快速传输，从而有效提高探测器的灵敏度，但目前，由于受到微纳加工刻蚀过程中光刻胶分辨率的影响，常规的电极间隙基本大于50nm，且利用现有技术将沟道长度减小，还会导致光电探测器的暗电流和噪声逐渐提高，使得探测功耗以及性能受到强烈影响。
6.除了缩短耗尽区宽度的方法外，研究者们也针对于探测器的材料、工艺、器件结构
甚至调试方法等方面对光电探测器件进行优化以提升器件的响应率及响应速度等性能。其中利用铁电材料被证实是一种有效的手段，铁电材料具有非挥发性的极化特性，可以在表面形成强局域电场，利用铁电材料的强局域电场可以有效地调控光生载流子的输运特性，进而抑制暗电流、提升载流子迁移率。
7.cn109950403a公开了一种铁电场调控的二维材料pn结光电探测器及制备方法，该发明通过在金属电极上添加铁电功能层，并对铁电功能层进行不同方向的极化，来对位于铁电功能层下表面的二维半导材料mote2进行不同类型的掺杂，得到pn结型光电二极管，虽然该发明证实了铁电极化对二维材料光电响应特性的调控机制，但光生载流子在传输时仍然具有较大的复合概率，从而影响了光电特性的进一步提升；cn106449854a公开了一种全耗尽铁电侧栅单根纳米线近红外光电探测器及制备方法，该发明除了设置有源极和漏极外，还在同一层面设置有相对的两个侧栅电极，并在四个电极上覆盖铁电聚合物材料，通过这种独特的侧栅器件结构以及铁电聚合物材料负向极化所产生的超强静电场，来完全耗尽光吸收材料磷化铟纳米线中因缺陷或陷阱所产生的本征载流子，从而显著降低了探测器在无栅压下的暗电流，大幅提高了器件的信噪比和探测能力；但以上两个发明都将铁电材料置于光吸收材料的上层空间，这种结构设计不仅降低了器件的光吸收效率，同时也增大了操作电压以及器件的功耗。
8.综上所述，目前亟需开发一种新型的光电探测器及其制备方法。
技术实现要素：9.鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光电探测器及其制备方法，所述光电探测器包括第一衬底层，以及在所述第一衬底层的绝缘层一侧自下而上依次设置的第二衬底层、光敏层、保护层以及电极间隙为0.5～20nm的源极和漏极。本发明构造的超短电极间隙能减小电子-空穴对的复合，有效缩短载流子的渡越和扩散时间，从而提高器件响应速度和探测精确度，实现器件对微弱光的探测；同时，在第二衬底层中铁电材料的配合下，能有效调控载流子的输运状况，使得器件在背栅电压和源漏电压不变时，实现不同光强的探测，且不影响器件的光吸收效率又能有效降低功耗，而在没有栅压时也能有效降低暗电流，使所述光电探测器的性能进一步提升。
10.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
11.第一方面，本发明提供了一种光电探测器，所述光电探测器包括第一衬底层，以及在所述第一衬底层的绝缘层一侧自下而上依次设置的第二衬底层、光敏层、保护层以及电极间隙为0.5～20nm的源极和漏极；其中，所述第二衬底层的材料包括铁电材料。
12.本发明构造的0.5～20nm超短电极间隙能有效减小电子-空穴对的复合，有效缩短载流子的渡越和扩散时间，从而提高器件响应速度和探测精确度，实现器件对微弱光的探测；本发明在第一衬底层与光敏材料层中间增设由铁电材料形成的第二衬底层，可以利用铁电材料内部存在的自我极化作用，即，铁电材料在外电场的作用下极化，在撤去外电场后仍会存在一定密度的剩余极化电荷，从而形成局域静电场并作用于光敏层的材料中，实现载流子输运状况的有效调控；由于铁电材料的剩余极化具有良好的保持性，因此可以让器件在没有栅压时也能持续稳定工作，且有效降低暗电流；同时，在铁电材料的影响下，当器件受到不同光强的照射时，被光诱导所产生的并实现存储的载流子数量也会发生改变，即，
铁电材料对光敏层的调控效果也不同，因此在相同的源漏电压和背栅电压下的器件可以获得相应变化的源漏电流，从而实现器件对不同光强的光探测，使所述光电探测器的性能进一步提升。
13.需要说明的是，所述电极间隙为0.5～20nm，例如0.5nm、1nm、3nm、5nm、7nm、9nm、11nm、13nm、15nm、17nm、19nm或20nm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
14.以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
15.作为本发明优选的技术方案，所述第一衬底层还包括导电基底层，且所述绝缘层位于所述导电基底层之上。
16.优选地，所述导电基底层的材料包括硅。
17.优选地，所述导电基底层的厚度为100～700μm，例如100μm、200μm、250μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
18.优选地，所述绝缘层的材料包括氧化硅、氮化硼、氧化铪或氧化铝中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例包括氧化硅与氮化硼的组合、氧化硅与氧化铪的组合、氧化硅与氧化铝的组合、氮化硼与氧化铪的组合、氮化硼与氧化铝的组合或氧化铪与氧化铝的组合。
19.优选地，所述绝缘层的厚度为3～300nm，例如3nm、10nm、30nm、60nm、90nm、120nm、150nm、180nm、210nm、240nm、270nm或300nm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
20.本发明第一衬底层中包括导电基底层和位于导电基底层上的绝缘层，其中导电层可以作为器件的背栅电极，在光电探测器工作时，通过此背栅电极提供一个正向或负向的背栅电压作为调控电压，以减少器件的暗电流，从而增强光电响应并提升探测率；本发明选用硅材料作为导电基底层，并在其表面设置绝缘层，当绝缘层的材料为氧化硅时，硅与氧化硅的组合为商业化的“硅/氧化硅衬底”，该衬底通常是由重掺杂的硅基底经过表面氧化处理后得到的，因此在本发明中使用硅/氧化硅衬底作为第一衬底层时，被氧化为氧化硅的一侧为绝缘层，未被氧化的一侧为导电基底层，但通常商业化的硅/氧化硅衬底中的氧化硅层较为粗糙，因此本发明在硅导电基底层上制备更加光滑平整的氮化硼、氧化铪或氧化铝作为绝缘层可以减小载流子的复合，更加有利于器件的性能发挥，但本领域的技术人员可以根据实际的情况进行选择。
21.作为本发明优选的技术方案，所述铁电材料包括二维铁材料。
22.优选地，所述二维铁电材料包括cuinp2s6和/或in2se3。
23.优选地，所述二维铁电材料的厚度为4～100nm，例如4nm、10nm、20nm、30nm、50nm、80nm或100nm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
24.作为本发明优选的技术方案，所述光敏层的材料包括二维吸光材料mos2、mose2、ws2、wse2、mote2、res2、黑磷或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例包括mos2与mose2的组合、mos2与ws2的组合、mos2与wse2的组合、mos2与mote2的
组合、mos2与res2的组合、mos2与黑磷的组合、mos2与石墨烯的组合、mos2与mose2的组合、mos2与mose2的组合、mos2与mose2的组合、mos2与mose2的组合、黑磷与石墨烯的组合、mose2与石墨烯的组合、ws2与石墨烯的组合、wse2与石墨烯的组合、mote2与石墨烯的组合、res2与石墨烯的组合以及黑磷与石墨烯的组合。
25.值得说明的是，本发明所述二维吸光材料优选为单层或少层结构，其中少层结构二维吸光材料的层数一般小于等于10层，本领域的技术人员可以根据实际的情况进行选择。
26.优选地，所述光敏层的厚度≤10nm，例如1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
27.作为本发明优选的技术方案，所述保护层的材料包括单层六方氮化硼。
28.本发明通过在光敏层上设置保护层，可以防止光电探测器制备过程中电迁移法的使用对光敏层造成结构和性能上的损伤，所述保护层的材料与光敏层的材料接触形成异质结，且所述保护层为超薄透明的单层或少层六方氮化硼，不会降低光敏层的感光效率。
29.优选地，所述保护层的厚度≤2nm，例如0.5nm、0.7nm、1nm、1.5nm、2nm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
30.作为本发明优选的技术方案，所述源极和漏极均包括第一电极层和第二电极层，其中所述第一电极层与保护层相接触；所述第二电极层位于所述第一电极层之上。
31.优选地，所述第一电极层的材料包括铬。
32.优选地，所述第一电极层的厚度≤10nm，优选厚度为5nm，此外还包括1nm、2nm、3nm、4nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
33.优选地，所述第二电极层的材料包括金和/或铂。
34.优选地，所述第二电极层的厚度≤50nm，优选厚度为40nm，此外还包括1nm、5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、45nm或50nm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
35.优选地，所述源极和漏极的厚度为20～50nm，例如20nm、23nm、26nm、29nm、32nm、35nm、38nm、41nm、44nm、47nm或50nm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
36.作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
37.(1)准备第一衬底层，并在所述第一衬底层的绝缘层一侧自下而上依次制备第二衬底层、光敏层以及保护层，得到复合体；其中，所述第二衬底层的材料包括铁电材料；
38.(2)涂敷正性电子抗蚀剂于步骤(1)所得复合体的保护层之上，再进行曝光、显影，得到显影样品，然后在所述显影样品上蒸镀电极，经过去胶后得到源极与漏极相连的样品；
39.(3)利用电压反馈的电迁移法使步骤(2)所得源极与漏极相连的样品产生0.5～20nm的电极间隙，得到所述光电探测器。
40.在本发明提供的制备方法中，通过步骤(1)在第一衬底层依次制备第二衬底层、光敏层以及保护层，并于步骤(2)中，先在保护层上涂覆(例如旋涂)正性电子抗蚀剂，然后按照预先设计的图形，即中部最细处为240～260nm长，40～60nm宽的蝴蝶结形，对图形内的区域进行曝光并显影，使图形中的正性电子抗蚀剂被洗脱而露出保护层，再进行蒸镀电极，使
电极材料覆盖于露出的保护层上，然后经过去胶，使得步骤(2)中未经曝光的区域上的金属电极随着正性电子抗蚀剂一起被洗脱，从而得到预先设计的图形样式的源极与漏极，即图形内为包括依次层叠的第一衬底层、第二衬底层、光敏层、保护层以及金属电极层，而图形外的区域包括依次层叠的第一衬底层、第二衬底层、光敏层以及保护层；最后将步骤(2)所得源极与漏极相连的样品在步骤(3)中通过电迁移法将源电极和漏电极之间的金属电极“烧蚀”掉而形成纳米级的电极间隙，同时，这一过程也会使得源极和漏极之间的光敏层材料形成与超短电极间隙宽度一致的超短导电沟道，需要说明的是所得光电探测器工作时，光敏层材料中受到光照的部位都会有光生激子的产生，但是只有在导电沟道中才存在较强的电场，也才能使得光生激子漂移形成光电流。
41.作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述第一衬底层预先依次在丙酮、异丙醇、乙醇及去离子水中进行超声清洗。
42.优选地，步骤(1)中制备第二衬底层的方法为机械剥离转移法，使用胶带于铁电材料上剥离出第二衬底层，并转移至支撑材料上，最后转移至第一衬底层之上。
43.优选地，步骤(1)中制备光敏层的方法为机械剥离转移法，使用胶带于二维吸光材料上剥离出光敏层，并转移至支撑材料上，最后转移至第二衬底层之上。
44.优选地，所述支撑材料包括聚二甲基硅氧烷。
45.优选地，步骤(1)中制备保护层的方法为化学湿法刻蚀，首先准备生长有单层或少层六方氮化硼的金属箔，并于单层或少层六方氮化硼表面旋涂聚合物，然后使用刻蚀液去除金属箔，得到单层或少层六方氮化硼/聚合物复合薄膜，并将其转移至光敏层之上，干燥后使用去除剂去除聚合物，最后用清洗剂清洗，得到复合体。
46.优选地，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯。
47.优选地，所述旋涂聚合物的厚度为300nm。
48.优选地，所述刻蚀液包括硫酸铜及盐酸的混合水溶液。
49.优选地，所述混合水溶液中硫酸铜的浓度为0.1～0.2g/ml，例如0.1g/ml、0.12g/ml、0.14g/ml、0.16g/ml、0.18g/ml或0.2g/ml等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
50.优选地，所述混合水溶液中盐酸与水的体积比为(1～2):1，例如1:1、1.2:1、1.4:1、1.6:1、1.8:1或2:1等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
51.优选地，所述干燥的温度为40～80℃，例如40℃、50℃、60℃、70℃或80℃等，时间为30～60min，例如30min、40min、50min或60min等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
52.优选地，所述去除剂包括丙酮。
53.优选地，所述清洗剂包括异丙醇。
54.作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述曝光及显影的图形为蝴蝶结形，所述蝴蝶结形中部最细处为240～260nm长，例如240nm、242nm、244nm、246nm、248nm、250nm、252nm、254nm、256nm、258nm或260nm等，40～60nm宽的长方形，例如40nm、42nm、44nm、46nm、48nm、50nm、52nm、54nm、56nm、58nm或60nm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。2v、5
×
10-2
v、10-1
v、5
×
10-1
v或1v等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
73.优选地，所述预设最大电压值为1～1.5v，例如1v、1.1v、1.2v、1.3v、1.4v或1.5v等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
74.优选地，所述预设电流变化率为0.1％～10％，例如0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
75.优选地，所述预设最小电流值为10-8
a。
76.优选地，所述预设最大电阻值为109ω。
77.作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
78.(1)准备第一衬底层，并依次在丙酮、异丙醇、乙醇及去离子水中进行超声清洗，使用胶带于铁电材料上剥离出第二衬底层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，最后转移至第一衬底层中的绝缘层之上，接着使用胶带于二维吸光材料上剥离出光敏层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，最后转移至第二衬底层之上，再准备生长有单层或少层六方氮化硼的金属箔，并于单层或少层六方氮化硼表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后使用硫酸铜及盐酸的混合水溶液作为刻蚀液去除金属箔，得到单层或少层六方氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，并将其转移至光敏层之上，于40～80℃干燥30～60min后，使用丙酮去除聚甲基丙烯酸酯，最后用异丙醇清洗，形成保护层并得到复合体；
79.(2)涂敷150～200nm厚的正性电子抗蚀剂于步骤(1)所得复合体的保护层之上，按照设置的图形进行曝光、曝光后于4-甲基2-戊酮及异丙醇构成的显影液中显影20～40s，并于异丙醇中定影20～40s后得到显影样品，所述图形为蝴蝶结形，所述蝴蝶结形中部最细处为240～260nm长，40～60nm宽的长方形，随后在显影样品上依次蒸镀第一电极层和第二电极层，并置于去胶剂丙酮中去胶，最后使用异丙醇进行清洗，得到源极与漏极相连的样品；
80.(3)利用电压反馈的电迁移法使步骤(2)所得源极与漏极相连的样品产生0.5～20nm的电极间隙，并使处于源极和漏极之间的光敏层形成导电沟道，首先使用编程语言控制源表，使源极和漏极之间施加0v的初始电压，再按照10-5
～1s的脉冲宽度和10-5
～1s的脉冲间隔以设置的步长10-3
～1v逐渐增大电压值至预设最大电压值1～1.5v后停止增长，此时监测电流变化率，当达到预设电流变化率0.1％～10％时重新从0v进行扫描并重复多次，当总电阻达到预设最大电阻值109ω或电流达到预设最小电流值10-8
a时，停止扫描，得到所述光电探测器。
81.与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
82.(1)本发明构造的0.5～20nm超短电极间隙光电探测器，能有效减小电子-空穴对的复合，有效缩短载流子的渡越和扩散时间，从而提高器件响应速度和探测精确度，实现器件对微弱光的探测；
83.(2)本发明采用电压反馈的电迁移法得到纳米尺度的电极间隙，可以实现超短电极间隙的构造与调控，且工艺流程简单，易于操作，成本低廉，又兼具可靠性和可重复性；同时，在形成超短电极间隙的同时，位于源极和漏极之间的光敏层材料也能同时形成超短导电沟道，从而加强光敏层中的载流子输运；
84.(3)本发明的光电探测器把第一衬底层中的导电层作为背栅电极，并在工作时，通
过此背栅电极提供一个正向或负向的背栅栅电压作为调控电压，可以有效减少暗电流，从而增强光电响应并提升探测率；
85.(4)本发明通过在第一衬底层与光敏材料层中间增设由铁电材料形成的第二衬底层，使其与超短导电沟道配合，能有效调控载流子的输运状况，使得器件在背栅电压和源漏电压不变时，实现不同光强的探测，且不影响器件的光吸收效率又能有效降低功耗，而在没有背栅电压时也能有效降低暗电流，使所述光电探测器的性能进一步提升。
附图说明
86.图1为本发明所得光电探测器的结构示意图；
87.图2为本发明实施例1所得光电探测器的俯视扫描电镜图；
88.其中，1-1为源极，1-2为漏极，2为保护层，3为光敏层，4为第二衬底层，5为第一衬底层，5-1为第一衬底层中的绝缘层，5-2为第一衬底层中的导电基底层，6为电极间隙。
具体实施方式
89.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
90.本发明所述光电探测器的结构示意图如图1所示，所述光电探测器包括第一衬底层5，以及在所述第一衬底层5的绝缘层5-1一侧自下而上依次设置的第二衬底4层、光敏层3、保护层2以及电极间隙为0.5～20nm的源极1-1和漏极1-2；其中，所述第二衬底层的材料包括铁电材料，所述第一衬底层5包括导电基底层5-2，还包括位于导电基底层5-2之上的所述绝缘层5-1。
91.实施例1
92.本实施例提供了一种光电探测器，所述光电探测器包括第一衬底层，所述第一衬底层中的导电基底层为硅、所述第一衬底层中的绝缘层为氧化硅，还包括在所述第一衬底层的绝缘层一侧自下而上依次设置的由二维铁电材料cuinp2s6构成的第二衬底层、二维吸光材料mote2构成的光敏层、单层六方氮化硼构成的保护层以及电极间隙为3nm的源极和漏极；所述源极和漏极均包括铬构成的第一电极层和金构成的第二电极层，且所述第一电极层与保护层相接触，所述第二电极层位于所述第一电极层之上；
93.本实施例所述光电探测器的制备方法如下：
94.(1)准备1cm
×
1cm的商用硅/氧化硅衬底作为第一衬底层，并依次在丙酮、异丙醇、乙醇及去离子水中进行超声清洗，使用胶带于cuinp2s6上剥离出第二衬底层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，最后转移至第一衬底层之上，形成平整接触；接着使用胶带于mote2上剥离出光敏层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，最后在显微镜下对准转移至第二衬底层之上，使光敏材料层的大部分能位于第二衬底层上，并形成较为平整的范德华异质结接触；再准备生长有单层六方氮化硼的铜箔，并于单层六方氮化硼表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后使用15.63g硫酸铜与50ml盐酸及50ml的水配置的刻蚀液去除铜箔，得到单层六方氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，用去离子水清洗两次后并将其转移至光敏层之上，于80℃的风箱中干燥30min后，使用丙酮去除聚甲基丙烯酸酯，最后用异丙醇清洗干净，形成保护层并得到复合体；
95.(2)设置旋涂转速为3000rpm，时间为60s，在步骤(1)所得复合体的保护层之上涂敷180nm厚的型号为s1813的正性光刻胶并于180℃的热板上烘干，按照设置的图形进行曝光、曝光后于体积比为1:3的4-甲基2-戊酮及异丙醇构成的显影液中显影30s，并于异丙醇中定影30s后得到显影样品，所述图形为蝴蝶结形，所述蝴蝶结形中部最细处为250nm长，50nm宽的长方形，随后在显影样品上依次蒸镀5nm厚的铬作为第一电极层以及40nm厚的金作为第二电极层，再置于去胶剂丙酮中去胶，最后使用异丙醇进行清洗，得到源极与漏极相连的样品；
96.(3)利用电压反馈的电迁移法使步骤(2)所得源极与漏极相连的样品产生3nm的电极间隙，并使处于源极和漏极之间的光敏层形成导电沟道。首先使用python编程语言控制源表，使源极和漏极之间施加0v的初始电压，并按照表1第一阶段的数值手动设置参数，使程序按照10-3
s的脉冲宽度和10-2
s的脉冲间隔以设置的步长10-1
v逐渐增大电压值至预设最大电压值1.5v后停止增长，此时监测电流变化率，当达到5％的预设电流变化率时，程序自动重新从0v进行扫描并重复多次循环，当完成200次循环时，程序自动停止，第一阶段结束，接着按照表1第二阶段的数值手动设置参数并运行程序，当完成200次循环时，程序自动停止，第二阶段结束，再按照表1第三阶段的数值手动设置参数并运行程序，当第三阶段的程序开始时，监测总电阻值和电流值，在预设的10000次循环内，当总电阻达到预设最大电阻值109ω或电流达到预设最小电流值10-8
a时，停止扫描，关闭程序，得到所述光电探测器。
97.表1
[0098][0099]
通过扫描电子显微镜对本实施例所得光电探测器进行测试，如图2所示，其中1-1为源极，1-2为漏极，6为电极间隙，电极间隙的宽度为3nm。
[0100]
实施例2
[0101]
本实施例提供了一种光电探测器，所述光电探测器包括第一衬底层，所述第一衬底层中的导电基底层为硅、所述第一衬底层中的绝缘层为氮化硼、还包括在所述第一衬底层的绝缘层一侧自下而上依次设置的二维铁电材料in2se3构成的第二衬底层、二维吸光材料mos2构成的光敏层、单层六方氮化硼构成的保护层以及电极间隙为11nm的源极和漏极；所述源极和漏极均包括铬构成的第一电极层和铂构成的第二电极层，且所述第一电极层与保护层相接触，所述第二电极层位于所述第一电极层之上；
[0102]
本实施例所述光电探测器的制备方法如下：
[0103]
(1)准备1cm
×
1cm的硅作为第一衬底层的导电基层，并依次在丙酮、异丙醇、乙醇及去离子水中进行超声清洗，使用胶带于块体氮化硼材料上剥离出绝缘层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，再转移至第一衬底层的导电基层之上，形成平整接触；使用胶带于in2se3上剥离出第二衬底层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，最后转移至第一衬底层之上，形成平整接触；接着使用胶带于mos2上剥离出光敏层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，最后在显微镜下对准转移至第二衬底层之上，使光敏材料层的大部分能位于第二衬底层上，并形成较为平整的范德华异质结接触；再准备生长有单层六方氮化硼的铜箔，并
于单层六方氮化硼表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后使用15.63g硫酸铜与50ml盐酸及50ml的水配置的刻蚀液去除铜箔，得到单层六方氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，用去离子水清洗两次后并将其转移至光敏层之上，于40℃的风箱中干燥60min后，使用丙酮去除聚甲基丙烯酸酯，最后用异丙醇清洗干净，形成保护层并得到复合体；
[0104]
(2)设置旋涂转速为3000rpm，时间为60s，在步骤(1)所得复合体的保护层之上涂敷180nm厚的正性电子抗蚀剂并于180℃的热板上烘干，按照设置的图形进行曝光、曝光后于体积比为1:3的4-甲基2-戊酮及异丙醇构成的显影液中显影30s，并于异丙醇中定影30s后得到显影样品，所述图形为蝴蝶结形，所述蝴蝶结形中部最细处为250nm长，50nm宽的长方形，随后在显影样品上依次蒸镀5nm厚的铬作为第一电极层以及40nm厚的金作为第二电极层，再置于去胶剂丙酮中去胶，最后使用异丙醇进行清洗，得到源极与漏极相连的样品；
[0105]
(3)利用电压反馈的电迁移法使步骤(2)所得源极与漏极相连的样品产生11nm的电极间隙，并使处于源极和漏极之间的光敏层形成导电沟道，首先使用python编程语言控制源表，使源极和漏极之间施加0v的初始电压，并按照表2第一阶段的数值手动设置参数，使程序按照10-3
s的脉冲宽度和10-2
s的脉冲间隔以设置的步长10-1
v逐渐增大电压值至预设最大电压值1.5v后停止增长，此时监测电流变化率，当达到5％的预设电流变化率时，程序自动重新从0v进行扫描并重复多次循环，当完成200次循环时，程序自动停止，第一阶段结束，接着按照表2第二阶段的数值手动设置参数并运行程序，当完成200次循环时，程序自动停止，第二阶段结束，再按照表2第三阶段的数值手动设置参数并运行程序，当第三阶段的程序开始时，监测总电阻值和电流值，在预设的10000次循环内，当总电阻达到预设最大电阻值109ω或电流达到预设最小电流值10-8
a时，停止扫描，关闭程序，得到所述光电探测器。
[0106]
表2
[0107][0108]
对比例1
[0109]
本对比例提供了一种光电探测器，所述光电探测器包括第一衬底层，所述第一衬底层中的导电基底层为硅、所述第一衬底层中的绝缘层为氧化硅，还包括在所述第一衬底层的绝缘层一侧自下而上依次设置的由二维吸光材料mote2构成的光敏层、单层六方氮化硼构成的保护层以及电极间隙为3nm的源极和漏极；所述源极和漏极均包括铬构成的第一电极层和金构成的第二电极层，且所述第一电极层与保护层相接触，所述第二电极层位于所述第一电极层之上；
[0110]
本对比例所述光电探测器的制备方法除了步骤(1)与实施例1有所不同外，其他完全相同，本对比例所述制备方法中的步骤(1)为：
[0111]
准备1cm
×
1cm的商用硅/氧化硅衬底作为第一衬底层，并依次在丙酮、异丙醇、乙醇及去离子水中进行超声清洗，使用胶带于mote2上剥离出光敏层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，最后在显微镜下对准转移至第一衬底层之上，使光敏材料层的大部分能位于第一衬底层上，并形成较为平整的范德华异质结接触；再准备生长有单层六方氮化硼的铜箔，并于单层六方氮化硼表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后使用15.63g硫酸铜与50ml盐
酸及50ml的水配置的刻蚀液去除铜箔，得到单层六方氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，用去离子水清洗两次后并将其转移至光敏层之上，于80℃的风箱中干燥30min后，使用丙酮去除聚甲基丙烯酸酯，最后用异丙醇清洗干净，形成保护层并得到复合体。
[0112]
对比例2
[0113]
本对比例提供了一种光电探测器，所述光电探测器包括第一衬底层，所述第一衬底层中的导电基底层为硅、所述第一衬底层中的绝缘层为氧化硅，还包括在所述第一衬底层的绝缘层的一侧自下而上依次设置的由二维铁电材料cuinp2s6构成的第二衬底层、二维吸光材料mote2构成的光敏层、单层六方氮化硼构成的保护层以及电极间隙为100nm的源极和漏极；所述源极和漏极均包括铬构成的第一电极层和金构成的第二电极层，且所述第一电极层与保护层相接触，所述第二电极层位于所述第一电极层之上；
[0114]
本对比例所述光电探测器的制备方法除了步骤(3)与实施例1有所不同外，其他完全相同，本对比例所述制备方法中的步骤(3)为：
[0115]
利用电压反馈的电迁移法使步骤(2)所得源极与漏极相连的样品产生100nm的电极间隙，并使处于源极和漏极之间的光敏层形成导电沟道，首先使用python编程语言控制源表，使源极和漏极之间施加0v的初始电压，并按照表3第一阶段的数值手动设置参数，使程序按照10-3
s的脉冲宽度和10-2
s的脉冲间隔以设置的步长10-1
v逐渐增大电压值至预设最大电压值1.5v后停止增长，此时监测电流变化率，当达到5％的预设电流变化率时，程序自动重新从0v进行扫描并重复多次循环，当完成200次循环时，程序自动停止，第一阶段结束，接着按照表3第二阶段的数值手动设置参数并运行程序，当完成200次循环时，程序自动停止，第二阶段结束，再按照表3第三阶段的数值手动设置参数并运行程序，当第三阶段的程序开始时，监测总电阻值和电流值，在预设的10000次循环内，当总电阻达到预设最大电阻值109ω或电流达到预设最小电流值10-8
a时，停止扫描，关闭程序，得到所述光电探测器。
[0116]
表3
[0117][0118]
对实施例和对比例得到的光电探测器进行光电测试，本发明中的三端结构使得各光探测器在背栅电压调控下的可探测波长处于一定范围内；
[0119]
其中，在本发明的实施例1及对比例2和对比例3中使用的光敏层材料为mote2，块状的mote2的禁带宽度为0.8ev，而单层的mote2的禁带宽度为1.07ev，因而适用于可见光和短波红外(swir)光电探测，但在第二衬底层的铁电材料的极化场以及背栅电压的共同调控下，本发明实施例1的光电探测器可探测波长范围可拓展为0.6～1.55μm；
[0120]
在本发明实施例2中，单层mos2的禁带宽度为1.8ev，因此可探测波长限为676nm，即处于可见光区域，而在第二衬底层的铁电材料的极化场以及背栅电压的共同调控下，实施例2所得光电探测器可将探测波长范围拓展为400～1020nm，由此可以说明第二衬底层的铁电材料以及背栅电压的存在可以有效拓展器件的探测波段；
[0121]
为了更加清晰的对比第二衬底层的铁电材料的自发极化以及超短沟道在提升光电探测速率方面的作用，将背栅电压统一设置为0v，以一定波长和极小功率的测试光进行
实验，所得结果见表4；
[0122]
表4
[0123]
项目实施例1实施例2对比例1对比例2测试波长685nm450nm685nm685nm测试功率20μw18μw20μw20μw源漏电压v
ds
1v1v1v1v暗电流i
dark
100fa21na20na200fa光电流i
light
80na87μa45na53na响应度r
λ
40maw-1
4.83aw-1
12.5maw-1
21.5maw-1
响应时间t
rise
2μs79ms16ms1ms恢复时间t
fall
1.3ms78ms300μs2ms
[0124]
由表4可以看出，测试选用了小功率的测试光模拟探测时的微弱光源，各探测器均有良好的光响应。对比实施例1与对比例1，可以看到由于第二衬底层的铁电材料的存在，可以使暗电流，即源极和漏极之间在黑暗环境下的电流有效降低约102个量级，同时响应时间由16ms降低到了2μs；将实施例1和对比例2的测试结果对比，可以说明超短沟道能显著地提升器件的探测速度，尤其体现于上升时间(响应时间)的优化，即，说明短沟道光电探测器能快速的测出光响应，且响应度约为对比例2中的2倍。
[0125]
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
[0126]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0127]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0128]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
技术特征：1.一种光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括第一衬底层，以及在所述第一衬底层的绝缘层一侧自下而上依次设置的第二衬底层、光敏层、保护层以及电极间隙为0.5～20nm的源极和漏极；其中，所述第二衬底层的材料包括铁电材料。2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一衬底层还包括导电基底层，且所述绝缘层位于所述导电基底层之上；优选地，所述导电基底层的材料包括硅；优选地，所述导电基底层的厚度为100～700μm；优选地，所述绝缘层的材料包括氧化硅、氮化硼、氧化铪或氧化铝中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述绝缘层的厚度为3～300nm。3.根据权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于，所述铁电材料包括二维铁电材料；优选地，所述二维铁电材料包括cuinp2s6和/或in2se3；优选地，所述二维铁电材料的厚度为4～100nm。4.根据权利要求1-3任意一项所述的光电探测器，其特征在于，所述光敏层的材料包括二维吸光材料mos2、mose2、ws2、wse2、mote2、res2、黑磷或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述光敏层的厚度≤10nm。5.根据权利要求1-4任意一项所述的光电探测器，其特征在于，所述保护层的材料包括六方氮化硼；优选地，所述保护层的厚度≤2nm。6.根据权利要求1-5任意一项所述的光电探测器，其特征在于，所述源极和漏极均包括第一电极层和第二电极层，其中所述第一电极层与保护层相接触；所述第二电极层位于所述第一电极层之上；优选地，所述第一电极层的材料包括铬；优选地，所述第一电极层的厚度≤10nm，优选厚度为5nm；优选地，所述第二电极层的材料包括金和/或铂；优选地，所述第二电极层的厚度≤50nm，优选厚度为40nm；优选地，所述源极和漏极的厚度均为20～50nm。7.一种如权利要求1-6任意一项所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)准备第一衬底层，并在所述第一衬底层的绝缘层一侧自下而上依次制备第二衬底层、光敏层以及保护层，得到复合体；其中，所述第二衬底层的材料包括铁电材料；(2)涂敷正性电子抗蚀剂于步骤(1)所得复合体的保护层之上，再进行曝光、显影，得到显影样品，然后在所述显影样品上蒸镀电极，经过去胶后得到源极与漏极相连的样品；(3)利用电压反馈的电迁移法使步骤(2)所得源极与漏极相连的样品产生0.5～20nm的电极间隙，得到所述光电探测器。8.根据权利要求7所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述第一衬底层预先依次在丙酮、异丙醇、乙醇及去离子水中进行超声清洗；
优选地，步骤(1)中制备第二衬底层的方法为机械剥离转移法，使用胶带于铁电材料上剥离出第二衬底层，并转移至支撑材料上，最后转移至第一衬底层之上；优选地，步骤(1)中制备光敏层的方法为机械剥离转移法，使用胶带于二维吸光材料上剥离出光敏层，并转移至支撑材料上，最后转移至第二衬底层之上；优选地，所述支撑材料包括聚二甲基硅氧烷；优选地，步骤(1)中制备保护层的方法为化学湿法刻蚀，首先准备生长有单层或少层六方氮化硼的金属箔，并于单层六方氮化硼表面旋涂聚合物，然后使用刻蚀液去除金属箔，得到单层或少层六方氮化硼/聚合物复合薄膜，并将其转移至光敏层之上，干燥后使用去除剂去除聚合物，最后用清洗剂清洗，得到复合体；优选地，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯；优选地，所述旋涂得到的聚合物的厚度为300nm；优选地，所述刻蚀液包括硫酸铜及盐酸的混合水溶液；优选地，所述混合水溶液中硫酸铜的浓度为0.1～0.2g/ml；优选地，所述混合水溶液中盐酸与水的体积比为(1～2):1；优选地，所述干燥的温度为40～80℃，时间为30～60min；优选地，所述去除剂包括丙酮；优选地，所述清洗剂包括异丙醇。9.根据权利要求7或8所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述曝光及显影的图形为蝴蝶结形，所述蝴蝶结形中部最细处为240～260nm长，40～60nm宽的长方形；优选地，步骤(2)所述正性电子抗蚀剂包括正性光刻胶；优选地，步骤(2)所述涂覆正性电子抗蚀剂的厚度为150～200nm；优选地，步骤(2)所述显影的显影液包括4-甲基2-戊酮及异丙醇；优选地，所述显影液中4-甲基2-戊酮与异丙醇的体积比为1:(2～5)；优选地，步骤(2)所述显影的时间为20～40s；优选地，步骤(2)所述显影后，蒸镀前还包括定影；优选地，所述定影的定影液包括异丙醇；优选地，所述定影的时间为20～40s；优选地，步骤(2)所述蒸镀电极为先蒸镀第一电极层，再蒸镀第二电极层；优选地，步骤(2)所述去胶的去胶剂包括丙酮；优选地，步骤(2)所述去胶之后还包括使用异丙醇进行清洗，得到所述源极与漏极相连的样品；优选地，步骤(3)所述电压反馈的电迁移法为，在源极和漏极之间施加初始电压，按照恒定的脉冲宽度和脉冲间隔，以设置的步长逐渐增大电压至预设最大电压值时停止增长，此时监测电流变化率，当达到预设电流变化率时重新从初始电压进行扫描并重复多次，直至总电阻达到预设最大电阻值或电流达到预设最小电流值时，停止扫描；优选地，所述电迁移法通过编程控制；优选地，所述初始电压为0v；优选地，所述脉冲宽度为10-5
～1s，优选脉冲宽度为10-4
～10-3
s；优选地，所述脉冲间隔为10-5
～1s，优选脉冲间隔为5
×
10-3
～10-2
s；
优选地，所述步长为10-3
～1v，优选步长为5
×
10-3
～10-1
v；优选地，所述预设最大电压值为1～1.5v；优选地，所述预设电流变化率为0.1％～10％；优选地，所述预设最小电流值为10-8
a；优选地，所述预设最大电阻值为109ω。10.根据权利要求7-9任意一项所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)准备第一衬底层，并依次在丙酮、异丙醇、乙醇及去离子水中进行超声清洗，使用胶带于铁电材料上剥离出第二衬底层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，最后转移至第一衬底层中的绝缘层之上，接着使用胶带于二维吸光材料上剥离出光敏层，并转移至支撑材料聚二甲基硅氧烷上，最后转移至第二衬底层之上，再准备生长有单层或少层六方氮化硼的金属箔，并于单层或少层六方氮化硼表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，然后使用硫酸铜及盐酸的混合水溶液作为刻蚀液去除金属箔，得到单层或少层六方氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，并将其转移至光敏层之上，于40～80℃干燥30～60min后，使用丙酮去除聚甲基丙烯酸酯，最后用异丙醇清洗，形成保护层并得到复合体；(2)涂敷150～200nm厚的正性电子抗蚀剂于步骤(1)所得复合体的保护层之上，按照设置的图形进行曝光、曝光后于4-甲基2-戊酮及异丙醇构成的显影液中显影20～40s，并于异丙醇中定影20～40s后得到显影样品，所述图形为蝴蝶结形，所述蝴蝶结形中部最细处为240～260nm长，40～60nm宽的长方形，随后在显影样品上依次蒸镀第一电极层和第二电极层，并置于去胶剂丙酮中去胶，最后使用异丙醇进行清洗，得到源极与漏极相连的样品；(3)利用电压反馈的电迁移法使步骤(2)所得源极与漏极相连的样品产生0.5～20nm的电极间隙，并使处于源极和漏极之间的光敏层形成导电沟道，首先使用编程语言控制源表，使源极和漏极之间施加0v的初始电压，再按照10-5
～1s的脉冲宽度和10-5
～1s的脉冲间隔以设置的步长10-3
～1v逐渐增大电压值至预设最大电压值1～1.5v后停止增长，此时监测电流变化率，当达到0.1％～10％的预设电流变化率时，重新从0v进行扫描并重复多次，当总电阻达到预设最大电阻值109ω或电流达到预设最小电流值10-8
a时，停止扫描，得到所述光电探测器。
技术总结本发明涉及一种光电探测器及其制备方法，所述光电探测器包括第一衬底层，以及在所述第一衬底层的绝缘层一侧自下而上依次设置的第二衬底层、光敏层、保护层以及电极间隙为0.5～20nm的源极和漏极。本发明构造的超短电极间隙能减小电子-空穴对的复合，有效缩短载流子的渡越和扩散时间，从而提高器件响应速度和探测精确度，实现器件对微弱光的探测；同时，在第二衬底层中铁电材料的配合下，能有效调控载流子的输运状况，使得器件在背栅电压和源漏电压不变时，实现不同波长光的探测，且不影响器件的光吸收效率又能有效降低功耗，而在没有栅压时也能有效降低暗电流，使所述光电探测器的性能进一步提升。进一步提升。进一步提升。
技术研发人员：万红凤 宫建茹 郭北斗
受保护的技术使用者：国家纳米科学中心
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/7/5
