PAGE10中文摘要光電傳感器是支撐信息科技發(fā)展的重要器件，目前已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、航天探測(cè)、軍事偵察等領(lǐng)域，基于二維材料的光電傳感器是新一代探測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。其中，二硫化錸（ReS2）具有獨(dú)特的扭曲三斜（1T）晶體結(jié)構(gòu)，從塊體材料到單層材料始終為直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙不隨層數(shù)的改變而發(fā)生變化，同時(shí)ReS2還展現(xiàn)出獨(dú)特的面內(nèi)各向異性光電性質(zhì)，這些特性使其在光電傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，因此對(duì)ReS2進(jìn)行深入研究符合當(dāng)前半導(dǎo)體集成技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新的需要?；诖?，本論文結(jié)合SentaurusTCAD模型建構(gòu)與性能仿真，采用微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）加工工藝制備得到ReS2場(chǎng)效應(yīng)管（FET）光電傳感器，并通過搭建集成電測(cè)試系統(tǒng)深入探究了基于ReS2的光電傳感器的電學(xué)特性和光電性能。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：利用SentaurusTCAD軟件構(gòu)建了一種埋柵型ReS2FET光電傳感器，對(duì)其電學(xué)特性進(jìn)行模擬和分析。通過探究ReS2FET光電傳感器的轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，光電傳感器呈現(xiàn)N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)，且ReS2與金屬電極之間為肖特基接觸。實(shí)現(xiàn)了ReS2FET光電傳感器的制備，分別制得了一個(gè)溝道寬度為200μm和兩個(gè)溝道寬度為400μm的ReS2FET器件。對(duì)于溝道寬度為200μm的器件，在1.5cm×1.5cm大小的硅片上可獲得16×21個(gè)陣列單元，對(duì)于溝道寬度為400μm的器件，可獲得13×21個(gè)陣列單元，每個(gè)陣列單元包含1個(gè)FET器件。探究了在固定波長(zhǎng)下ReS2FET光電傳感器在不同入射光功率密度下的光響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著入射光功率密度的增大，光響應(yīng)度逐漸降低。對(duì)于溝道寬度為200μm的ReS2FET光電傳感器，光電傳感器光響應(yīng)度最高可達(dá)1.55mA/W，在405nm入射波長(zhǎng)下，光電傳感器的上升時(shí)間為7.99ms，恢復(fù)時(shí)間為9.57ms；對(duì)于溝道寬度為400μm的ReS2FET光電傳感器A，光電傳感器光響應(yīng)度最高可達(dá)12.79mA/W，上升時(shí)間為35.4ms，恢復(fù)時(shí)間為6.02ms；對(duì)于溝道寬度為400μm的ReS2FET光電傳感器B，所需的恢復(fù)時(shí)間比其他兩個(gè)光電傳感器更長(zhǎng)。探究了光電流隨光功率密度的變化情況，對(duì)于溝道寬度為200μm的ReS2FET光電傳感器，對(duì)光電流隨入射光功率密度變化曲線進(jìn)行冪律擬合，得到Iph∝P0.87，光電流隨光功率密度次線性增加。綜上所述，本文提出的埋柵型ReS2FET光電傳感器具有較高的響應(yīng)度、較快響應(yīng)速度和較寬的光譜響應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度、高靈敏度的高性能光電傳感器提供了新的思路，具有一定的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：二硫化錸；場(chǎng)效應(yīng)管；MEMS光電傳感器ABSTRACTPhotodetectorsareimportantdevicessupportingthedevelopmentofinformationtechnologyandhavebeenwidelyappliedinfieldssuchasopticalcommunication,environmentalmonitoring,infraredimaging,remotesensingguidance,andmilitarydetection.Photodetectorsbasedontwo-dimensionalmaterialsrepresentanimportantdevelopmentdirectionforthenextgenerationofdetectiontechnology.Amongthem,ReS2hasauniquedistortedtriclinic(1T)crystalstructureandremainsadirectbandgapsemiconductorfrombulktomonolayermaterials,withitsbandgapnotchangingwiththenumberoflayers.Additionally,ReS2exhibitsuniquein-planeanisotropicphotoelectricproperties,whichmakeitshowgreatapplicationpotentialinthefieldofphotodetectors.Therefore,in-depthresearchonReS2isinlinewiththecontinuousdevelopmentandinnovationofcurrentsemiconductorintegrationtechnology.Basedonthis,thispapercombinesmodelconstructionandperformancesimulationbySentaurusTCADsoftwareandfabricatesReS2FETphotodetectorsusingMEMSprocessingtechnology.Throughtheestablishmentofanintegratedelectricaltestsystem,theelectricalcharacteristicsandphotoelectricperformanceofReS2-basedphotodetectorsaredeeplyexplored.Themainresearchcontentsofthispaperareasfollows:Aburied-gateReS2FETphotodetectorisconstructedusingSentaurusTCADsoftware,anditselectricalcharacteristicsweresimulatedandanalyzed.ByexploringthetransfercharacteristiccurveandoutputcharacteristiccurveoftheReS2FETphotodetector,itcanbefoundthatthephotoelectricsensorpresentsthecharacteristicsofanN-channeldepletion-typefield-effecttransistor,andthecontactbetweenReS2andthemetalelectrodeisaSchottkycontact.TheReS2FETphotodetectorisfabricated,andonedevicewithachannelwidthof200μmandtwodeviceswithachannelwidthof400μmwereobtained.Forthedevicewithachannelwidthof200μm,16×21arrayunitscanbeobtainedona1.5cm×1.5cmsiliconwafer.Forthedevicewithachannelwidthof400μm,13×21arrayunitscanbeobtained,andeacharrayunitcontainsoneFETdevice.ThephotoresponseoftheReS2FETphotodetectoratafixedwavelengthunderdifferentincidentlightpowerdensitieswasinvestigated.Ithasbeenfoundthatthephotoresponsivitygraduallydecreasedwiththeincreaseofincidentlightpowerdensity.FortheReS2FETphotodetectorwithachannelwidthof200μm,themaximumphotoresponsivitycanreach1.55mA/W.Atanincidentwavelengthof405nm,therisetimeofthephotodetectoris7.99ms,andtherecoverytimeis9.57ms.FortheReS2FETphotodetectorAwithachannelwidthof400μm,themaximumphotoresponsivitycanreach12.79mA/W,therisetimeis35.4ms,andtherecoverytimeis6.02ms.FortheReS2FETphotodetectorBwithachannelwidthof400μm,therecoverytimerequiredislongerthanthatoftheothertwophotodetectors.Thevariationofphotocurrentwithincidentlightpowerdensitywasinvestigated.FortheReS2FETphotodetectorwithachannelwidthof200μm,thephotocurrentvariationcurvewithincidentlightpowerdensityisfittedbyapowerlaw,andIph∝P0.87wasobtained,indicatingthatthephotocurrentincreasessublinearlywithincidentlightpowerdensity.Insummary,theburied-gateReS2FETphotodetectorproposedinthispaperhashighresponsivity,fastresponsespeedandwidespectralresponse,providinganewideaforrealizinghigh-responsivityandhigh-sensitivityhigh-performancephotoelectricsensors,andhascertainresearchvalueandapplicationprospects.KEYWORDS：ReS2；FET；MEMSPhotodetectorPAGE10目錄16248中文摘要 i15824ABSTRACT iii23309目錄 1318011引言 2104941.1研究背景及意義 2166421.2二硫化錸概述 3287821.2.1二硫化錸結(jié)構(gòu) 3175161.2.2二硫化錸的制備方法 419531.3光電傳感器簡(jiǎn)介 637521.3.1光電探測(cè)機(jī)制 674401.3.2光電傳感器結(jié)構(gòu) 718101.4二硫化錸光電傳感器研究現(xiàn)狀 8190191.5本論文的研究目的和主要內(nèi)容 12312532SentaurusTCAD仿真 14181142.1SentaurusTCAD軟件介紹 14131342.2二硫化錸光電傳感器器件模擬 164832.3仿真結(jié)果及分析 19301212.4本章小結(jié) 20264253二硫化錸光電傳感器的設(shè)計(jì)與制備 21106393.1二硫化錸光電傳感器的設(shè)計(jì) 21257103.2二硫化錸光電傳感器的制備 2264943.3二硫化錸拉曼測(cè)試 27185193.4測(cè)試環(huán)境搭建 2858243.5本章小結(jié) 3029384二硫化錸光電傳感器性能研究 31306224.1溝道寬度200μm的二硫化錸光電傳感器 31219334.1.1電學(xué)測(cè)試結(jié)果與分析 3140314.1.2光電響應(yīng)測(cè)試結(jié)果與分析 32291164.2溝道寬度400μm的二硫化錸光電傳感器（第一批） 40134004.2.1電學(xué)測(cè)試結(jié)果與分析 40100464.2.2光電響應(yīng)測(cè)試結(jié)果與分析 412734.3溝道寬度400μm的二硫化錸光電傳感器（第二批） 46296884.3.1電學(xué)測(cè)試結(jié)果與分析 4646904.3.2光電響應(yīng)測(cè)試結(jié)果與分析 47106294.4光電傳感器性能總結(jié)與對(duì)比 50181324.4.1ReS2FET光電傳感器性能總結(jié)與分析 50228174.4.2ReS2FET光電傳感器性能對(duì)比與分析 51273294.5本章小結(jié) 5217225總結(jié)與展望 532445.1本文主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果 5396665.2后續(xù)工作計(jì)劃 5417175參考文獻(xiàn) 5513650致謝 59引言研究背景及意義光電傳感器作為光電探測(cè)的重要手段之一，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療健康、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用REF_Ref32642\r\h[1]。硅基光電傳感器雖然具有生產(chǎn)成本低、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，但其探測(cè)范圍相對(duì)較窄，通常工作在可見光及近紅外光波段REF_Ref60\r\h[2]。二維材料因具有令人更加滿意的禁帶寬度、電子遷移率等特性和制備工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，在光電探測(cè)器、光催化、偏振探測(cè)等器件設(shè)計(jì)中恰好可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的不足REF_Ref112\r\h[3]。自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，因其卓越的光電特性得到了廣泛的研究REF_Ref151\r\h[4]。但是受限于單層石墨烯的低光吸收率，且光生載流子復(fù)合速率較快，基于石墨烯的光電傳感器面臨著響應(yīng)度低的問題REF_Ref190\r\h[5]，限制了其在光電傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。二維過渡金屬硫化物（TransitionMetalDichalcogenides，TMDs）是繼石墨烯材料發(fā)展之后出現(xiàn)的一類新興的二維材料，TMDs是由過渡金屬原子和硫族原子結(jié)合而成的一類化合物，具有獨(dú)特的“三明治”結(jié)構(gòu)，即一層過渡金屬原子被兩層硫族原子夾在中間REF_Ref243\r\h[6]。在這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)下TMDs具有較高的載流子遷移率、開關(guān)光比、光譜吸收等獨(dú)特性能REF_Ref282\r\h[7]，被認(rèn)為很好的滿足了光電傳感器的設(shè)計(jì)需求，已經(jīng)成為光電傳感器的候選材料之一。作為一種待開發(fā)的TMDs材料，二硫化錸（ReS2）展現(xiàn)出許多不同于其他TMDs材料的獨(dú)特性質(zhì)。首先，ReS2具有獨(dú)特的扭曲三斜（1T）晶體結(jié)構(gòu)，晶格存在明顯的不對(duì)稱性，這使得ReS2展現(xiàn)出獨(dú)特的面內(nèi)各向異性，這種各向異性不僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上，還延伸至其光電性能上，因此ReS2可以用來制備用于探測(cè)偏振光相關(guān)的光電傳感器，可用于多通道光通信中檢測(cè)線性偏振光的各種方向REF_Ref328\r\h[8]。此外，對(duì)于大部分TMDs，當(dāng)從多層變?yōu)閱螌訒r(shí)，會(huì)展現(xiàn)出從間接帶隙到直接帶隙的明顯轉(zhuǎn)變REF_Ref357\r\h[9]，然而對(duì)于ReS2來說，弱的層間耦合使其從塊體材料到單層材料始終保持著直接帶隙半導(dǎo)體的特性REF_Ref390\r\h[10]，其帶隙不隨層數(shù)的改變而發(fā)生變化，拉曼光譜和光致發(fā)光特性也與層數(shù)無關(guān)REF_Ref507\r\h[11]。ReS2獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的電學(xué)特性和光電性能，使得它在光電傳感器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，有望成為突破傳統(tǒng)應(yīng)用的新一代材料。二硫化錸概述二硫化錸結(jié)構(gòu)ReS2具有獨(dú)特的扭曲三斜（1T）晶體結(jié)構(gòu)，不同于大量六方高對(duì)稱性二維TMDs材料，ReS2隸屬7大晶系中對(duì)稱性最低的三斜晶系，僅有對(duì)稱中心這一個(gè)對(duì)稱元素，表現(xiàn)出畸變的1T’相結(jié)構(gòu)REF_Ref546\r\h[12]，如圖1-1所示，其中藍(lán)色的代表金屬Re原子，黃色代表S原子。過渡金屬Re屬于d-block元素，其電子結(jié)構(gòu)可以表示為為dn，其中n為0到8的整數(shù)。只有當(dāng)Re呈現(xiàn)出d3價(jià)電子構(gòu)型時(shí)，才能與S原子締結(jié)形成穩(wěn)定的化合物。S元素具有3s2和3p4的電子排布，其中3p軌道中存在2個(gè)未配對(duì)的電子，在Re原子和S原子形成化學(xué)鍵時(shí)，每個(gè)S原子與相鄰的Re原子形成兩個(gè)共價(jià)鍵，這些未配對(duì)的電子參與了共價(jià)鍵的形成REF_Ref585\r\h[13]。圖1-1二硫化錸結(jié)構(gòu)示意圖REF_Ref546\r\h[12]ReS2是一種層狀材料，其單層結(jié)構(gòu)由S-Re-S三個(gè)原子層組成，每個(gè)Re原子與周圍的S原子形成六配位的八面體結(jié)構(gòu)，Re和S以共價(jià)鍵的形式相連，層間通過范德華力相互耦合，最終形成塊狀晶體。Re原子的八面體配位空間構(gòu)型以及Re原子5d軌道上存在的未參與常規(guī)化學(xué)鍵形成的價(jià)電子誘發(fā)了Re原子發(fā)生佩爾斯（Peierls）畸變REF_Ref729\r\h[14]，在佩爾斯畸變進(jìn)程中，處于同一晶層的四個(gè)相鄰Re原子借助金屬鍵產(chǎn)生相互連接，與此同時(shí)，這些Re原子發(fā)生空間位置上的偏移，促使Re4原子團(tuán)簇形成。受這一系列結(jié)構(gòu)變化的影響，ReS2晶體原本規(guī)則的六邊形晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兴倪呅尉Ц窠Y(jié)構(gòu)，ReS2中發(fā)生的佩爾斯畸變，對(duì)晶體的堆積模式以及層間電子的相互作用產(chǎn)生了顯著作用，干擾了ReS2晶體的有序堆疊過程，使層間電子波函數(shù)的交疊程度達(dá)到最小，從而導(dǎo)致層間耦合較弱。ReS2是一種N型直接帶隙半導(dǎo)體，其費(fèi)米能級(jí)在導(dǎo)帶底的0.07eV范圍內(nèi)，并且ReS2從塊體材料到單層材料始終展現(xiàn)為直接帶隙的特性，這種特性使得ReS2能夠高效地吸收和發(fā)射光子，在光吸收和光發(fā)射方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)REF_Ref768\r\h[15]。除此之外，ReS2材料中存在Re-Re強(qiáng)金屬鍵，這會(huì)使得ReS2分子中Re原子的間距小于Re單晶中Re原子的間距，從而導(dǎo)致ReS2的對(duì)稱性降低，形成兩個(gè)夾角約為60°或120°的晶軸。由于在兩個(gè)晶軸方向上的原子排布具有顯著的差別，所以載流子在沿兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)所經(jīng)過的微觀環(huán)境必然大不相同，ReS2獨(dú)特的扭曲三斜晶體結(jié)構(gòu)使其具有顯著的面內(nèi)各向異性光電性質(zhì)，也就是說ReS2光電傳感器的特性隨著入射光的極化方向不同而發(fā)生變化，這種各向異性使得ReS2在偏振光電探測(cè)器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。二硫化錸的制備方法二維材料常用的制備方法包括機(jī)械剝離法、氣相沉積法和液相剝離法等等，下面對(duì)以上制備方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。機(jī)械剝離法是一種獲取二維材料的常用方法，主要用于從塊體材料中制備得到單層或多層的二維片晶。機(jī)械剝離法是通過將塊體材料粘附在膠帶上，反復(fù)撕拉以逐步減少材料厚度，最終得到二維材料薄膜。操作時(shí)，先將目標(biāo)塊體材料放置在清潔的襯底上，用膠帶粘附并迅速撕下，重復(fù)此過程直至獲得所需厚度的材料。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Geim和Novoselov等人用這種典型制備方法成功剝離出石墨烯REF_Ref811\r\h[16]。后來，機(jī)械剝離法又成功剝離出了薄層ReS2，制備過程如圖1-2所示，以單晶ReS2塊材為原料，經(jīng)過膠帶反復(fù)、多次剝離，最終可以在基底上得到多層ReS2薄膜。由于機(jī)械剝離法使用的是晶體質(zhì)量很高的單晶ReS2塊體材料，因此剝離出來的多層薄膜具有缺陷密度很少，具有優(yōu)秀的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。但由于機(jī)械剝離法的重復(fù)性較低、每次剝離的材料厚度難以控制而且制備出的ReS2尺寸較小，因此使用機(jī)械剝離法制備的ReS2難以批量化生產(chǎn)。圖1-2機(jī)械剝離法制備薄層ReS2REF_Ref847\r\h[17]化學(xué)氣相沉積法（ChemicalVaporDeposition，CVD）憑借其可精準(zhǔn)調(diào)控材料生長(zhǎng)參數(shù)、適配多種基底與材料體系等優(yōu)勢(shì)，成為目前直接合成大面積單層二維材料最有前途的方法之一REF_Ref883\r\h[18]。目前CVD法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯、硫化鉬等高對(duì)稱性二維材料的高效率、低成本的可控合成REF_Ref1030\r\h[19]REF_Ref1033\r\h[20]。具體的操作過程如圖1-3所示，CVD一般可分為以下幾個(gè)步驟：首先，將基底放置在反應(yīng)室內(nèi)的加熱區(qū)域，確保其溫度達(dá)到反應(yīng)所需的設(shè)定值；隨后，通過精確控制氣體流量，將含有目標(biāo)材料元素的氣態(tài)前驅(qū)體和反應(yīng)氣體引入反應(yīng)室；接下來，在特定的物理?xiàng)l件下，前驅(qū)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)歷分解過程，并在基底表面逐步沉積，最終形成連續(xù)的薄膜；最后，待反應(yīng)完全結(jié)束后切斷氣體的供應(yīng)，等待反應(yīng)室自然冷卻至室溫后，將表面沉積有薄膜的基底從反應(yīng)室中取出。較低的晶格結(jié)構(gòu)對(duì)稱性以及層間弱耦合作用使得在ReS2在CVD制備的過程中表現(xiàn)出許多獨(dú)特的生長(zhǎng)行為，包括非對(duì)稱生長(zhǎng)、面外生長(zhǎng)以及納米組裝生長(zhǎng)等等。圖1-3CVD流程示意圖REF_Ref1075\r\h[21]物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，PVD）也被視為一種有望制備出低成本、高質(zhì)量二維材料薄膜的方法REF_Ref1183\r\hREF_Ref1183\r\h[22]。物理氣相沉積法通常是指在真空或低壓條件下，將材料氣化并通過低壓氣體過程輸運(yùn)到基片表面的制備方法，將這些分子沉積到基片表面，形成目標(biāo)材料薄膜。根據(jù)沉積基片種類的不同，可以制備出不同大小以及不同形狀的二維材料薄膜。液相剝離法（LiquidPhaseExfoliation，LPE）通過將層狀材料分散于特定溶劑體系中，如有機(jī)溶劑、水性表面活性劑溶液或聚合物溶液等等，借助超聲等手段施加機(jī)械力促使層間剝離，同時(shí)利用溶劑化作用或分子吸附產(chǎn)生的空間位阻與靜電斥力穩(wěn)定剝離后的納米薄片，以獲取二維材料。利用液相剝離法制備ReS2薄膜的流程如圖1-4所示，利用超聲波對(duì)層狀晶體進(jìn)行處理，借助機(jī)械作用促使層狀晶體發(fā)生剝離，進(jìn)而形成尺寸約為幾百納米的薄片。為防止這些剝離后的材料薄膜重新聚集，需通過溶劑化作用，或者利用溶液中分子吸附所產(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)及靜電斥力來穩(wěn)定這些ReS2薄膜。2011年，Coleman及其團(tuán)隊(duì)針對(duì)多種常用溶劑進(jìn)行了超聲處理實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估其對(duì)層狀材料的剝落效果。研究結(jié)果表明，當(dāng)溶劑的表面能與層狀材料的表面相互匹配時(shí)，層狀材料更易于實(shí)現(xiàn)剝離REF_Ref13942\r\h[23]。圖1-4液相剝離法制備ReS2薄膜流程示意圖REF_Ref1150\r\h[24]光電傳感器簡(jiǎn)介自光電效應(yīng)提出以來，人們對(duì)于光電探測(cè)、儲(chǔ)能設(shè)備的探索從未停歇，光電器件已發(fā)展為現(xiàn)代化信息科學(xué)非常重要的一部分，被廣泛應(yīng)用于日常生活中，如光通信、紅外測(cè)溫、環(huán)境檢測(cè)等等REF_Ref1226\r\h[25]。其中光電傳感器是最具有代表性的光電器件之一，它可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。光電探測(cè)機(jī)制光電效應(yīng)可以闡釋為：當(dāng)光照射到物體表明時(shí)，可以將其視為一系列具有能量的光子與物體發(fā)生相互作用。在這個(gè)過程中，光子將能量傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子吸收。電子在吸收了光子的能量后，其狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)REF_Ref1258\r\h[26]。通常光電效應(yīng)依據(jù)其作用機(jī)理和表現(xiàn)特征可以分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類，其中內(nèi)光電效應(yīng)可以分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，如果光子的能量超過金屬的逸出功，金屬內(nèi)部的自由電子在吸收光子能量后能夠掙脫金屬表面的束縛，從而逸出金屬表面形成光電子的現(xiàn)象REF_Ref1291\r\h[27]。內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。在光電導(dǎo)效應(yīng)中，當(dāng)光子照射半導(dǎo)體時(shí)，若光子能量超過半導(dǎo)體的禁帶寬度，價(jià)帶中的電子在吸收了光子的能量后會(huì)躍遷至導(dǎo)帶，并在價(jià)帶的位置形成電子-空穴對(duì)REF_Ref1330\r\h[28]。這些新產(chǎn)生的電子和空穴增加了載流子濃度，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，電阻率降低，原理圖如圖1-5所示REF_Ref1359\r\h[29]；光生伏特效應(yīng)中，光子照射半導(dǎo)體表面并且光子的能量不低于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶電子會(huì)吸收光子的能量躍遷至導(dǎo)帶，價(jià)帶的位置則會(huì)形成電子-空穴對(duì)。光生伏特效應(yīng)的發(fā)生依賴于內(nèi)建電場(chǎng)，這些電子和空穴在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分離，電子移向負(fù)極，空穴移向正極，兩端電荷積累形成光生電動(dòng)勢(shì)。內(nèi)建電場(chǎng)可通過多種方式引入，如構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)、局部化學(xué)摻雜或柵極靜電調(diào)控等等REF_Ref1402\r\h[30REF_Ref1412\r\h-32]。圖1-5光電導(dǎo)效應(yīng)原理圖REF_Ref1359\r\h[29]光電傳感器結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的光電傳感器有光電二極管、光電倍增管和光敏電阻等等。典型的硅光電二極管是一種利用外光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能的光電子發(fā)射型探測(cè)器件，主要通過光電子從光陰極飛向光陽極時(shí)氣體電離形成光電流，具有體積小、響應(yīng)快和可靠性高等特點(diǎn)，但因光敏面積極小在實(shí)際應(yīng)用中受限較大REF_Ref1617\r\h[33]；光電倍增管具有放大電流的作用，一般采用低逸出功的堿金屬材料作為陰極，具有放大靈敏度高且穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，使其在微弱光信號(hào)探測(cè)方面具有較為突出的優(yōu)勢(shì)，但其也存在結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜、工作電壓高和體積較大等不足REF_Ref1666\r\h[34]；而場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET）因其穩(wěn)定性較好、工藝簡(jiǎn)單且易于集成而被廣泛應(yīng)用于集成電路中，但往往制作成本較為昂貴REF_Ref1702\r\h[35]。目前常見的FET結(jié)構(gòu)光電傳感器分為背柵結(jié)構(gòu)和頂柵結(jié)構(gòu)，如圖1-6所示。背柵式FET直接以襯底作為柵極，通過在器件背面的硅襯底上施加電壓來有效調(diào)節(jié)溝道載流子濃度，背柵式FET的溝道材料直接暴露在外界環(huán)境中，能夠與入射光充分接觸，增大了入射光的利用率。與頂柵式FET相比，背柵式結(jié)構(gòu)的制備工藝更為簡(jiǎn)單，然而由于背柵式FET的硅襯底通常較厚，會(huì)引入較大的寄生電容，通常需要較高的柵極電壓才可以實(shí)現(xiàn)對(duì)FET的控制REF_Ref1742\r\h[36]。此外，對(duì)于背柵式FET位于同一硅片上的不同器件共用一個(gè)柵極，這使得想要對(duì)某一器件進(jìn)行單獨(dú)調(diào)控變得困難，同時(shí)也不利于FET與其他元件進(jìn)行集成。與背柵結(jié)構(gòu)不同，頂柵式FET在導(dǎo)電溝道上方生長(zhǎng)柵介質(zhì)并沉積金屬電極，這種結(jié)構(gòu)可以方便調(diào)控柵介質(zhì)層的厚度和材料，因而能夠在較低的柵極電壓下有效調(diào)節(jié)溝道載流子濃度，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)可以達(dá)到對(duì)FET的獨(dú)立控制，便于集成，而且可以有效抑制寄生電容REF_Ref1797\r\h[37]。此外，覆蓋在導(dǎo)電溝道上方的柵介質(zhì)層可以起到隔絕外界環(huán)境的作用，防止溝道材料暴露在外在環(huán)境中對(duì)導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響。但同時(shí)頂柵式結(jié)構(gòu)也存在一定的缺點(diǎn)，不僅制備過程較為復(fù)雜，而且位于頂部的柵氧化層和柵極會(huì)減小FET對(duì)入射光的有效探測(cè)面積，對(duì)溝道材料造成了一定的摻雜，影響器件的探測(cè)性能。因此頂柵式FET不適合作光電傳感器等研究，更適合做短溝道的高速場(chǎng)效應(yīng)管。圖1-6場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖：（a）背柵式FET；（b）頂柵式FET二硫化錸光電傳感器研究現(xiàn)狀MarcoBernardi等人提出單層TMDs因其獨(dú)特的半導(dǎo)體特性，被視為下一代超薄光電器件的理想材料REF_Ref1830\r\h[38]。TMDs單層膜憑借其，使超薄光伏（PV）器件成為可能。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)三種TMDs單層材料——MoS2、MoSe2和WS2進(jìn)行了深入的光學(xué)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在厚度小于1nm的條件下，這些TMDs單層材料對(duì)入射光的吸收率高達(dá)5%~10%，比傳統(tǒng)的GaAs和Si材料要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。隨后，他們進(jìn)一步探究了基于兩層單分子層堆疊的光伏器件，研究顯示，厚度為1nm的活性層的功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)1%的，相較于目前最好的超薄太陽能電池還要高大約1~3個(gè)數(shù)量級(jí)。作為一種新型TMDs，ReS2因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)吸引了許多研究人員對(duì)其進(jìn)行相關(guān)探究。SefaattinTongay等人研究表明，ReS2在從多層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌咏Y(jié)構(gòu)的過程中，始終保持著直接帶隙的特性，且其帶隙值隨層數(shù)的變化極小，理論計(jì)算表明，單層ReS2的帶隙為1.43eV，塊體ReS2的帶隙為1.35eV，均為直接帶隙。此外，隨著層數(shù)的增加，ReS2帶隙變化并不明顯，拉曼光譜特征也未出現(xiàn)明顯變化，拉曼光譜分析顯示，ReS2在100~400cm-1內(nèi)有15種振動(dòng)模式，這與ReS2較低的晶格對(duì)稱結(jié)構(gòu)相關(guān)。此外，ReS2的光致發(fā)光（Photoluminescence，PL）譜的強(qiáng)度隨著厚度的增加而逐漸增強(qiáng)，其中塊狀ReS2的PL譜強(qiáng)度最大。這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)過渡金屬硫族化合物如MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等形成了鮮明對(duì)比，他們的PL譜圖強(qiáng)度隨著層數(shù)的增加而減弱，這是由于傳統(tǒng)過渡金屬硫族化合物單層時(shí)為直接帶隙，多層時(shí)轉(zhuǎn)為間接帶隙，而ReS2無論是單層還是多層均為直接帶隙。而且，ReS2的PL發(fā)射峰位置隨著層數(shù)的變化幅度相對(duì)較小，這使得ReS2在不同層數(shù)下能夠保持較為穩(wěn)定的光學(xué)響應(yīng)，在制備高性能光電傳感器時(shí)，無需像其他二維材料那樣嚴(yán)格依賴單層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高光響應(yīng)率，為基于的光電傳感器在實(shí)際應(yīng)用中提供了更大的靈活性和可操作性。近年來，ReS2以其獨(dú)特的電學(xué)特性和光學(xué)特性吸引了很多研究人員探索高性能ReS2光電子器件。2016年，Liu等人構(gòu)建了如圖1-7所示的少層ReS2光電傳感器，光響應(yīng)度與入射光功率的關(guān)系如圖1-8所示REF_Ref5791\r\h[40]，研究人員通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射光功率為6pW時(shí)，基于ReS2的光電傳感器的光響應(yīng)率最高可達(dá)88600A/W，這個(gè)結(jié)果比其他基于二維材料的相似結(jié)構(gòu)的光電傳感器都高，比基于MoS2的光電傳感器的光響應(yīng)率（880A/W）高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。2018年，Qin等人觀察到硒納米片的（110）面與ReS2（010）面之間的獨(dú)特關(guān)系REF_Ref5837\r\h[41]，成功地在單層ReS2上實(shí)現(xiàn)了一維（1-D）原子鏈硒納米板（SeleniumNanoplate，Se-NPL）的外延生長(zhǎng)。研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)，該器件的比探測(cè)率可以達(dá)到8×1012Jones，比基于單一ReS2的光電傳感器的比探測(cè)率提高了將近3個(gè)數(shù)量級(jí)；2021年，Tao等人將Te和ReS2結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)，制備出了具有II型異質(zhì)能帶結(jié)構(gòu)的Te/ReS2光電探測(cè)器REF_Ref5886\r\h[42]，獲得了180A/W的光響應(yīng)度，光響應(yīng)速度為5ms，具有較高的光響應(yīng)度和較快的光響應(yīng)速率，通過構(gòu)建Te/ReS2異質(zhì)結(jié)，器件的光電性能比基于單一ReS2的光電探測(cè)器好；2022年Tai等人在聚酰亞胺（PI）柔性襯底上制備了一種可伸縮的基于ReS2和P（VDF-TrFE）的高性能光電探測(cè)器REF_Ref5935\r\h[43]，器件在可見光到近紅外范圍內(nèi)獲得了11.3A/W的高響應(yīng)率和1.7×1010Jones的高探測(cè)率。并且在應(yīng)變調(diào)制下，器件的響應(yīng)率提高了2.6倍，探測(cè)率提高了1.8倍，釋放后，器件性能恢復(fù)到初始水平，為近紅外波段柔性光電探測(cè)器的研究提供了前景。圖1-7少層ReS2光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖REF_Ref5791\r\h[40]圖1-8光響應(yīng)度與入射光功率的關(guān)系圖REF_Ref5791\r\h[40]同時(shí)，ReS2各向異性的結(jié)構(gòu)使其光電性能也在著各向異性。2016年，ZhengLiu等人通過向生長(zhǎng)了SiO2介質(zhì)層的硅襯底上轉(zhuǎn)移薄層ReS2，轉(zhuǎn)移后在器件兩側(cè)蒸鍍?cè)绰╇姌O，制備出了如圖1-9所示的ReS2光電探測(cè)器REF_Ref6111\r\h[44]。通過不斷改變?nèi)肷涔獾钠窠嵌?，來測(cè)試該光電探測(cè)器對(duì)不同角度的偏振光的響應(yīng)度，結(jié)果如圖1-10所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射光的偏振角度在0°~90°變化時(shí)，該光電探測(cè)器的光電流和光吸收始終在變化，因此基于ReS2的光電探測(cè)器可以探測(cè)不同偏振角度的偏振光。2021年，Zhong等人展示了一種基于懸浮ReS2的高性能偏振敏感光電探測(cè)器REF_Ref6153\r\h[45]，結(jié)構(gòu)如圖1-11所示，這種晶體管表現(xiàn)出n型特性，遷移率約為14.1cm2V-1s-1，開/關(guān)比為105，響應(yīng)率為0.22A/W，而且基于懸浮ReS2的光電探測(cè)器具有很強(qiáng)的偏振相關(guān)光響應(yīng)，線性二向色比為1.4，圖1-12展示了懸浮ReS2器件在0°和90°偏振下的光電流分布圖，顯示出顯著的線性二色性光電探測(cè)特性。圖1-9光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖REF_Ref6111\r\h[44]圖1-10偏振光測(cè)試結(jié)果REF_Ref6111\r\h[44]圖1-11懸浮ReS2光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖REF_Ref6153\r\h[45]圖1-12懸空ReS?器件在0°和90°偏振角度下的光電流分布圖REF_Ref6153\r\h[45]本論文的研究目的和主要內(nèi)容通過上述文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果可以看出，二硫化錸具有從塊狀材料到單層材料均是直接帶隙半導(dǎo)體、面內(nèi)各向異性的光電性質(zhì)等特點(diǎn)，適合制備高響應(yīng)度的光電傳感器。但目前關(guān)注二硫化錸在光電傳感器方面應(yīng)用表現(xiàn)的研究工作并不多，ReS2FET光電傳感器在不同波段下的表現(xiàn)都缺少相關(guān)研究數(shù)據(jù)。因此，本論文旨在深入了解單層ReS2的電學(xué)特性和光電性能，從而實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度的ReS2光電傳感器的制備，對(duì)其進(jìn)行不同波段入射光下的性能參數(shù)測(cè)試，并對(duì)其電學(xué)特性和光電性能進(jìn)行分析。本文的主要章節(jié)安排如下：第一章，首先對(duì)二硫化錸的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和制備方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)傳統(tǒng)光電傳感器的探測(cè)機(jī)制和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了充分的調(diào)研，分析了基于二硫化錸光電傳感器的特性，與基于其他材料的光電傳感器進(jìn)行了初步的比對(duì)，詳細(xì)介紹了二硫化錸光電傳感器的研究現(xiàn)狀，最后提出本文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章，使用SentaurusTCAD軟件對(duì)ReS2FET光電傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和性能仿真，得到其轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，對(duì)得到特性曲線進(jìn)行電學(xué)特性分析，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。第三章，提出本論文采用的埋柵式ReS2FET器件結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了ReS2FET光電傳感器的制備工藝流程，對(duì)制備好的光電傳感器進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試，證實(shí)了ReS2的存在。最后搭建了集成電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，用于對(duì)光電傳感器進(jìn)行性能測(cè)試。第四章，對(duì)制備好的三片ReS2FET光電傳感器進(jìn)行電學(xué)和光電測(cè)試，得到其性能參數(shù)，并對(duì)光電傳感器的輸出特性曲線和不同條件下的光響應(yīng)進(jìn)行了分析，引入光響應(yīng)度、比探測(cè)率、外量子效率等性能指標(biāo)對(duì)器件的ReS2FET光電傳感器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。第五章，對(duì)本論文工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)后續(xù)工作進(jìn)行展望。SentaurusTCAD仿真SentaurusTCAD軟件介紹SentaurusTCAD是Synopsys公司研發(fā)的對(duì)半導(dǎo)體器件具有強(qiáng)大仿真計(jì)算能力的TCAD軟件，在使用SentuarusTCAD對(duì)一個(gè)器件進(jìn)行完整仿真的過程中，需要應(yīng)用不同的仿真工具進(jìn)行多方面的設(shè)置，例如器件工藝模擬器SentuarusProcess，結(jié)構(gòu)編輯器SDE，器件模擬器Sdevice，參數(shù)計(jì)算器Inspect等等。SentaurusWorkbench是一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化集成環(huán)境，工作視圖如圖2-1所示，它通過直觀的圖形用戶界面（GUI），為用戶提供了便捷的器件模擬仿真和工程設(shè)計(jì)管理功能。在SentuarusWorkbench中，用戶可以以工程的形式對(duì)各種器件進(jìn)行設(shè)計(jì)、組織、調(diào)用和模擬，對(duì)于每個(gè)工程，SentaurusWorkbench提供信息流管理功能，允許用戶對(duì)仿真節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理并查看具體仿真運(yùn)行結(jié)果，這一功能不僅確保了仿真的順利進(jìn)行，還便于用戶查看仿真流程，使參數(shù)調(diào)節(jié)更加直觀和高效。在仿真過程中，用戶通過定義各種參數(shù)變量，對(duì)建立好的器件模型進(jìn)行復(fù)雜的參變量分析，每個(gè)仿真步驟的運(yùn)算結(jié)果都將自動(dòng)地輸入到下一步仿真中，大大提高了仿真的連續(xù)性和效率。為了進(jìn)一步方便用戶的數(shù)據(jù)分析和處理，SentaurusWorkbench還支持將仿真結(jié)果輸出到數(shù)學(xué)分析軟件和Excel表格中。這些功能的集成，使得SentaurusWorkbench成為一個(gè)全面且高效的仿真工具，能夠滿足用戶在器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中的各種需求，下面詳細(xì)介紹一下幾個(gè)常用的仿真工具。圖2-1SentaurusWorkbench工作視圖結(jié)構(gòu)編輯器（SentaurusStructureEditor：SDE）是半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)建立工具。在本次仿真中用于建立二維埋柵式ReS2FET光電傳感器的器件結(jié)構(gòu)。通過GUI界面或腳本編寫的方式設(shè)置元件的材料類別，并建立二維元件結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建出設(shè)計(jì)好的ReS2FET的器件結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建的器件結(jié)構(gòu)模型會(huì)在GUI圖形界面中顯示，便于用戶直觀查看器件結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以對(duì)器件結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行調(diào)整和修改。在SDE中，用戶可以交互式地定義器件電極接觸、摻雜分布和網(wǎng)格生成。電極接觸是器件與外界環(huán)境連接的關(guān)鍵部分，它允許向器件提供電壓，從而實(shí)現(xiàn)器件的電學(xué)操作。SDE提供了靈活的電極定義功能，可以通過指定電極的名稱、位置、電壓初始值等參數(shù)來定義電極接觸，從而準(zhǔn)確地模擬實(shí)際器件中的電氣特性；摻雜分布的定義決定了器件內(nèi)部的電學(xué)特性，SDE中可以在器件中加入不同濃度和類型的摻雜物，對(duì)于器件的性能至關(guān)重要；利用Mesh工具為器件生成有限元網(wǎng)格，將連續(xù)的物理域離散化，在便于計(jì)算的同時(shí)確保對(duì)器件進(jìn)行仿真時(shí)的精確度，實(shí)現(xiàn)原理基于四叉樹或八叉樹技術(shù)。這些功能共同確保了器件結(jié)構(gòu)的精確建模和高效仿真。器件模擬器（Sdevice）是一個(gè)功能強(qiáng)大的器件模擬工具，能夠?qū)Ω鞣N半導(dǎo)體器件的光、熱和電學(xué)性能進(jìn)行精確模擬。它能夠接收由SDE輸出的器件結(jié)構(gòu)文件，并通過設(shè)置材料參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及結(jié)合復(fù)雜的物理模型，完成近乎所有半導(dǎo)體器件的仿真。在Sdevice中可以通過自行定義或調(diào)用軟件中已設(shè)定好的材料參數(shù)模型文件，除此之外，Sdevice中還提供了豐富的物理模型，使用腳本語言指定使用的物理模型，用于模擬各種半導(dǎo)體器件的行為，模型包括但不限于：載流子輸運(yùn)模型、量子效應(yīng)模型、應(yīng)力和應(yīng)變模型、光學(xué)模型，這使得Sdevice能夠更真實(shí)地反映實(shí)際器件的工作情況。Sdevice模塊的輸出文件包括.plt和.tdr文件，輸出文件.plt結(jié)果記錄了每個(gè)電極（源極、漏極和柵極）在不同電壓值下對(duì)應(yīng)的電子電流、空穴電流和總電流。而輸出文件.tdr包含了器件整體或某個(gè)截面的載流子遷移率、電場(chǎng)分布和空間電荷等信息。通過這些內(nèi)容，Sdevice模塊為半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了強(qiáng)大的支持，更好的對(duì)器件性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和改進(jìn)?？茖W(xué)可視化數(shù)據(jù)分析器（Inspect）可以將Sdevice輸出的模擬結(jié)果在X-Y平面繪制出來，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過Inspect輸出仿真曲線，并從仿真曲線中提取關(guān)鍵參數(shù)，如閾值電壓、跨導(dǎo)、開態(tài)電阻和關(guān)態(tài)電阻等等，還可以利用數(shù)學(xué)函數(shù)與腳本方式對(duì)多個(gè)曲線進(jìn)行計(jì)算，最后將結(jié)果返回到SentuarusWorkbench中用于其他工程的應(yīng)用，本次實(shí)驗(yàn)中通過Inspect將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并保存為.csv格式，方便后續(xù)的繪圖工作。本次ReS2FET光電傳感器的仿真基于SentaurusTCAD軟件來實(shí)現(xiàn)，首先在可視化集成環(huán)境SentaurusWorkbench中調(diào)用SDE模塊，創(chuàng)建光電傳感器的器件結(jié)構(gòu)，并建立ReS2材料文件、定義器件摻雜濃度和分布區(qū)域、生成大小合適的網(wǎng)格等等；再將創(chuàng)建好的模型在Sdevice中設(shè)置物理?xiàng)l件，綜合考慮復(fù)雜的物理過程，對(duì)器件內(nèi)部的電學(xué)、光學(xué)特性進(jìn)行全方位模擬，逐步求解器件在不同工作狀態(tài)下的關(guān)鍵物理量；最后在Inspect模塊中進(jìn)行相應(yīng)的電學(xué)、光學(xué)計(jì)算，輸出特性曲線，提取目標(biāo)參數(shù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖處理。具體仿真流程如圖2-2所示。圖2-2SentaurusTCAD仿真流程圖二硫化錸光電傳感器器件模擬在本次仿真中，首先需要利用SDE模塊對(duì)ReS2FET光電傳感器的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)光電傳感器的幾何尺寸參數(shù)進(jìn)行定義，提高代碼的靈活性和可讀性。通過創(chuàng)建多個(gè)不同尺寸的矩形區(qū)域，用于表示FET中不同結(jié)構(gòu)要素以及對(duì)應(yīng)的材料，導(dǎo)電溝道區(qū)域使用ReS2材料，源極、漏極、柵極區(qū)域均使用Pt材料，柵介質(zhì)層區(qū)域使用SiO2材料，襯底選擇Si材料。其中Pt材料電極設(shè)置長(zhǎng)度為70nm、厚度為50nm，ReS2導(dǎo)電溝道設(shè)置長(zhǎng)度為350nm、厚度為55nm，SiO2設(shè)置長(zhǎng)度為350nm、厚度為120nm，Si設(shè)置長(zhǎng)度為350nm、厚度為250nm。創(chuàng)建好的結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示，由上至下分別為ReS2導(dǎo)電溝道、Pt材料源漏電極、SiO2柵介質(zhì)、Pt材料柵電極和Si襯底。其次，在定義完光電傳感器的幾何尺寸參數(shù)后，對(duì)光電傳感器的源極、漏極、柵極分別定義接觸點(diǎn)，用于為電極提供電學(xué)接觸，用于對(duì)電學(xué)信號(hào)進(jìn)行傳輸。隨后，使用磷作為摻雜劑對(duì)硅襯底進(jìn)行p型摻雜，確保硅襯底的電學(xué)特性符合p型半導(dǎo)體的特性，摻雜濃度設(shè)置為1e20cm-3，其他部分不設(shè)置摻雜，摻雜結(jié)果如圖2-5所示。最后，構(gòu)建有限元網(wǎng)格（mesh），用于將連續(xù)的物理域離散化，通過設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸和最小網(wǎng)格尺寸來控制網(wǎng)格的密度。網(wǎng)格尺寸越大，收斂速度越快，計(jì)算時(shí)間越短，但同時(shí)在一定程度上犧牲了模擬質(zhì)量，而網(wǎng)格尺寸越小，獲得的模擬質(zhì)量越高，但同時(shí)收斂速度越慢，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，因此選取一個(gè)合適大小的網(wǎng)格在器件模擬的過程中顯得尤為重要，在設(shè)置全局網(wǎng)格的密度的過程中，需要確保在模擬區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的密度既不會(huì)過高也不會(huì)過低，過高會(huì)導(dǎo)致計(jì)算成本過高，而過低會(huì)導(dǎo)致模擬精度不足。最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為15nm，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1.5nm，在兩種材料的界面處需要對(duì)兩側(cè)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以準(zhǔn)確捕捉界面處的物理現(xiàn)象。最小的網(wǎng)格寬度在材料交界處為1nm，遠(yuǎn)離材料交界處的方向?qū)挾纫?.2的倍數(shù)遞增以平滑過渡，生成的網(wǎng)格如圖2-4所示。圖2-3ReS2FET仿真結(jié)構(gòu)圖圖2-4ReS2FET總體網(wǎng)格（a）和局部網(wǎng)格（b）圖2-5ReS2FET磷摻雜在完成對(duì)ReS2FET光電傳感器器件結(jié)構(gòu)的建模后，對(duì)模擬過程中使用的網(wǎng)格文件路徑、參數(shù)文件路徑、電流文件路徑、繪圖數(shù)據(jù)文件路徑和日志文件路徑進(jìn)行定義，確保模擬數(shù)據(jù)的正確存儲(chǔ)和讀取。再通過器件的結(jié)構(gòu)定義、物理模型設(shè)置、邊界條件施加、求解過程以及結(jié)果輸出得到器件在不同工作條件下的電學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的電學(xué)特性模擬。首先定義輸入、輸出等文件用于存儲(chǔ)模擬過程中產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)接觸電極進(jìn)行初始定義，為源極、漏極和柵極設(shè)置初始電壓。在物理模型設(shè)置部分，選擇費(fèi)米統(tǒng)計(jì)（Fermistatistics），用來描述載流子的行為；定義載流子遷移率（Mobility）模型，包括摻雜依賴性（DopingDep）、電場(chǎng)依賴性（Enormal）和高場(chǎng)飽和（HighFieldSaturation）效應(yīng)，用于描述載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)特性；定義復(fù)合（Recombination）模型，包括Shockley-Read-Hall（SRH）復(fù)合（摻雜依賴性）、Auger復(fù)合等，用于描述載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程。為了更好的控制數(shù)值求解的穩(wěn)定性和收斂性，還需設(shè)置求解過程中的數(shù)學(xué)參數(shù)，如外推（Extrapolate）、迭代次數(shù)（Iterations）等等。在設(shè)置好物理模型和求解參數(shù)后，通過逐步求解泊松方程（Poissonequation）、電子連續(xù)性方程和空穴連續(xù)性方程（continuityequations），來計(jì)算器件在不同工作條件下的電勢(shì)、載流子濃度、電流密度等物理量。通過逐步改變柵極電壓（Vg）和漏極電壓（Vd），模擬器件在不同工作條件下的電學(xué)行為。在柵極上施加一個(gè)可變電壓Vg，在特定的漏極電壓下（初始設(shè)置為Vd=0V），逐步改變柵極電壓Vg，通過逐步掃描柵極電壓Vg，測(cè)試Id隨Vg的變化關(guān)系，從而獲得ReS2FET的轉(zhuǎn)移特性曲線（Id-Vg）。為了更加全面的探究ReS2FET的電學(xué)特性，通過改變Vd的值，觀察在不同漏極電壓下的轉(zhuǎn)移特性曲線，得到轉(zhuǎn)移特性曲線簇，從而全面評(píng)估ReS2FET的電學(xué)性能。在漏極上施加一個(gè)可變電壓Vd，在特定的柵極電壓下（初始設(shè)置為Vg=0V），逐步改變漏極電壓Vd，通過逐步掃描漏極電壓Vd，測(cè)試Id隨Vd的變化關(guān)系，從而獲得ReS2FET的輸出特性曲線（Id-Vd）。同時(shí)通過改變柵極電壓的值，觀察在不同柵極電壓下的輸出特性曲線，得到轉(zhuǎn)移特性曲線簇。仿真結(jié)果及分析轉(zhuǎn)移特性曲線簇和輸出特性曲線簇如圖2-6所示，在圖2-6（a）中展示出了埋柵型ReS2FET的轉(zhuǎn)移特性，其中Vg從0V增長(zhǎng)到2V，Vd在1V~5V之間變化。通過觀察可以得知，Id隨著Vg的增加而顯著增加，并且在相同的柵極電壓下，Vd越大，Id越大。當(dāng)Vg=0V時(shí)，ReS2FET已經(jīng)導(dǎo)通，說明該器件自帶導(dǎo)電溝道，可以清楚地看到典型的N溝道耗盡型FET的特征。在圖2-6（b）中展示出了埋柵型ReS2FET的輸出特性，其中Vd從-2V增長(zhǎng)到2V，Vg分別取0V和10V。通過觀察可以得知，Id隨著Vd的增加而顯著增加。同時(shí)，當(dāng)Vd恒定不變時(shí)，Vg=10V時(shí)Id的值明顯大于Vg=0V時(shí)Id的值，Id隨Vg的增加而增加，表明該埋柵型ReS2FET光電傳感器的柵極控制能力良好，同時(shí)也符合N型FET的特征。從圖中可知，ReS2FET的輸出特性曲線呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，說明溝道材料ReS2與金屬電極之間形成類似肖特基接觸，金屬電極與ReS2之間形成一個(gè)勢(shì)壘，控制電子的流動(dòng)REF_Ref7211\r\h[46]。圖2-6（a）轉(zhuǎn)移特性曲線；（b）輸出特性曲線本章小結(jié)本章介紹了ReS2FET光電傳感器基于SentaurusTCAD軟件的仿真過程，整體的仿真流程為通過SDE器件編輯器創(chuàng)建光電傳感器的器件結(jié)構(gòu)，定義器件摻雜濃度和分布區(qū)域、生成大小合適的網(wǎng)格、建立ReS2材料文件；Sdecive器件模擬器根據(jù)實(shí)際條件下的電學(xué)行為設(shè)置物理?xiàng)l件，對(duì)器件內(nèi)部的電學(xué)特性進(jìn)行全方位模擬，逐步求解器件在不同工作狀態(tài)下的所需的物理量；最后利用Inspect數(shù)據(jù)分析器輸出目標(biāo)特性曲線并導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖處理，經(jīng)過以上仿真流程，最終完成了ReS2FET光電傳感器的仿真。通過觀察轉(zhuǎn)移特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，ReS2FET光電傳感器自帶導(dǎo)電溝道，呈現(xiàn)N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)。通過觀察輸出特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，輸出特性曲線呈現(xiàn)非線性關(guān)系，ReS2與金屬電極之間形成肖特基接觸，金屬電極與ReS2之間形成一個(gè)勢(shì)壘，控制電子的流動(dòng)。

二硫化錸光電傳感器的設(shè)計(jì)與制備二硫化錸光電傳感器的設(shè)計(jì)相比于背柵式FET和頂柵式FET，本論文創(chuàng)新性的采用埋柵型結(jié)構(gòu)。與背柵結(jié)構(gòu)相比，埋柵結(jié)構(gòu)無需那么高的柵極電壓，在較低的柵極電壓下就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溝道中載流子濃度的調(diào)控，減少功耗。此外，埋柵電極之間相互獨(dú)立，因此可以對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)控，提高了器件的靈活性。與頂柵結(jié)構(gòu)相比，埋柵結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電溝道材料由于沒有柵電極的遮擋，可以完全暴露在外界環(huán)境中，使得ReS2導(dǎo)電溝道能夠吸收更多的入射光，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的光響應(yīng)REF_Ref7270\r\h[47]。此外，采用埋柵結(jié)構(gòu)能夠顯著抑制電極材料對(duì)ReS2的意外摻雜，通過物理隔離電極與溝道區(qū)域，減少了界面電荷轉(zhuǎn)移對(duì)ReS2能帶結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，保障了器件性能的穩(wěn)定性與可靠性。如圖3-1所示為本論文所采用的埋柵式ReS2FET結(jié)構(gòu)示意圖，單層ReS2薄膜通過化學(xué)氣相沉積（CVD）法生長(zhǎng)，購(gòu)自深圳六碳科技有限公司。首先，在高度摻雜的p型硅襯底上濺射鈦（Titanium，Ti）/鉑（Platinum，Pt）電極，用作掩埋柵電極，其中Ti和Pt層的厚度分別為10nm和50nm；之后，在掩埋柵電極的頂部上沉積厚度為30nm的二氧化硅（SiO2）作為介電層；接著，在SiO2介電層上濺射Ti/Pt（10nm/50nm）源電極和漏電極；再將單層ReS2薄膜轉(zhuǎn)移并圖案化；最終得到具有埋柵結(jié)構(gòu)的ReS2FET光電傳感器。圖3-1埋柵式ReS2FET結(jié)構(gòu)示意圖二硫化錸光電傳感器的制備本次制備過程中所用主要化學(xué)材料與試劑如下表3-1所示，所用主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及型號(hào)如下表3-2所示。表3-1主要化學(xué)材料與試劑材料與試劑名稱純度丙酮（CH3COCH3）分析純（AR）無水乙醇（C2H6O）分析純（AR）氫氧化鉀粉末（KOH）99.99%PMMA苯甲醚溶液4%單層ReS2薄膜/硅片（Si）/表3-2實(shí)驗(yàn)設(shè)備名稱及型號(hào)實(shí)驗(yàn)設(shè)備名稱型號(hào)生產(chǎn)廠家磁控濺射臺(tái)JS-3中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微波等離子去膠機(jī)Q235AlphaPlasmaAsiaPteLtd.勻膠機(jī)CPN-KW-4A中普尼實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司HMDS烘箱YES-310TAYeildEngineeringSystem,Inc.熱板YS-200S中普尼實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司光電所光刻機(jī)（汞燈）URE-2000-35L中科院光電技術(shù)研究所MA8雙面光刻機(jī)MA/BA8Gen3SUSS超聲波清洗機(jī)KQ5200DE昆山市超聲儀器有限公司臺(tái)式高速離心機(jī)TG16-WS北京力高新業(yè)電子科技有限公司拉曼光譜儀LabRAMHREvolutionHoribaJobinYvon本次實(shí)驗(yàn)流程圖如圖3-2所示，具體工藝流程和參數(shù)如下。圖3-2ReS2FET光電傳感器制備實(shí)驗(yàn)流程圖（1）磁控濺射沉積柵電極首先，依次使用丙酮、酒精和水對(duì)硅基底進(jìn)行清洗，清洗后放入烘箱中，在120℃的溫度下烘烤5min，去除表面殘留的水分，待硅基底烘干后涂覆底膠，放入六甲基二硅氮烷（Hexamethyldisilazane，HMDS）真空烘箱中，在140℃的溫度下處理15min。接下來使用負(fù)性光刻膠NR9-3000PY進(jìn)行涂覆，采用兩步勻膠的方式：首先以700r/min的速度旋轉(zhuǎn)9s，使光刻膠初步均勻地涂覆在基片表面；再以4000r/min的速度旋轉(zhuǎn)40s，進(jìn)一步使光刻膠均勻分布，并形成具有一定厚度的光刻膠膜。涂膠完成后，將基片放在熱板上，在120℃的溫度下烘烤90s，使光刻膠中的溶劑揮發(fā)，提高光刻膠的黏度和穩(wěn)定性，同時(shí)減少光刻膠在曝光和顯影過程中的變形和擴(kuò)散，提高光刻分辨率和圖案質(zhì)量。隨后使用MA8雙面光刻機(jī)對(duì)基片進(jìn)行曝光，設(shè)置曝光時(shí)間為45s，Dose設(shè)置為320mJ/cm2。再將基片放在熱板上，在120℃的溫度下烘烤90s，進(jìn)一步穩(wěn)定光刻膠膜，消除光刻膠膜中的應(yīng)力和殘留溶劑，同時(shí)使光刻膠中的化學(xué)反應(yīng)更加完全，提高光刻膠在顯影過程中的抗溶解能力，增加圖案的穩(wěn)定性和還原度。接下來使用顯影液RD-6進(jìn)行顯影，顯影時(shí)間約為70s，過程中需要時(shí)刻觀察顯影情況以獲得最佳的圖案質(zhì)量。在獲得良好的顯影效果后進(jìn)行Plasma去底膠操作，去除基片表面殘留的HMDS底膠和光刻膠，操作設(shè)備如圖3-3所示，參數(shù)設(shè)置如下：Plasmatime：1min，O2：100sccm，Referencepressure：50Pa，Microwavepower1：100W。在成功去除底膠后，在基片上進(jìn)行磁控濺射沉積柵電極，先沉積10nm厚的Ti層作為粘附層，再沉積50nm厚的Pt層作為柵電極的主要材料，Ti層的作用主要是提高Pt層與基片之間的附著力。將沉積好柵電極的基片在丙酮中浸泡20min，然后進(jìn)行超聲處理2min以實(shí)現(xiàn)金屬的剝離，然后依次用酒精和水對(duì)基片進(jìn)行清洗。為了進(jìn)一步提高柵電極的質(zhì)量和性能，確保柵電極表面干凈無雜質(zhì)，進(jìn)行Plasma去除殘留物處理，參數(shù)設(shè)置如下：Plasmatime：10min，O2：400sccm，Referencepressure：50Pa，Microwavepower1：400W。圖3-3微波等離子去膠機(jī)Plasma去除底膠（2）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)SiO2介質(zhì)層沉積完柵電極后，在基片表面使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD）生長(zhǎng)30nmSiO2介質(zhì)層，再對(duì)基片進(jìn)行清洗、烘干，隨后涂覆底膠，將基片放入HMDS真空烘箱中，在140℃的溫度下處理15min，使基片表面形成一層均勻的薄膜，提高光刻膠與基片之間的附著力，再使用正性光刻膠AZGXR-601進(jìn)行涂覆，采用兩步勻膠的方式：先以700r/min的速度旋轉(zhuǎn)9s，使光刻膠初步均勻地涂覆在基片表面，再以3000r/min的速度旋轉(zhuǎn)40s。勻膠成功后，將基片放在100℃熱板上烘烤90s，再使用MA8雙面光刻機(jī)對(duì)基片進(jìn)行曝光，設(shè)置曝光時(shí)間為14s，Dose設(shè)置為320mJ/cm2。接下來，將基片浸入PD-238-Ⅱ顯影液中進(jìn)行顯影，顯影時(shí)間約為20s，在實(shí)際操作觀察中需要時(shí)刻觀察顯影情況以獲得最佳的圖案質(zhì)量。再次將基片放入烘箱中，在120℃的溫度下烘烤3min，以提高光刻膠的抗刻蝕能力和圖案的穩(wěn)定性，為后續(xù)的刻蝕工藝做好準(zhǔn)備。接下來將基片放入ICP刻蝕機(jī)中進(jìn)行刻蝕，等待刻蝕完成。將基片浸泡在丙酮中以去除殘留的光刻膠，分別浸泡3、5、10min以確保將殘留物去除干凈，再分別用酒精和水對(duì)基片進(jìn)行清洗，最后進(jìn)行Plasma去除殘留物處理，確?；砻娓蓛魺o雜質(zhì)，設(shè)置參數(shù)如下：Plasmatime：10min，O2：400sccm，Referencepressure：50Pa，Microwavepower1：400W。（3）磁控濺射沉積源漏電極依次使用丙酮、酒精和水對(duì)基片進(jìn)行清洗，再將清洗后的基片放入120℃的烘箱中烘烤5min，去除表面殘留的水分。待基片烘干后涂覆底膠，將基片放入HMDS真空烘箱中，在140℃的溫度下處理15min。使用負(fù)性光刻膠NR9-3000PY進(jìn)行涂覆，采用兩步勻膠的方式：首先以700r/min的速度旋轉(zhuǎn)9s，再以4000r/min的速度旋轉(zhuǎn)40s。接下來將基片放在熱板上，在120℃的溫度下烘烤90s，隨后使用URE-2000-35L光電所汞燈光刻機(jī)對(duì)基片進(jìn)行曝光，設(shè)置曝光時(shí)間為45s，再將基片放在熱板上，在120℃的溫度下烘烤90s。使用顯影液RD-6進(jìn)行顯影，顯影時(shí)間約為70s，過程中需要時(shí)刻觀察顯影情況以獲得最佳的圖案質(zhì)量。在獲得良好的顯影效果后進(jìn)行Plasma去底膠操作，去除基片表面殘留的HMDS底膠和光刻膠，參數(shù)設(shè)置如下：Plasmatime：1min，O2：100sccm，Referencepressure：50Pa，Microwavepower1：100W。在成功去除底膠后，在基片上進(jìn)行磁控濺射沉積源漏電極，先沉積10nm厚的Ti層作為粘附層，再沉積50nm厚的Pt層作為柵電極的主要材料。將沉積好源漏電極的基片浸泡在丙酮中20min，然后進(jìn)行超聲處理2min以實(shí)現(xiàn)金屬的剝離，依次用酒精和水對(duì)基片進(jìn)行清洗。最后再次進(jìn)行Plasma去除殘留物處理，參數(shù)設(shè)置如下：Plasmatime：10min，O2：400sccm，Referencepressure：50Pa，Microwavepower1：400W。（4）ReS2轉(zhuǎn)移與圖案化作為器件的重要組成部分，ReS2導(dǎo)電溝道轉(zhuǎn)移結(jié)果的好壞直接影響器件的性能。本文中使用的單層ReS2薄膜通過化學(xué)氣相沉積（CVD）法生長(zhǎng)，購(gòu)自深圳六碳科技有限公司，廠家提供的樣品是生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的1×1cm2單層ReS2薄膜，實(shí)物如圖3-4所示，因此在實(shí)驗(yàn)過程中需要先將ReS2從藍(lán)寶石襯底上轉(zhuǎn)移下來。圖3-4生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的ReS2薄膜首先在加熱臺(tái)上鋪上一層錫紙，將基于藍(lán)寶石襯底的單層ReS2薄膜放置在加熱臺(tái)上，用滴管滴5滴4%的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）苯甲醚溶液。然后將加熱臺(tái)溫度設(shè)置為100℃，通過加熱使PMMA溶液中的溶劑逐漸揮發(fā)，從而使PMMA固化成膜。待成膜后再將固化好的帶有PMMA和ReS2的基片放在2mol/L的氫氧化鉀（KOH）溶液里浸泡30min，同時(shí)將KOH溶液放在加熱臺(tái)上，使其維持在60℃。待PMMA薄膜和藍(lán)寶石基底自然分離后，用鑷子夾起和藍(lán)寶石基底已經(jīng)分離了的帶有ReS2的PMMA薄膜，在去離子水中充分清洗5遍，以去除殘留的KOH。清洗干凈后可以觀察到PMMA薄膜漂浮在水面上，用制備好的目標(biāo)基底從下方將薄膜撈起，盡量保持薄膜位于器件中心并且處于表面平整的狀態(tài)，隨后將器件豎直放置，自然晾干1h，操作過程如圖3-5所示。接著為了使ReS2和基底充分結(jié)合，將片子放在烘箱中100℃加熱20min。最后，用丙酮分別浸泡3、5、10min用于去除PMMA，再用酒精和水進(jìn)行清洗，確?；砻娓蓛簦瑸楹罄m(xù)圖案化操作做好準(zhǔn)備。圖3-5轉(zhuǎn)移ReS2（a）將帶有ReS2的片子放在加熱臺(tái)的錫紙上；（b）豎直放置轉(zhuǎn)移完ReS2的器件通過光刻工藝實(shí)現(xiàn)ReS2的圖案化處理，將轉(zhuǎn)移好的片子在120℃條件下烘5min。烘干后，在基片上均勻涂覆一層AZGXR-601正性光刻膠，采用兩步勻膠的方式進(jìn)行涂覆：先以700r/min的速度旋轉(zhuǎn)9s，再以3000r/min的速度旋轉(zhuǎn)40s。隨后將涂覆有光刻膠的基片在熱板上100℃下烘烤90s，使光刻膠固化。接下來曝光顯影，通過反復(fù)比對(duì)確保掩模版上的目標(biāo)圖案與基片表面精準(zhǔn)對(duì)齊，使用URE-2000-35L光電所汞燈光刻機(jī)照射基片14s，再浸入PD-238-Ⅱ顯影液中持續(xù)20s左右，期間需嚴(yán)格控制浸入顯影液的時(shí)間，確保曝光后的光刻膠圖案清楚顯現(xiàn)又不能過顯影。隨后在Plasma去膠機(jī)中對(duì)ReS2進(jìn)行刻蝕，參數(shù)設(shè)置如下：Plasmatime：10min，O2：150sccm，Referencepressure：50Pa，Microwavepower1：150W。最后，用丙酮分別浸泡3、5、10min用于去除殘留物，再分別用酒精和水進(jìn)行清洗，確?；砻娓蓛魺o殘留。通過以上操作，成功制備了兩種尺寸的ReS2FET光電傳感器，兩種尺寸FET對(duì)應(yīng)的ReS2導(dǎo)電通道為分別為30μm×400μm和30μm×200μm，電極接觸墊尺寸均為150μm×150μm，源極、漏極和柵極的寬度均為10μm。溝道寬度為400μm的FET光學(xué)顯微鏡圖像如圖3-6所示，從圖中可以明顯地看出該器件結(jié)構(gòu)良好，柵電極位于ReS2導(dǎo)電通道的中間。圖3-6溝道寬度為400μm的ReS2FET光電傳感器的光學(xué)顯微鏡圖像（a）柵電極制備完成；（b）SiO2介電層制備完成；（c）源漏電極制備完成；（d）ReS2制備完成二硫化錸拉曼測(cè)試?yán)≧enishawin）光譜對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)具有分析能力，為了表征ReS2FET光電傳感器的質(zhì)量，我們將制備得到的器件進(jìn)行拉曼光譜表征。將連續(xù)激光通過532nm的濾波片后，垂直入射光電傳感器表面，然后在接收器接收散射光，散射光記錄了散射光的頻率偏移量及對(duì)應(yīng)的散射光強(qiáng)度，組成了拉曼光譜，結(jié)果如圖3-7所示。由于ReS2晶體具有較低的對(duì)稱性，所以與其他常見的過渡金屬硫化物相比，ReS2的各個(gè)振動(dòng)模式在不同晶格取向上的振動(dòng)強(qiáng)度不同，當(dāng)線偏振光與各向異性材料相互作用后，其拉曼散射光譜會(huì)隨入射光偏振方向的變化而產(chǎn)生差異，因此，ReS2具有較復(fù)雜的拉曼光譜。通過觀察拉曼數(shù)據(jù)，在100cm-1~400cm-1的頻率范圍內(nèi)，可以觀測(cè)到多種模式，其中148cm-1處的拉曼峰強(qiáng)度較強(qiáng)，這些現(xiàn)象與先前報(bào)道的ReS2器件的文獻(xiàn)結(jié)果接近REF_Ref8302\r\h[48]，證實(shí)了ReS2薄膜的存在。圖3-7ReS2FET光電傳感器的拉曼光譜測(cè)試環(huán)境搭建為了進(jìn)行器件電學(xué)特性參數(shù)測(cè)試，本文采用如圖3-8所示探針臺(tái)（Summit12000，CascadeMicrotechnology）和半導(dǎo)體參數(shù)分析儀（B1500A，Keysight）對(duì)器件的電學(xué)特性進(jìn)行了表征，并通過將S35型單株LED自動(dòng)光源（CEL-LEDS35）集成到電測(cè)試系統(tǒng)中，系統(tǒng)地研究了ReS2FET光電傳感器的光電性能，所有的電學(xué)和光電實(shí)驗(yàn)均在室溫和大氣環(huán)境中進(jìn)行。圖3-8（a）探針臺(tái)（Summit12000，CascadeMicrotechnology）；（b）半導(dǎo)體參數(shù)分析儀（B1500A，Keysight）；（c）S35型單株LED自動(dòng)光源（CEL-LEDS35）；（d）集成電測(cè)試系統(tǒng)在對(duì)ReS2FET光電傳感器進(jìn)行電學(xué)測(cè)試的過程中，通過分別調(diào)節(jié)探針臺(tái)的三個(gè)探針使其與每個(gè)ReS2FET中的三個(gè)柵電極、源電極和漏電極接觸，使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀向源極、漏極和柵極提供期望的偏置電壓，測(cè)得ReS2FET光電傳感器的源漏電流大小。在源漏電壓（Vds）不變的情況下，通過改變柵極電壓（Vgs）來控制源漏電流（Ids），得到轉(zhuǎn)移特性曲線。保持Vgs不變，通過改變Vds來控制Ids，得到輸出特性曲線。由于柵介質(zhì)層厚度僅為30nm，因此為了防止擊穿柵介質(zhì)層，需要控制施加的柵壓防止過高。在對(duì)ReS2FET光電傳感器進(jìn)行光電響應(yīng)測(cè)試的過程中，使用圖3-8（d）中所示的集成電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)ReS2FET光電傳感器進(jìn)行測(cè)試，將器件水平放置于探針臺(tái)中心，調(diào)節(jié)探針臺(tái)的三個(gè)探針使其與每個(gè)ReS2FET中的三個(gè)柵電極、源電極和漏電極接觸，使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀向源極、漏極和柵極提供期望的偏置電壓。S35型單株LED自動(dòng)光源通過更換不同波長(zhǎng)的LED燈頭來實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的輸出，通過控制電源設(shè)置不同的工作模式（如基本模式、頻閃模式等等）以及運(yùn)行電流等參數(shù)，最后通過將S35型單株LED自動(dòng)光源的入射光源探頭加裝到ReS2FET光電傳感器的垂直方向，使入射光垂直照射到器件表面，從而完成測(cè)試環(huán)境的搭建。本章小結(jié)本章提出本論文所采用的埋柵式FET結(jié)構(gòu)作為ReS2光電傳感器的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了器件制備的工藝流程，流程為磁控濺射沉積柵電極Ti/Pt、PECVD生長(zhǎng)柵介質(zhì)層SiO2完成埋柵結(jié)構(gòu)的制備，再磁控濺射沉積源漏電極Ti/Pt，并在此基礎(chǔ)上使用基于PMMA的輔助轉(zhuǎn)移法將ReS2轉(zhuǎn)移到基底上并使用光刻技術(shù)對(duì)ReS2進(jìn)行圖形化處理，進(jìn)而完成導(dǎo)電溝道制備。通過以上流程，成功完成ReS2FET光電傳感器的制備。在介紹制備工藝流程的同時(shí)，本章詳細(xì)介紹了工藝制備時(shí)選定的參數(shù)及最終制備結(jié)果，并在得到制備好的ReS2FET光電傳感器后，通過拉曼光譜驗(yàn)證ReS2薄膜的存在。為了對(duì)光電傳感器的電學(xué)特性和光電性能進(jìn)行測(cè)試，通過集成探針臺(tái)、半導(dǎo)體參數(shù)分析儀和S35型單株LED自動(dòng)光源成功完成了測(cè)試環(huán)境的搭建。

二硫化錸光電傳感器性能研究溝道寬度200μm的二硫化錸光電傳感器電學(xué)測(cè)試結(jié)果與分析圖4-1所示為溝道寬度200μm的ReS2FET光電傳感器的光學(xué)顯微鏡圖像。圖4-1溝道寬度200μm的ReS2FET光電傳感器利用探針臺(tái)和半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)ReS2FET光電傳感器進(jìn)行電學(xué)測(cè)試，分別調(diào)節(jié)探針臺(tái)的三個(gè)探針使其與每個(gè)ReS2FET中的柵電極、源電極和漏電極接觸，使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀提供源極、漏極和柵極偏置電壓并測(cè)量器件的Ids值。在柵極電壓（Vgs）不變的情況下，通過改變Vds的值從-2V增長(zhǎng)到2V，來控制Ids，得到光電傳感器的輸出特性曲線。如圖4-2和圖4-3所示為ReS2FET光電傳感器在不同入射光功率密度和入射光波長(zhǎng)下的輸出