一种几何-晶体各向异性耦合的光电探测器及其制备方法

本发明涉及半导体光电探测，特别是一种几何-晶体各向异性耦合的光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、在过去的几代中，偏振光探测技术经历了分时型、分振幅型、分孔径型、分焦平面型及通道调制型等不同阶段的发展与改进。传统方案通常需要一个不受偏振态影响的探测器，结合一系列光学组件，如偏振器和波片。然而，这种采用庞大且复杂的光学系统的方法需要大量空间进行极化状态检测，无法满足芯片光电系统的微型化和超高密度集成的需求。

2、在这一背景下，二维材料的出现为光电探测器领域带来了新的机遇。二维半导体以其独特的范德华结构和各向异性的电学、光学特性引起关注。例如层状半导体如黑磷（bp），由于其范德华结构，可以在垂直方向上还原为单一原子层，即磷烯。黑磷的载流子迁移率、光学折射率和能带结构在各个晶向上有较大的不同，使其成为半导体偏振器件的理想材料，尤其在中/长波红外光谱范围内显示出巨大的潜力。

3、本发明旨在通过将二维半导体晶体各向异性与器件几何结构各向异性耦合，突破偏振探测器的性能瓶颈。将二维材料各向异性的晶体结构与物理性质与各向异性的几何结构相结合，来提高偏振光的性能指标与探测能力。

技术实现思路

1、鉴于上述现有光电探测器中存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于如何提高偏振光探测器的偏振比、响应度和比探测率并且简化驱动要求、偏振器件光吸收率，以提高其性能和适用性。

3、为解决上述技术问题，本发明的第一个目的是提供一种几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，其包括，绝缘层；反射层，其设置于所述绝缘层的底部；耦合组件，其设置于所述绝缘层的顶部，所述耦合组件至少设置有两个且所述之间耦合组件具有间隙；所述耦合组件包括由下往上依次堆叠的金属层、二维材料层以及透明电极层，所述二维材料层具有晶体各向异性；所述二维材料层将所述金属层包覆，所述透明电极层将所述二维材料层包覆。

4、作为本发明所述几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的一种优选方案，其中：所述耦合组件在其厚度方向上的投影形状的宽度在其长度方向上的任一位置均相等。

5、作为本发明所述几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的一种优选方案，其中：所述耦合组件在其厚度方向上的投影形状的宽度在其长度方向上呈线性变化。

6、作为本发明所述几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的一种优选方案，其中：所述耦合组件在其厚度的方向上的投影形状的宽度与长度不相等。

7、作为本发明所述几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的一种优选方案，其中：所述二维材料层的材料为黑磷，以所述二维材料层的径向截面为基准面，其径向晶向为zigzag方向，法向晶向为armchair方向。

8、作为本发明所述几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的一种优选方案，其中：所述金属层、所述二维材料层以及所述透明电极层的长度相等。

9、作为本发明所述几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的一种优选方案，其中：所述反射层与所述金属层的材料均为金属，所述二维材料层的材料为具有晶体各向异性的二维半导体材料，所述透明电极层的材料为ito。

10、作为本发明所述几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的一种优选方案，其中：在所述金属层以及所述透明电极层的端部，分别引出有导线作为电极，所述电极之间连接有负载，且所述金属层之间互相并联，所述透明电极层之间互相并联。

11、本发明的另一个目的是提供一种几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的制备方法，其包括提供反射层；于所述反射层的顶部形成绝缘层；于所述绝缘层的顶部形成阵列的金属层；在每一个所述金属层上形成二维材料层；在每一个所述二维材料层上形成透明电极层。

12、作为本发明所述几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的制备方法的一种优选方案，其中：所述二维材料层的形成方法包括采用化学气相沉积技术生长出黑磷二维材料晶体，并按照径向晶向为zigzag方向、法向晶向为armchair方向的方式将其转移至所述金属层上。

13、本发明有益效果为：本发明将晶体各向异性与器件几何结构各向异性耦合，突破偏振探测器的性能瓶颈。将二维材料各向异性的晶体结构与物理性质与各向异性的几何结构相结合，可显著提高偏振光的性能指标与探测能力。

技术特征：

1.一种几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，其特征在于：包括，

2.如权利要求1所述的几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，其特征在于：所述耦合组件（300）在其厚度方向上的投影形状的宽度在其长度方向上的任一位置均相等。

3.如权利要求1或2所述的几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，其特征在于：所述耦合组件（300）在其厚度方向上的投影形状的宽度在其长度方向上呈线性变化。

4.如权利要求3所述的几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，其特征在于：所述耦合组件（300）在其厚度的方向上的投影形状的宽度与长度不相等。

5.如权利要求1、2或4任一项所述的几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，其特征在于：所述二维材料层（302）的材料为黑磷，以所述二维材料层（302）的径向截面为基准面，其径向晶向为zigzag方向，法向晶向为armchair方向。

6.如权利要求5所述的几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，其特征在于：所述金属层（301）、所述二维材料层（302）以及所述透明电极层（303）的长度相等。

7.如权利要求1、2、4或6任一项所述的几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，其特征在于：所述绝缘层（200）与所述金属层（301）的材料均为金属，所述二维材料层（302）的材料为具有晶体各向异性的二维半导体材料，所述透明电极层（303）的材料为ito。

8.如权利要求7所述的几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，其特征在于：在所述金属层（301）以及所述透明电极层（303）的端部，分别引出有导线作为电极（400），所述电极（400）之间连接有负载，且所述金属层（301）之间互相并联，所述透明电极层（303）之间互相并联。

9.一种几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的制备方法，其特征在于：适用于制备如权利要求1~8任一所述的几何-晶体各向异性耦合的光电探测器，所述制备方法包括，

10.如权利要求9所述的几何-晶体各向异性耦合的光电探测器的制备方法，其特征在于：所述二维材料层（302）的形成方法包括采用化学气相沉积技术生长出黑磷二维材料晶体，并按照径向晶向为zigzag方向、法向晶向为armchair方向的方式将其转移至所述金属层（301）上。

技术总结
本发明公开了一种几何‑晶体各向异性耦合的光电探测器及其制备方法，涉及半导体光电探测领域，几何‑晶体各向异性耦合的光电探测器包括绝缘层；反射层，其设置于所述绝缘层的底部；以及，耦合组件，其设置于所述绝缘层的顶部，所述耦合组件至少设置有两个且所述耦合组件之间具有间隙；所述耦合组件包括由下往上依次堆叠的金属层、二维材料层以及透明电极层，所述二维材料层具有晶体各向异性；所述二维材料层将所述金属层包覆，所述透明电极层将所述二维材料层包覆。本发明将晶体各向异性与器件几何结构各向异性耦合，将二维材料各向异性的晶体结构及其物理性质与各向异性的几何结构相结合，可显著提高偏振光的性能指标与探测能力。

技术研发人员：郝翊宁,曹国洋,俞诚程,杭天奕,陈承昊,张成壮,李孝峰
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21