二维半导体材料及其场效应结构光电器件研究

发布时间：2020-05-12 21:57

【摘要】：随着石墨烯的发现,具有原子层厚度的二维材料因其丰富物理性质和广阔应用前景引起了广泛的研究兴趣。石墨烯具有迁移率高、热导率高、强度大、电导率高和光吸收率低等一系列特点,可应用于透明导电薄膜、超级电容器电极材料等重要方面。由于石墨烯带隙为零,难以形成开关状态,限制了其在电子电路器件中的应用。过渡金属硫族化合物类二维材料,多数属半导体,具有较高载流子迁移率及高的电学开关比,是电子器件候选材料。同时由于其带隙覆盖了从紫外到红外光光谱波段,具有较高的光电转换效率,是良好的光电器件材料。新兴的二维半导体黑磷,是具有了类似于石墨烯的高载流子迁移率特性又具备带隙变化可调的特征,因此应用前景广阔,备受关注。研究二维材料,一方面是弄清楚二维材料基本性质,当材料厚度减小至原子尺度,量子限域效应使其在力、热、声、光、电学等方面都呈现出丰富的奇异性质。另一方面,基于二维材料的奇异特性,开发新型电子器件,比如开发柔性电子器件,以及小尺寸器件等。本文从二维材料的基本性质出发,研究了二维材料层数的光谱判定方法,以及二维材料MoTe_2的Raman光谱性质,并估算了其热导率。然后进一步研究了过渡金属硫族化合物和黑磷为基的光电探测器,实现了从可见到红外的光电探测,探讨了二维材料光电探测机理,并利用铁电材料作为晶体管栅极,提升了二维材料光电探测器的性能。此外,基于同类结构研究了铁电材料调控的二维材料存储器,以及界面改善工程。第二章系统研究了少层MoTe_2材料Raman光谱性质:包括Raman光谱与层数之间的关系,与激发光功率之间的关系,以及与温度之间的关系,发现了热效应对MoTe_2 Raman峰的影响。在不考虑SiO_2衬底接触对热传导的影响下,通过对比Raman峰位移动的温度系数以及与激光功率变化系数,粗略估算了MoTe_2的热导率。单层MoTe_2热导率为462 Wm~(-1)K~(-1),4层MoTe_2的热导率为43Wm~(-1)K~(-1)。随着材料层数增加,热导率降低。热导率的研究为MoTe_2相关光电子器件的研发提供了重要的热学参数。第三章研究了多种二维材料的光电探测器器件。首先,利用叉指电极的结构设计,解决了GaSe材料的迁移率低,沟道电流小难以读出的问题。这个方法使GaSe背栅光电晶体管实现了对450 nm以及520 nm可见光高灵敏度的光电响应,响应率高达2200 mA/W,超过了多种二维材料光电探测器。接着研究了MoTe_2为基的背栅光电探测器,实现了从可见光600 nm到短波红外1550nm的光电探测。对637 nm可见光,器件的响应率可达50 mA/W,探测率可以达到3.1×10~9 cm·Hz~(1/2)·W~(-1)。对于1060 nm近红外光,响应率可达24 mA/W,探测率为1.3×10~9 cm·Hz~(1/2)·W~(-1)。器件响应速度快,光电流上升和下降时间为1.6 ms和1.3 ms。通过改变入射光功率测试器件光电响应,发现了随着光功率增加不仅光电流增加,器件的阈值电压也随之变化,这被认为是由于光生载流子被材料内缺陷态俘获形成的photogating效应。Photogating效应有效增强了器件的光响应,是二维材料光电探测器的重要探测机理。最后还研究了二维窄带隙黑磷材料的光电探测器。由于黑磷的带隙窄,以黑磷为基的光电晶体管实现了红外光1.5mm和2.0mm的光电探测。这为实现室温红外光电探测提供了可能。为了提高光电器件性能,本文研究了利用铁电材料作为栅极介质调控二维材料MoTe_2光电晶体管的方法,利用铁电材料的剩余极化可以有效耗尽沟道载流子,降低器件暗电流,从而提高器件的光电探测率。同时器件工作在零栅压下,有利于降低器件的功耗,提高器件稳定性。在铁电材料调控的二维半导体材料光电器件基础上,本文还研究了二维材料铁电存储器。以钙钛矿型铁电材料PZT为栅介质的二维材料黑磷(bP)铁电晶体管,在铁电极化以及界面态的共同作用下,实现了栅压控制的非挥发性多阻态存储器。通过在二维材料bP与铁电材料之间插入BN缓冲层,有效改善了界面性质,消除了器件的非铁电性回滞。同样在有机铁电材料P(VDF-TrFE)调控下的二维材料bP器件中,通过BN缓冲层的插入,实现了有机铁电材料控制的非挥发性铁电存储器。本文对二维半导体材料及其光电器件进行了一系列研究,除此之外还进行了一些关于铜氧化物超导特性的研究,该部分内容作为附录放在本文最后。
【图文】：

二维材料,光电响应,响应时间,响应率

第 1 章引言9图1.1是一些二维材料光电探测器的响应率和响应时间图[97]。从图中我们可以看到 GaTe 具有着非常高的响应率，响应时间在十几毫秒量级。而石墨烯、黑磷也具有着较高的响应率，特别是响应时间可以达到微秒以下，，可以和硅、InGaAs 等传统材料比拟。不仅如此黑磷具有着非常窄的带隙，可以实现中红外光探测，一旦器件性能得到优化提高，将具有极大的市场前景。如果单从响应率来看，有一半以上的二维材料响应率都与硅相近或者超出硅很多，如 MoS2, WSe2, InSe, In2Se3, GaTe, TiS3等材料的响应率都超出硅材料 3-4 个量级。这么高的响应率表明二维材料非常有希望应用于光电探测器中

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试结果如图 2.2 所示，可以发现 PL光谱强度变化明区域 1，其 PL 强度要远大于其他部分材料，其他图所示。由于单层 WS2材料是直接带隙，多层 WS明显减弱，因此我们可以确定样品区域 1为单层 W eV, 对应单层 WS2的直接带隙宽度。可以看出 PL谱随着材料厚度增大，WS2材料带隙变窄。从光学显样品颜色由最接近于衬底颜色的紫色渐渐变为蓝色械剥离法获得的少层 WS2材料光学显微镜照片，比例尺代cal image of few layer WS2by mechanical exfoliation, the sc10 m.
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304;TN36

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