基于二维硒化锗/二硫化钼的偏振光电探测器及其制备方法

本发明属于硒化锗晶体材料的制备，具体涉及一种基于二维硒化锗/二硫化钼的偏振光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、光电探测器是现代信息处理系统的基本元件，能够将光信号转换为电信号，在军事安全、光通信以及空间技术等电子领域技术的发展中具有重要意义。偏振是光波除强度、频率、相位以外的一种重要的光学信息，偏振敏感的光电探测器可以从入射光中提取出偏振信息，屏蔽掉杂散光，以提高信噪比，扩大所获得的信息量。目前传统的硅基光电探测器、砷化镓铟光电探测器等在光检测市场占据主要地位，然而这些传统的光电探测器需要在探测系统中加入偏振片和半波片等来解析偏振信号，这种结构不仅非常复杂，不利于集成，而且还具有响应率低等问题。二维材料具有原子层厚度，不仅在电学、光学、机械和热学等方面具有优异性能，而且使其具备了高透明度和良好的柔性特征，非常适合新型器件的应用。尽管二维层状半导体具有高透明度，但它们可以与入射光强相互作用，会增强光子吸收，利于电子-空穴对的产生。二维层状材料具有量子限域效应，使其载流子容易在二维平面内移动，简化了在纳米尺度上探索载流子输运的研究模型。更重要的是，二维材料表面无悬挂键，层与层之间可以依赖范德华力相互作用，因此可以用任意二维材料堆叠出基于二维材料的范德华异质结构而不用考虑晶格错配的问题。因此，丰富的二维材料家族具有的性能可调性以及创建各种异质结构的可能性，使其成为未来高性能光电应用器件的候选材料，包括从红外到紫外波长的各种光电探测器。

2、采用单一二维材料制备的，以光电导效应为主要机制的光电探测器存在暗电流较大或者响应时间长等缺点，基于光伏效应的光电探测器利用pn结在光照下形成内建电场，这种器件尽管具有较快的响应时间，但没有额外的增益机制，因此光响应度和探测度较低。光致栅控效应是光电导的一种特殊情况，表现为光照下电导率发生改变，光激发产生两种载流子，其中一种载流子被陷阱态捕获，另一种载流子在沟道中进行传输，被陷阱态捕获的这种载流子可以被看作局部栅极。基于光致栅控效应的异质结结构是通过异质结界面的电荷交换或在界面处的电荷积累进行调控，利用界面处形成的内建电场实现电子-空穴对的有效分离，通过顶层光致栅控层的光生载流子作为局部栅极来调控导电沟道。

3、随着偏振敏感光电探测器的进一步发展，使用具有本征偏振光敏感的二维半导体材料作为探测器的感光介质，为实现偏振敏感光电探测器提供了重要思路。基于范德华异质结的偏振光电探测器能够将各向异性材料与其他材料结合起来实现具有偏振敏感特性的高性能光电探测器。

4、硒化锗属于第四主族金属硫族化物，具有高度各向异性的层状正交晶体结构，硒化锗的低对称的晶体结构使其在光学和电学都表现出优异的各向异性特性。将硒化锗作为用于基于光致栅控效应的异质结光电探测器不仅可以作为顶栅材料对器件进行局部栅极调控，还可以利用硒化锗的各向异性光吸收特性实现偏振光电探测。当前基于硒化锗的偏振光电探测器，主要结构依然是基于pn结的光电二极管，由于缺乏光电导增益，导致在光电响应度上不具优势。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于二维硒化锗/二硫化钼的偏振光电探测器及其制备方法，用以解决基于二维硒化锗/二硫化钼异质结的传统光电二极管结构光电响应度小的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种基于二维硒化锗/二硫化钼的偏振光电探测器，包括：衬底层、二维半导体层、两个金属电极层、各向异性二维半导体层；所述金属电极层作为源极和漏极分别设置在衬底层的上表面的两端；所述二维半导体层位于两个金属电极层之间，设置在衬底层的上表面上；所述各向异性二维半导体层位于二维半导体层的上表面中部，且不与两个金属电极层接触；所述各向异性二维半导体层的材料为二维硒化锗；所述二维半导体层的材料为二硫化钼。

4、进一步地，所述衬底层包括底栅电极和介电层；所述介电层位于底栅电极的上表面，所述二维半导体层位于介电层的上表面。

5、进一步地，所述介电层的材料为二氧化硅，所述栅电极的材料为硅；所述衬底层的500～550μm。

6、进一步地，所述金属电极层的材料为金。

7、本发明还公开了上述一种基于二维硒化锗/二硫化钼的偏振光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

8、s1：采用化学气相传输的方法制备二维硒化锗作为各向异性二维半导体层：

9、将锗粉末、硒粉末和结晶碘粉末混合后放入石英安瓿管中，并对安瓿管抽真空进行密封，将密封后的安瓿管放入加热设备中的反应区中进行加热，在加热设备中的生长区得到二维硒化锗；

10、s2：利用干法转移法，将作为二维半导体层的二硫化钼转移到衬底层的上表面；

11、随后将两块金属电极转移到二维半导体层的上表面的两端；

12、s3：将s1得到的二维硒化锗作为各向异性二维半导体层通过对准转移的方法转移二维半导体层的上表面中部，且不与两个金属电极层接触，得到预处理件；

13、s4：将预处理件进行热处理后，得到一种基于二维硒化锗/二硫化钼的偏振光电探测器。

14、进一步地，s1中，所述锗粉末、硒粉末和结晶碘粉末的质量比为(1～1.1)：(1～1.2)：(4～6)；所述将安瓿管抽真空进行密封，抽真空密封后的安瓿管内的气压低于1×10-3pa；所述对安瓿管抽真空进行密封时，还需要对结晶碘粉末采用液氮进行固定。

15、进一步地，s1中，所述加热设备采用双温区管式炉；将密封后的安瓿管放入双温区管式炉的反应区内，并将双温区管式炉的反应区和生长区在2h内分别加热至600℃和530℃，经过7～8天恒温后自然降温，在双温区管式炉的生长区得到二维硒化锗。

16、进一步地，所述干法转移技术的具体步骤为：

17、将粘有二硫化钼的聚二甲基硅氧烷固定在载玻片上，利用二维材料转移平台以及显微镜的对准功能，将二硫化钼与衬底层的上表面对准后贴合，随后进行加热后抬起载玻片，完成二维半导体层在衬底层的上表面的贴附。

18、进一步地，s4中，所述热处理的方式为真空退火。

19、进一步地，所述真空退火的温度为200℃～250℃，真空退火的时间为1.5h～2h。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、本发明公开了一种基于二维硒化锗/二硫化钼的偏振光电探测器，采用二维硒化锗作为各向异性二维半导体层，采用二硫化钼作为二维半导体层，二硫化钼是主要的导电沟道，硒化锗作为顶层光敏材料，所构成的pn结在垂直方向上的内建电场，增强了光生载流子的分离，从而提高光电探测性能。该器件在光电探测领域内的应用，解决了现有二维半导体材料光电探测器迁移率低、响应时间长、响应度和探测度低等特点，更进一步的实现了偏振光电探测。

22、本发明还提供了上述基于二维硒化锗/二硫化钼的偏振光电探测器的制备方法，采用化学气相传输的方法将高纯度的锗粉末、硒粉末和结晶碘粉末合成高质量的层状硒化锗晶体，该方法的密闭、稳定、可控的合成环境保证了硒化锗的晶体质量，与常用的化学气相沉积法和湿化学合成法相比，化学气相传输法因合成环境的独特性具有可控性好、生长质量高、操作简单、成本低、可重复性高等优点。