一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器的制作方法与工艺

文档序号:11992407阅读:420来源:国知局
一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器的制作方法与工艺
一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器,用于实现宽光谱、超快响应的光探测器,属于光探测技术领域。

背景技术:
传统基于IV族和III‐V族半导体材料(例如硅和砷化镓)的光探测器的适用光谱范围和探测带宽普遍受到其材料本身的能量带隙和载流子渡越时间的制约,因此实现宽光谱、超快响应的光调制器比较困难。随着科技的快速发展,对器件集成度的要求也越来越高,器件尺寸需要不断减小,基于传统材料的光探测器的器件已接近极限。近年来,对近红外激光器的研究也越来越受到关注,尤其是应用在医学方面的激光手术刀,涉及激光光波长从1μm到3μm范围变化,需要一个宽光谱的光探测器来对其激光光束质量进行有效地检测和评估。石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料,在室温下具有超高的电子迁移率,是一个优良的二维导体,单层石墨烯对垂直入射光的透射率高,可达97.7%。由于石墨烯材料优异的光电特性,在光调制器、光探测器、场效应管和超级电容方面已得到广泛的研究,且其在超级电容方面的应用,已取得了实质上的突破。黑磷和二硫化钼材料都是直接带隙材料,并且能量带隙是可控的。目前基于黑磷/二硫化钼异质结在场效应管、超短脉冲激光器方面的研究得到了广泛的关注。研究表明,黑磷和二硫化钼构成的异质结结构中黑磷和二硫化钼之间的相互作用相对是比较弱的,黑磷和二硫化钼材料在光学和电学特性上可以发挥各自的优势,满足特殊光学和电子学应用需求,且黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙是可由外部电场调控的(见文献L.Huang,etal.Electric‐fieldtunablebandoffsetsinblackphosphorusandMoS2vanderWaalsp‐nheterostructure.J.Phys.Chem.Lett.,vol.6,2015)。黑磷材料的光电学特性与其层数或厚度有着密切关联,单原子层黑磷的带隙为2eV,多原子层黑磷的带隙可低至为0.3eV,因而通过控制黑磷的生长厚度来调控其带隙,可以在0.5μm~4.1μm波长范围工作。

技术实现要素:
本发明针对上述不足之处提供了一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器,解决器件不具有宽光谱、快速、低噪声的响应特性,同时不具有与CMOS工艺兼容、体积小、易于集成和响应光谱范围可调的问题。为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器,其特征在于:包括二氧化硅衬底层,从下到上依次设置在二氧化硅衬底层上的第一石墨烯层、第一隔离介质层、二硫化钼层、黑磷导电层、第二隔离介质层和第二石墨烯层;所述二硫化钼层和黑磷导电层构成异质结结构;所述黑磷导电层上设置有第一引出电极和第二引出电极,第二隔离介质层和第二石墨烯层将第一引出电极和第二引出电极隔开;所述第一石墨烯层延伸出第一隔离介质层,在延伸的第一石墨烯层上设置有第一电极,所述第二石墨烯层上设置第二电极,形成平板电容结构。进一步,所述黑磷导电层为单层或多层。进一步,所述第一石墨烯层和第二石墨烯层为单层或多层。进一步,所述第一电极和第二电极中的一个电极连接正电极,另一个电极接地,在第一石墨烯层和第二石墨烯层之间形成垂直于黑磷/二硫化钼异质结的电场。进一步,所述第一隔离介质层和第二隔离介质层为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物绝缘材料中的一种,并将第一石墨烯层、黑磷/二硫化钼异质结和第二石墨烯层依次隔离。进一步,所述第一电极层、第二电极层、第一引出电极和第二引出电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或多种。进一步,所述第一引出电极和第二引出电极为引出电极,与外部电路相连。与现有技术相比,本发明的优点在于:一、本发明的光探测器以二氧化硅作为衬底,与CMOS工艺兼容,易于集成;二、本发明光探测器不仅尺寸小,且黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙可由外加电场调控,能量带隙的调控范围为0.9eV到0eV范围变化,具有响应光谱范围可调,适用光谱范围宽的优点;三、本发明中黑磷/二硫化钼异质结结构可以大幅度增强光子的吸收和提高光生载流子的产生,且黑磷材料具有超快的载流子恢复时间(飞秒量级)和较高的载流子迁移率,可具有较高的探测带宽和较快的光响应速度;四、本发明中黑磷是直接带隙材料,具有更小的噪声电流,可以避免长波长杂散光产生的噪声,提高了光探测器的灵敏度。附图说明图1为本发明的结构示意图;图2为图1的横截面结构示意图;图中:1、二氧化硅衬底层,21、第一石墨烯层,22、第二石墨烯层,31、第一隔离介质层,32、第二隔离介质层,4、二硫化钼层,5、黑磷导电层,61、第一电极层,62、第二电极层,71、第一引出电极,72、第二引出电极。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器,包括二氧化硅衬底层1,从下到上依次设置在二氧化硅衬底层1上的第一石墨烯层21、第一隔离介质层31、二硫化钼层4、黑磷导电层5、第二隔离介质层32和第二石墨烯层22;所述二硫化钼层4和黑磷导电层5构成异质结结构;所述黑磷导电层5上设置有第一引出电极71和第二引出电极72,第二隔离介质层32和第二石墨烯层22将第一引出电极71和第二引出电极72隔开;所述第一石墨烯层21延伸出第一隔离介质层31,在延伸的第一石墨烯层21上设置有第一电极61,所述第二石墨烯层22上设置第二电极62,形成平板电容结构。第一电极61和第二电极62中的一个电极连接正电极,另一个电极接地,形成平板电容,将黑磷/二硫化钼异质结夹在中间,在第一石墨烯层21和第二石墨烯层22之间形成垂直于黑磷/二硫化钼异质的电场,通过调谐电场的强度可调谐黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙的大小,能量带隙的调控范围为0.9eV到0eV范围变化,从而改变光探测响应的光谱范围,相比于零带隙的石墨烯材料,可以避免长波长杂散光产生的噪声,提高光探测器的灵敏度。石墨烯材料对垂直入射光的透射性好,绝大部分光可进入到黑磷/二硫化钼异质结层,产生光生载流子,通过第一引出电极71和第二引出电极72和外部电路连接,可检测到由光子转化为的电流信息,实现光信号的探测功能。本发明光探测器结构以二氧化硅材料作为衬底,与CMOS工艺兼容,易于集成。黑磷/二硫化钼异质结结构可以大幅度增强光子的吸收和提高光生载流子的产生,且黑磷材料具有超快的载流子恢复时间(飞秒量级)和较高的载流子迁移率,可具有较高的探测带宽和较快的光响应速度。实施例1图1是本发明实施例中基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器结构示意图;图2是本发明实施例中基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器横截面结构示意图。由图1、2可见,本发明提供的基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器包括二氧化硅衬底层1,在二氧化硅衬底层1的中心部分上,从下到上依次设置有第一石墨烯层21、第一隔离介质层31、二硫化钼层4、黑磷导电层5、第二隔离介质层32和第二石墨烯层22;所述二硫化钼层4和黑磷导电层5构成异质结结构,所述二硫化钼层4和黑磷导电层5相重叠,并分别向两侧延伸出第一隔离介质层31连接第一引出电极71和第二引出电极72;所述第二隔离介质层32和第二石墨烯层22相对应第一隔离介质层31依次设置在黑磷导电层5上;水平垂直于黑磷导电层5延伸方向上,第一石墨烯层21和第二石墨烯层22分别从相反向延伸出来,延伸出的第一石墨烯层21上设置有第一电极61,延伸出的第二石墨烯层22上设置有第二电极62,第一石墨烯层21和第二石墨烯层22形成平板电容结构。实施例中所述黑磷导电层3为单层或多层。实施例中所述第一石墨烯层21和第二石墨烯层22为单层或多层。实施例中所述第一电极61和第二电极62中的一个电极连接正电极,另一个电极接地,以形成平板电容,在第一石墨烯层21和第二石墨烯层22之间形成垂直于黑磷/二硫化钼异质结的电场,黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙被加电场调控,能量带隙的调控范围为0.9eV到0eV范围变化,黑磷/二硫化钼异质结结构的能量带隙决定了激发电子跃迁所需要的光子能量、响应光子频率的范围和适用的光谱范围。当黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙为0eV时,就相当于零带隙的材料,几乎对任意波长的光都能响应,产生光生电流;当黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙>0eV时,超过一定波长的长波段光信号将没有足够光子能量激发电子跃迁,本实施例光探测器没有响应。因而可以通过黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙可以选择适用的光谱范围,即本发明的光探测器的响应光谱范围可调。实施例中所述第一隔离介质层31和第二隔离介质层32材料为绝缘材料,可为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物之一,并将第一石墨烯层21、黑磷/二硫化钼异质和第二石墨烯层22依次隔离,即两平板之间是不能直接相连,否则不是平板电容结构,用绝缘材料隔离,起到形成电容结构。实施例中所述第一电极层61、第二电极层62、第一引出电极71和第二引出电极72的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或多种。实施例中所述第一引出电极71和第二引出电极72作为引出电极,可与外部电路相连。本发明实施例光探测器以二氧化硅作为衬底,与CMOS工艺兼容,易于集成;相比于传统基于IV族和III‐V族半导体材料的光探测器,本发明光探测器具有更小的尺寸,且响应光谱范围可调,相比于零带隙的石墨烯材料,可以避免长波长杂散光产生的噪声,提高光探测器的灵敏度。石墨烯材料对垂直入射光的透射性好,绝大部分光可进入到黑磷/二硫化钼异质结层,产生光生载流子,通过第一引出电极71和第二引出电极72和外部电路连接,可检测到由光子转化为的电流信息,实现光信号的探测功能。黑磷/二硫化钼异质结结构可以大幅增强光子的吸收和提高光生载流子的产生,且黑磷材料具有超快的载流子恢复时间(飞秒量级)和较高的载流子迁移率,可具有较高的探测带宽和较快的光响应速度。二硫化钼的优点之一是电子在平面薄片中的运行速度,即电子迁移率。二硫化钼的电子迁移速率大约是100cm2/vs(即每平方厘米每伏秒通过100个电子),这远低于晶体硅的电子迁移速率1400cm2/vs,但是比非晶硅和其他超薄半导体的迁移速度更好。二硫化钼还有其他令人向往的特性,即直接带隙,这一特性使该材料把电子转变成光子,反之亦然。二硫化钼这种材料的结构特征,电子在其内部移动时,碰到较大的金属原子后会在其结构内发生弹离,从而会降低迁移速度。黑磷二维晶体的电子转移速率为1000cm2/vs,且通过黑磷材料的层数,其能量带隙(能量带隙是指半导体材料中导带的最低点和价带的最高点的能量之差,当入射光的能量高于带隙能时,可以激发产生光生伏特效应,即将光信号转化为对应的电流信号)是可调谐的,但黑磷单晶在空气中不稳定。黑磷和二硫化钼构成的异质结的材料能量带隙是可以通过外加电场作用改变的,即是可调谐的(通过电场作用改变材料的带隙能),黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调谐的范围为0.9eV到0eV,即可针对不同探测光波长,通过调谐其能量带隙值来降低背景噪声;又由于黑磷和二硫化钼材料本身都具有较高的电子迁移率,因而基于黑磷/二硫化钼异质结材料的光探测器响应速度快。
当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1