摘要
近年来，二维层状材料因其原子级的超薄厚度和优异的光电子特性在新型高性能光电探测器领域具有巨大的应用潜力。为了提升光电转换效率和速度，通常需要将不同的二维材料进行堆叠来制备p-n结或异质结。这些二维材料相邻层之间通过范德华力相互作用，因此可以很自由地将各种纳米级别的二维材料集成起来形成具有原子级平整界面的范德瓦尔斯异质结。为了构筑p-n结或异质结光电探测器，二维材料的可控和高质量掺杂是不可或缺的。因此，本文采用机械剥离法制备了MoS2和WSe2单质，并且分别通过氨气和氧气温和等离子体处理的方式对MoS2和WSe2单质实现了可控的n型掺杂和p型掺杂，然后利用干法转移制备了MoS2/WSe2异质结，并结合上诉等离子体方法和局部掩膜工艺实现了MoS2/WSe2异质结由p-n结向p-i-n异质结的转变，并对掺杂前后异质结的光学和电学性能进行了系统的对比与研究，分析了其掺杂改性的机理。论文的具体研究内容归纳如下： 1.采用机械剥离法制备了MoS2单质，利用光学显微镜(OM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼和荧光光谱对样品的表面形貌及光学性质进行了表征。然后采用了无掩膜紫外光刻工艺构筑了MoS2场效应管，通过其转移和输出特性曲线算得样品载流子迁移率μ约为18.02 cm2v-1s-1，电子浓度 n2D约为 7.58×1010 cm-2。随后研究了氨气等离子体对 MoS2场效应管电学性能的影响。经研究发现随着掺杂时间的增加 MoS2的迁移率从 18.02 cm2v-1s-1增至24.4 cm2v-1s-1后又降到 10.7 cm2v-1s-1，电子浓度从 7.58×1010增至 1.25×1012后又降到8.38×1011。表明MoS2首先发生了n型掺杂，随着处理时间的增加又发生了p型掺杂。经分析可知，对于氨气等离子体处理 MoS2，首先由于等离子体轰击会在表面产生硫空位从而导致n型掺杂，随着掺杂时间的增加，N与Mo键合从而导致p型掺杂。 2.构筑了 WSe2场效应管，通过其转移和输出特性曲线计算得到样品的载流子迁移率 μ 约为46.21 cm2v-1s-1，载流子浓度为 n2D=8.89×107 cm-2。随后系统的研究了三种不同的电极接触对 WSe2场效应管电学性能的影响。研究发现，Se/Au 电极最稳定且是欧姆接触，具有最好的输出特性，而直接热蒸镀沉积Ni/Au电极的样品则表现出最差的电流导通性。直接热蒸镀会导致较强的费米钉扎效应，因此电学性能较差；相比之下，Se作为缓冲层并在后续退火中升华可以有效抑制费米钉扎效应。最后研究了氧气等离子体对WSe2场效应管电学性能的影响，当掺杂到达最高水平时(处理时间为 120 S)，迁移率和载流子浓度分别为μ=349.04 cm2v-1s-1和 n2D=1.63×1012 cm-2。这也证明经过氧气等离子体的处理，WSe2发生了p型掺杂。XPS结果表明氧气等离子体处理会导致WSe2表面的氧化，使其费米能级向价带偏移，从而实现P型掺杂。 3.构筑了MoS2/WSe2光电探测器，由于PN结具有一定的内建电场，因此该器件的输出特性具有较好的整流特性，在 Vds=±1 V、Vgs=0 V 时最大整流比为 119。另外，该光电探测器在自驱动模式(Vds=0 V)下对可见光具有良好的光探测能力。在 637 nm 波长激光照射下，其响应度可达 25.1 mA/W，探测率为 5.286×108 Jones，上升时间 tr=19.4 ms，下降时间 tf=23.4 ms。随后对异质结区两侧的单质区域分别用氨气和氧气等离子体处理形成 n 型掺杂和 p 型掺杂，从而形成 MoS2/WSe2 p-i-n 异质结，处理后电学和光响应性能显著提升。整流比达到2734，为处理前的27倍。在同样可见光照射下，其响应度可达 332.6 mA/W，探测率为 8.66×109 Jones，响应时间基本保持不变。最后改善了 p-i-n 异质结的制备过程，即只对电极区域进行等离子体处理实现相应掺杂，结果发现响应度和探测率略微提升，但响应时间提升了三个数量级，即 tr=64.8 μs、tf=44.3 μs。
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