【摘 要】
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当前硅基半导体发展进入“后摩尔时代”,寻找新一代高性能、可产业化的半导体材料成为我国微电子行业弯道超车的关键。六方氮化硼（h-BN）被视为下一代优异的半导体绝缘介电材料。然而,大面积高质量可工业化推广的h-BN制备工艺仍需要在许多方面进行优化,比如大面积高质量的生长,以及如何节约生长过程消耗能量等;h-BN由于具有良好隧穿效应,在弱光探测器件构建上也有独特优势,但关于与石墨烯基光电探测器复合以提高
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当前硅基半导体发展进入“后摩尔时代”,寻找新一代高性能、可产业化的半导体材料成为我国微电子行业弯道超车的关键。六方氮化硼（h-BN）被视为下一代优异的半导体绝缘介电材料。然而,大面积高质量可工业化推广的h-BN制备工艺仍需要在许多方面进行优化,比如大面积高质量的生长,以及如何节约生长过程消耗能量等;h-BN由于具有良好隧穿效应,在弱光探测器件构建上也有独特优势,但关于与石墨烯基光电探测器复合以提高其性能的研究少有出现。因此本论文着眼于探索高效制备高质量大面积的二维h-BN的工艺,并利用h-BN隧穿特性,构建石墨烯基金属-绝缘体-半导体（MIS）结构的光电探测器并研究h-BN对石墨烯基光电探测器的性能提升策略及内在调控机理。本文采用化学气相沉积法（CVD）与机械剥离法,制备二维h-BN,并使用改进的机械剥离法,制备出导电层（石墨烯,Graphene,Gr）,光吸收层（二硫化钼,MoS2;硒化镍钽,TaNi2Se5;二硒化钨,WSe2）。通过聚乙烯醇（polyvinyl alcohol,PVA）转移的方法制作石墨烯基MIS光电探测器;通过调控h-BN厚度与改变不同光吸收层材料,探索h-BN作为隧穿层调控石墨烯/二维光吸收层结构的光探测性能。本论文主要研究内容与结论如下:（1）二维h-BN制备及表征。通过优化铜箔抛光工艺（直流电压1 V,磷酸溶液抛光60 s）制备大面积（1x1cm~2）h-BN薄膜。采用铜箔上制造释放应力的缺口及悬挂式退火法,在1060°C中退火3 h,得到单晶Cu（111）面作为生长基底;采用CVD法制备工艺,确定生长温度1000°C、生长时间30 min、生长气氛Ar/H2的工艺,得到大面积（1x1cm~2）单层的h-BN薄膜。通过改进硅片清洗工艺,使得机械剥离制备h-BN的成功率提高,剥离出层数可控的h-BN薄膜。（2）Gr/h-BN/MoS2光电探测器研究。采用机械剥离法,制备导电层Gr与光吸收层MoS2。并采用PVA辅助转移（包括器件的电极,以避免电子束轰击造成的损伤与缺陷）堆叠制备出两种h-BN厚度的光电探测器。经过测试发现6 nm厚度的h-BN,作为隧穿层时的光电探测器比纯Bulk MoS2光电探测器具有更优异的性能,其响应率达到60A/W,探测率达到5.5x1011Jones。（3）Gr/h-BN/TaNi2Se5光电探测器研究。通过相同的制备方法,控制h-BN隧穿层厚度～6 nm,将光吸收层MoS2替换为TaNi2Se5,构建Gr/h-BN/TaNi2Se5MIS光电探测器。与单纯Bulk TaNi2Se5光电探测器相比暗电流从10-4A降低至10-8A。但光响应能力也被随之抑制,最终获得的探测率与单纯Bulk TaNi2Se5光电探测器相比提高2个数量级,达到8x10~8Jones。（4）Gr/h-BN/WSe2光电探测器研究。控制h-BN隧穿层厚度～6 nm,将光吸收层MoS2替换为WSe2,构建Gr/h-BN/WSe2 MIS光电探测器。测试发现Gr/h-BN/WSe2 MIS光电探测器与Bulk WSe2光电探测器相比,暗电流被抑制6个数量级至10-9A,探测率提高3个数量级至1.3x1010Jones。综上,利用h-BN的隧穿特性,可以构建高效石墨烯基金属-绝缘体-半导体光电探测器。通过测试与表征上述光电探测器,发现h-BN主要存在两种界面调控功能:其一,h-BN与导电层,光吸收层接触界面调控;其二,h-BN的隧穿调控。界面隧穿h-BN层的添加,可显著抑制器件暗电流与噪声,进而提升光电探测性能。
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