一种低暗电流高响应度的二维材料探测器及其制备方法

本发明属于新型材料光探测器领域，具体涉及一种二维材料光探测器及制备方法。

背景技术：

1、光电探测器可以将捕获的光信号转化为电信号，是现代光电工业的关键器件。光电探测器的用途广泛，如遥控器、夜视仪、医学成像、卫星通讯以及军事勘察等多种领域。目前传统的光电探测器如gan基探测器，si基探测器已发展数年，已进入发展瓶颈期。自从2004年发现石墨烯以来，以石墨烯为代表的二维材料发展迅速。二维材料的载流子输运和光子传输被限制在二维平面内，具有二维电子气和量子霍尔效应等不寻常的物理现象。二维材料有各自优劣，如过渡金属硫族化合物sns2材料层与层之间的范德瓦尔斯力比较弱，纳米级的薄片比较容易获得，具有2.2ev直接带隙、良好的化学稳定性、成本低且无污染，可以应用于紫外光至可见光波段的光电探测，但sns2迁移率低，sns2光电探测器具有厚度依赖性，不同的厚度其光响应不同，sns2光电探测器的性能良莠不齐。

2、二维材料作为一种新型的半导体材料，有着许多独特的光电特性。相比于传统的半导体有着天然的优点，如可调的带隙，较高的载流子迁移率，不受晶格失配的影响等。在传统p-n结构的光电探测器中，当光照射到p型半导体中性区时，中性区产生的电子-空穴对，只有扩散到结区被分离才能产生有效的光电流，而由于扩散速度较低，影响了器件的响应速度。而二维材料可以依靠层内共价键和层间范德瓦尔斯作用力结合构建异质结，由于表面没有悬空键和层间范德华相互作用，可以不受晶格常数约束。而且二维材料异质结构的超薄属性允许在垂直方向上对其能带进行电调控。因此二维材料光电探测器在近年来取得了巨大的进步。但是，这些器件大部分都存在着暗电流过大的问题，影响着探测器的响应度和探测率。例如过渡金属硫化物的探测器，不仅存在着暗电流过大，还普遍有着响应速度慢等问题；而黑磷bp在室温下可以获得相当大的空穴迁移率,具有优良的电学性能和高响应速度，但其受掺杂的严重影响，导致暗电流过大，并且不能兼具快的响应速度与高的探测率。因此，研究一种可以降低器件的暗电流，提高器件的响应度和探测率的解决方案显得格外重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对目前二维材料半导体光电探测器在不同程度上都存在着暗电流过大的问题，影响着器件的响应度和探测率，而提出了一种低暗电流高响应度的新型二维材料光电探测器结构及其制备方法。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种低暗电流高响应度的二维材料探测器，该二维材料探测器是使用机械剥离法在衬底上转移剥离出三种二维材料，并基于范德瓦尔斯异质结一同构建两个正垂直pn结构的结构形式，并且使下方pn结的能带结构满足ⅲ型能带对准，同时使上方pn结的能带结构满足ⅱ型能带对准。

3、上述三种二维材料并没有任何限制，只要满足三层二维材料能够一同构建两个正垂直pn结构，并且使下方pn结为ⅲ型能带对准结构，同时使上方pn结为ⅱ型能带对准结构即可。在本发明优选的实施例中，三种二维材料从下至上分别为sns2、bp和inse。

4、进一步，所述二维材料探测器从下至上依次包括衬底、底层、中间层和顶层，底层和顶层均为n型半导体，中间层为p型半导体，底层和中间层形成的pn结具有ⅲ型能带对准，中间层与顶层形成的pn结具有ⅱ型能带对准，并且底层、中间层和顶层一同正垂直构建。

5、优选地，所述衬底采用具有300nmsio2厚度的sio2/p-si衬底，p-si为p型掺杂si，属于现有技术，此处不再详细赘述。

6、一种制备所述的低暗电流高响应度的二维材料探测器的方法，先在衬底上转移机械剥离出的厚度均匀的底层；在底层上转移中间层，该中间层面积大于底层，并且完全覆盖住底层，使底层位置处于中间层的中间位置；然后在中间层上转移顶层，该顶层面积小于中间层，与底层面积相当，且留出电极位置，并且转移位置处于底层的正上方；再在中间层上采用电子束光刻和电子束蒸发来制作ti/au电极；所述电极不接触到底层和顶层，厚度为10nm的ti和50nm的au。

7、优选地，上述方法中，衬底采用具有300nmsio2厚度的sio2/p-si衬底。

8、优选地，上述方法中，底层、中间层和顶层材料分别为sns2、bp和inse。

9、通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种基于范德瓦尔斯异质结二维材料探测器的结构。选用三种二维材料一同构建两个正垂直ⅱ型和ⅲ型异质结能带对准，一是有利于形成势垒，降低暗电流；二是有利于电子空穴对的分离，增加响应度，因此实现探测器的超高探测率。本结构的提出突破以往仅利用一种类型能带对准结构制备探测器的限制，为降低光电探测器的暗电流，提高探测率和响应度提供了一种新的解决方法，开拓了基于范德瓦尔斯新型二维材料探测器的研究思路，对该领域的研究起到引领效果，具有丰富的应用开发前景。

技术特征：

1.一种低暗电流高响应度的二维材料探测器，其特征在于，该二维材料探测器是使用机械剥离法在衬底上转移剥离出三种二维材料，并基于范德瓦尔斯异质结一同构建两个正垂直pn结构的结构形式，并且使下方pn结的能带结构满足ⅲ型能带对准，同时使上方pn结的能带结构满足ⅱ型能带对准。

2.根据权利要求1所述的低暗电流高响应度的二维材料探测器，其特征在于：三种二维材料分别为sns2、bp和inse。

3.根据权利要求1所述的低暗电流高响应度的二维材料探测器，其特征在于：所述二维材料探测器从下至上依次包括衬底、底层、中间层和顶层，底层和顶层均为n型半导体，中间层为p型半导体，底层和中间层形成的pn结具有ⅲ型能带对准，中间层与顶层形成的pn结具有ⅱ型能带对准，并且底层、中间层和顶层一同正垂直构建。

4.根据权利要求1或3所述的低暗电流高响应度的二维材料探测器，其特征在于：所述衬底采用具有300nmsio2厚度的sio2/p-si衬底。

5.一种制备权利要求3所述的低暗电流高响应度的二维材料探测器的方法，其特征在于，先在衬底上转移机械剥离出的厚度均匀的底层；在底层上转移中间层，该中间层面积大于底层，并且完全覆盖住底层，使底层位置处于中间层的中间位置；然后在中间层上转移顶层，该顶层面积小于中间层，与底层面积相当，且留出电极位置，并且转移位置处于底层的正上方；再在中间层上采用电子束光刻和电子束蒸发来制作ti/au电极；所述电极不接触到底层和顶层，厚度为10nm的ti和50nm的au。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述衬底采用具有300nmsio2厚度的sio2/p-si衬底。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：底层、中间层和顶层材料分别为sns2、bp和inse。

技术总结
本发明公开了一种低暗电流高响应度的二维材料探测器及其制备方法，属于新型材料光探测器领域，二维材料探测器结构基于范德瓦尔斯异质结，包含三层二维材料，一同构建两个正垂直PN结构，并且使下方PN结为Ⅲ型能带对准结构，同时使上方PN结为Ⅱ型能带对准结构。该结构可以有效的降低探测器暗电流，提高器件响应度。本发明为基于范德瓦尔斯异质结二维材料探测器，为降低器件暗电流，提高响应度和探测率提供了一种新的解决方案，具有深刻而广泛的研究意义和应用前景。

技术研发人员：邢艳辉,王冰辉,韩军,关宝璐
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13