技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体材料技术领域，具体涉及一种单片集成的氮化
硼紫外波段和二硫化钼可见光波段以及二硒化铂
中红外波段的分波段探测器。
背景技术
[0002] 紫外探测器作为紫外探测技术的核心器件，几年来受到了国内外的高度重视和深入研究。特别是在导弹制导、导弹预警、紫外通信等军事领域的广泛应用，更进一步推动了和加快了紫外探测器研究的飞速发展。尽管Si、GaAs等第一、第二代半导体可以用来制作紫外探测器，但是由于禁带宽度小、器件长波截止
波长大、最高
工作温度低等特点而使得器件的特性和使用受到了很大的限制，特别是在高温、日光照射等恶劣环境下其局限性尤为突出。而禁带宽度大于2.2eV的第三代半导体BN，因具有禁带宽、临界击穿
电场高、
电子饱和速度高、热导率高、抗
辐射能
力强等优势，很好的克服了第一、第二代半导体紫外探测器的缺点，成为当前制作紫外探测器的主要材料。
[0003] 二硫化钼
薄膜在结构和性能上类似于
石墨烯，但与
石墨烯不同，硫化钼薄膜存在一个可调控的带隙。
块状晶体MoS2的带隙为1.2eV，其电子跃迁方式间接跃迁；当厚度为
单层时，MoS2的带隙可以达到1.82eV，且其电子跃迁方式转变为直接跃迁。因此，MoS2薄膜独特的结构和优异的物理性能以及可调节的能带隙使其在光电器件领域比石墨烯更具有应用潜力。
[0004] 二硒化铂与二硫化钼同属硫族化合物，具有与二硫化钼相近的物理性质。与二硫化钼相同，其带隙结构也随着层数的降低，由间接带隙变为直接带隙。单层的二硒化铂理论上带隙为1.2eV，其特殊的能带结构使其在中红外波段有较好的响应程度。
[0005] 对于分立的氮化硼BN紫外探测器、MoS2可见光探测器PtSe2中红外光探测器而言，由于BN探测器响应波段一般小于214nm(深紫外波段)，而MoS2响应波段通常在460-500nm之间(可见光波段)，同时，PtSe2在1470nm附近(中红外波段)有较好的响应。但是对于传统的光探测器，通常采用单一的半导体材料进行探测，往往只能进行单一波段的探测。且衬底通常为硬质衬底，因此传统的光探测器一般都不具有柔性、可延展性等性质。
[0006] 由于它并不能区分光的波段，并且一般由于尺寸较大，衬底为硬质衬底而不具备柔性的性质。所以，设计一种具有柔性性质，且能够同
时针对不同的波段分别进行响应的探测器具有重要价值。制备出一种新型柔性光探测器，与传统的微电子器件相比，可以在延展化和非平面化的工作环境工作。而且柔性衬底透光性好，加工性能优异，这样更使得器件微型化，高
密度化，制备出
质量更轻，兼容性好的器件，使其具有更广泛的应用范围。柔性衬底与二维材料优异性能相结合，相得益彰。制备的光探测器大小可以人为控制，取决于喷墨打印图形的设计方案，甚至可以发展为多种元器件集成的
电路。可作为微电子器件、光敏器件用于信息传输和储存领域。
发明内容
[0007] 本发明为解决现有探测器存在无法进行分波段探测，且不能实现柔性化设计的问题，提供一种基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器。
[0008] 基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器，包括依次在衬底上打印的MoS2层、石墨烯层、BN层，以及分别在MoS2层和石墨烯层两侧以及BN层上打印作为
电极的Ag层；在所述衬底背面打印PtSe2层，以及在PtSe2层两侧打印作为电极的Ag层；所述MoS2层、石墨烯层、BN层、Ag层以及PtSe2层的厚度均为1μm-10μm。
[0009] 基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器的打印方法，该方法由以下步骤实现：
[0010] 步骤一、准备BN、MoS2、石墨烯、Ag以及PtSe2喷墨打印墨
水；
[0011] 步骤二、采用喷墨打印方法，依次更换MoS2和石墨烯喷墨打印墨水，在衬底上依次打印MoS2层和石墨烯层；
[0012] 步骤三、将喷墨
打印机中墨盒更换为BN喷墨打印墨水，在MoS2-石墨烯
异质结上打印BN层；
[0013] 步骤四、将喷墨打印机中墨盒更换为Ag喷墨打印墨水，在MoS2-石墨烯异质结、BN层上依次打印Ag金属电极；
[0014] 步骤五、超声清洗PC衬底背面，用氮气吹干；将喷墨打印机中墨盒更换为PtSe2喷墨打印墨水，在PC衬底背面打印PtSe2层，然后将喷墨打印机中墨盒更换为Ag喷墨打印墨水，在PtSe2层两侧打印Ag层作为电极。
[0015] 本发明的有益效果：本发明采用喷墨打印技术制备半导体二维材料以及电极。提出的分波段柔性光探测器，在器件结构方面，增加栅极的结构，并在栅极下方生长氮化硼二维材料，使得二硫化钼产生光生载流子时表现为栅极
电流增加，从而实现分波段的探测由于选用透明的衬底，因此还在器件背部生长二硒化铂二维材料以实现对中红外波段的响应。此外，光探测器选用聚
碳酸酯柔性衬底，并且器件的另外部分厚度均小于等于10μm，因此实现了器件的柔性；在器件性能方面，
[0016] 本发明采用石墨烯-氮化硼异质结结构与纳米颗粒分散体系，提高了器件的光生载流子密度以及响应速度；在器件制备方面，二维材料的转移或喷墨打印大大简化了制备流程，使得制备成本更低，为器件制备提供的更广泛的途径。
[0017] 本发明所述的光探测器与传统的微电子器件相比，可以在延展化和非平面化的工作环境工作。而且柔性衬底透光性好，加工性能优异，这样更使得器件微型化，高密度化，制备出质量更轻，兼容性好的器件，使其具有更广泛的应用范围。
[0018] 本发明所述的光探测器，通过集成了BN、MoS2以及PtSe2三种半导体材料来实现紫外、可见光、中红外的分波段探测。此外，衬底的柔性结合厚度较薄的半导体材料，保证了该发明具有较好的柔性以及延展性，因此具有更广泛的应用。
附图说明
[0019] 图1为本发明所述的一种基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器中在PC衬底上打印的MoS2层和石墨烯层结构的示意图；
[0020] 图2为本发明所述的一种基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器中PC衬底上的MoS2层、石墨烯层、BN层结构的示意图；
[0021] 图3为本发明所述的一种基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器中打印Ag电极后的器件结构图；
[0022] 图4为本发明所述的一种基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器中通过ALD沉积Al2O3保护层后的器件结构图；
[0023] 图5为本发明所述的一种基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器的结构示意图。
具体实施方式
[0024] 具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，一种基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器，本实施方式提供一种在柔性衬底上，分波段响应的光探测器柔性器件。以柔性衬底为工艺中心，在衬底两面进行工艺加工。聚碳酸酯(PC)柔性衬底，即可以受外力弯曲的，进而适应多种极端情况的软物质，具有绝缘性质。
[0025] 柔性器件，即器件也具有柔性，本实施方式中所选择的半导体材料BN、MoS2，均为单层材料，因此具有良好的弯曲性能。
氧化
铝(Al2O3)用于保护器件，且具有良好的透光性，不会对光探测器性能造成太多影响，且其20nm的厚度也保证了器件的柔性。Ag电极，与石墨烯、MoS2形成欧姆
接触，作为源极、漏极以及栅极。由于BN的带隙为5.9eV，其探测器响应波段一般小于214nm(深紫外波段)，而单层MoS2的带隙为1.82eV，其响应波段小于680nm(紫外波段和可见光波段)。因此这种探测器能够同时针对不同的波段进行响应，即在源极和漏极施加相同
偏压，若辐射波长小于214nm的光使得BN产生光生载流子，则具有更大的电流；同理，在源极与栅极施加相同的偏压，若辐射波长小于680nm的光使得MoS2产生光生载流子，则具有更大的电流，因而起到分波段光响应的作用。为增强BN对深紫外光的吸收，[0026] 本实施方式中的器件采用石墨烯-BN异质结结构；此外，通过在材料中渗入纳米
银颗粒，纳米银的自由电子分布在颗粒表面，形成一定的电荷运动势垒并调节电场分布，最终将增强光生载流子的浓度，即可制备出光响应能力强的高性能分波段光探测器。
[0027] 具体包括依次在衬底上打印的MoS2层、石墨烯层、BN层以及Ag层；在所述衬底背面打印PtSe2层和Ag层；所述MoS2层、石墨烯层、BN层、Ag层以及PtSe2层的厚度均为1μm-10μm。还包括分别在所述石墨烯层、BN层、Ag层生长Al2O3保护层，所述Al2O3保护层的厚度为2nm-
3nm。
[0028] 本实施方式中，采用BN、MoS2、石墨烯、Ag以及PtSe2喷墨打印墨水分别打印MoS2层、石墨烯层、BN层、Ag层和PtSe2层；所述喷墨打印墨水为通过浸泡于聚乙二醇(PEG)中进行表面改性，然后将改性后的BN、MoS2、石墨烯、Ag以及PtSe2纳米颗粒分别溶解于
氨水
溶剂中，分别制成喷墨打印墨水。
[0029] 本实施方式所述的衬底为聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚对苯二
甲酸乙二醇酯或聚醚砜。可采用硫化钨、氧化锌以及黑磷代替二硒化铂、二硫化钼以及氮化硼。
[0030] 具体实施方式二、结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种基于喷墨打印技术的分波段柔性光探测器的打印方法，该方法由以下步骤实现：
[0031] 一、准备厚度为100μm的聚碳酸酯(PC)衬底，通过超声先后在丙
酮、
乙醇等
有机溶剂、以及去离子水中清洗干净，最后用氮气吹干。除PC以外，还可选用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚醚砜等。
[0032] 准备BN、MoS2、石墨烯、Ag以及PtSe2喷墨打印墨水，为避免墨水中颗粒因表面能过高发生团聚，影响喷墨打印效果，应通过浸泡于聚乙二醇(PEG)等
表面活性剂中进行表面改性，以保证颗粒分散。随后，将改性后的BN、MoS2、石墨烯、Ag以及PtSe2纳米颗粒分别溶解于氨水等
溶解度高且易挥发的溶剂中，分别制成喷墨打印墨水。
[0033] 步骤二、如图1，通
过喷墨打印技术，依次更换墨水，在PC衬底上依次打印MoS2层和石墨烯层，200℃下
烧结，蒸干溶剂，并为纳米颗粒提供
能量形成连续的薄膜。
[0034] 步骤三、如图2，将喷墨打印机中墨盒更换为BN喷墨打印墨水。通过喷墨打印技术，在MoS2-石墨烯异质结上打印BN层，200℃下烧结，蒸干溶剂，并为纳米颗粒提供能量形成连续的薄膜。
[0035] 步骤四、如图3，将喷墨打印机中墨盒更换为Ag喷墨打印墨水。通过喷墨打印技术，在MoS2-石墨烯异质结、BN层上依次打印Ag金属电极，200℃下烧结，蒸干溶剂，并为纳米颗粒提供能量形成连续的薄膜。
[0036] 结合图4，本实施方式中，利用
原子层沉积(ALD)方法在石墨烯层、BN层和Ag层表面均生长一层2nm-3nm的Al2O3薄膜，以保护结构表面，除了Al2O3薄膜，还可以选用1nm-5nm其他透光率高的材料，如Si3N4等进行保护，为保证器件柔性，保护层材料厚度不应过厚。
[0037] 步骤五、如图5，将图4中器件浸泡在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗PC衬底背面，最后用氮气吹干后。将喷墨打印机中墨盒更换为PtSe2喷墨打印墨水。通过喷墨打印，在PC衬底背面打印PtSe2层。随后将喷墨打印机中墨盒更换为Ag喷墨打印墨水，相似地在PtSe2层两端打印Ag纳米颗粒作为电极。最后在200℃下烧结，蒸干溶剂，并为纳米颗粒提供能量形成连续的薄膜。
[0038] 本实施方式中，为了形成连续的薄膜，但同时保持器件的柔性，上述喷墨打印步骤中，任何材料打印层数均为5层，相似的，同样可以更改打印次数使得材料具有不同的厚度，厚度约为1μm-10μm。
[0039] 本实施方式的探测器，结合喷墨打印技术实现深紫外、可见光、中红外分波段柔性光探测器，其高性能的实现，如光生载流子密度高、响应速度快等特性，是由于形成石墨烯-氮化硼异质结以及纳米银颗粒对电场分布，如
表面等离子体共振等的调控所实现的。为实现不同波段的响应，可将器件中二硒化铂、二硫化钼以及氮化硼更换为其他
光子吸收不同的二维材料，如二硫化钨、氧化锌以及黑磷等，以达到所需的响应波段范围。
[0040] 本实施方式所述的探测器打印完成后，光从Al2O3表面入射，波长小于214nm的光子被BN深紫外探测器吸收探测到光电流，波长在470nm到500nm的光子被MoS2吸收而探测到，波长在1470nm附近的光子被PtSe2吸收而探测到，最终实现光子的分波段吸收探测。
