一种基于负量子电容效应的新型弱光探测器及其制备方法

本发明属于光电探测器，具体涉及一种基于负量子电容效应的新型弱光探测器及其制备方法。

背景技术：

1、光电探测器广泛应用于军事、天文、通信等领域，其中，能够在弱光暗环境下高能效工作的光电探测器在军事夜间侦查、天文观测、远距离目标跟踪以及信息通讯等弱光观测分析领域有着非常迫切的应用需求。目前，弱光探测器的研究主要围绕光电倍增管、雪崩光电二极管、iccd、emccd以及超导单光子低温弱光探测器件等方面开展，但这些弱光探测器也存在灵敏度低、噪声高、光谱带宽不足、光学结构设计复杂等缺点。因此，探索如何利用新材料、新结构设计出集成友好、高能效，可以在极弱光环境下保持较高响应度的弱光探测器，是解决上述挑战的有效途径。

2、新兴的二维量子材料具备许多独特物性，尤其是强的光-物质相互作用的优势在构筑高性能弱光探测器上展现出了巨大的潜力。过渡金属硫化物(tmds)、石墨烯(gr)、黑磷(bp)等二维材料因具有宽光谱吸收、带隙可调、高载流子迁移率等良好的光学与电学性能，非常有利于光电探测器的制作，因此，基于二维材料光电晶体管的光电探测器受到了越来越多的关注。二维材料光电晶体管通过施加栅极电压使初始导电沟道关断，加光后产生光生载流子进而被收集产生响应，主要机制为光电导效应(photoconductive effects)。尽管由于电子空穴的迁移率差异使得量子效率大于100％，并具备暗电流低的优点，但是光电导增益受限，使得弱光探测能力不足。

3、随着对二维材料光电晶体管的进一步研究，发展出了多栅、局部栅与负电容增强栅结构，并扩展出异质结/同质结等类型的光电晶体管。其中利用单一载流子俘获的光门控效应(photo gating effect)可以积分存储弱光激发的电子或空穴，俘获的载流子又可对沟道进行调控，实现在弱光探测下的超高量子效率，但通常会产生较大的噪声电流。金属局部栅极结构可以形成单一载流子势阱，达到光门控效应的目的，但光响应度提高有限(kwonj,hong y k,han g,et al.giant photoamplification in indirect-bandgapmultilayer mos2 phototransistors with local bottom-gate structures[j].advanced materials,2015,27(13):2224-2230.)；利用铁电材料局域静电场引起的强光门控效应和基于铁电负电容效应的电压放大的共同作用，可以得到较好的效果，但极弱光脉冲响应性能仍不够理想(tu l,cao r,wang x,et al.ultrasens itive negativecapacitance phototransistors[j].nature communications,2020,11(1):101.)。

4、因此，如何基于高效的光门控效应构建光电晶体管，使其能够实现极弱光脉冲的响应探测，就成为了一个重点的研究方向。

技术实现思路

1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于负量子电容效应的新型弱光探测器及其制备方法。该弱光电探测器中，以氧化硅为衬底，二维半金属材料石墨烯作为负量子电容局部增强栅，其上沉积一层栅介质层，再上以二维半导体材料作为导电沟道，再辅以源漏电极，同时源漏电极在垂直空间不与二维半金属层交叠，即可得到高质量的弱光探测器件。该器件结构实现了超低光功率密度脉冲光的探测，并保持较高的响应度。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种基于负量子电容效应的新型弱光探测器，所述弱光探测器包括衬底、氧化物层、二维半金属层、绝缘栅介质层、二维半导体层、源电极和漏电极；

4、所述衬底表面从下至上依次设置氧化物层、二维半金属层、绝缘栅介质层和二维半导体；源电极和漏电极设置于二维半导体表面及两侧；其中，氧化物层、绝缘栅介质层和衬底的宽度相同，二维半金属层宽度小于二维半导体，且二维半金属层所在竖直平面不与源电极、漏电极竖直平面存在交叠。

5、进一步地，所述二维半金属层位于二维半导体层的正下方，两者中心位于同一竖直线上。

6、进一步地，所述衬底为p型重掺杂硅，电阻率小于0.001ω·m；氧化物层为二氧化硅；二维半金属层材料为石墨烯；绝缘栅介质层优选为氧化铝；二维半导体材料的禁带宽度为0.5-2ev，优选为二硫化钼(mos2)、二硫化钨、二硒化钨；金属层材料优选为cr/au的复合电极。

7、进一步地，所述二维半金属层的厚度为2-5nm，绝缘栅介质层的厚度为5-10nm，二维半导体层的厚度为5-10nm，氧化物层为150-400nm。

8、进一步地，所述二维半金属层的宽度为3-5μm，长度为10-20μm，二维半导体层的宽度大于8μm。

9、进一步地，所述光电探测器应用时：以衬底作为弱光探测器的底栅，源电极和漏电极分别作为弱光探测器的源极和漏极；先将源极、漏极电压固定，然后对底栅施加扫描电压，找到导电沟道的临界关断电压；测量光电响应时，施加源漏电压与临界关断电压使器件为初始关断状态，然后用脉冲激光照射样品，即可实现测量。

10、进一步地，调整源漏电压与栅极电压可以实现能带结构最优配置，进一步提升弱光探测性能。

11、进一步地，所述新型弱光探测器的光响应波长为465nm-808nm。

12、本发明还提供一种上述新型弱光探测器的制备方法，包括以下步骤：

13、步骤1：采用机械剥离的方法制备得到宽度为3-5μm的长条形二维半金属层，并将二维半金属层转移至衬底上的氧化物层表面；

14、步骤2：采用原子层沉积法在二维半金属层表面沉积绝缘栅介质层；

15、步骤3：基于二维转移平台将二维半导体层转移至绝缘栅介质层表面；

16、步骤4：在二维半导体层表面采用电子束曝光(ebl)方法制备金属电极，所述金属电极位于二维半金属层宽度方向两边缘外侧大于1μm处，即可得到所需的新型弱光探测器。

17、本发明的机理为：与传统浮栅结构石墨烯作为浮栅层覆盖整个导电沟道不同，本发明新型弱光探测器二维半导体材料导电沟道只有局部与石墨烯重叠，由于二维半导体材料mos2表面两侧的金属电极与二维半金属材料石墨烯之间具有一定的距离，所以石墨烯与金属电极之间无寄生电容。少层石墨烯在两个栅介质层(氧化物层和绝缘栅介质层)中间会表现出负量子电容效应，使得更多的栅极电压可以耦合到石墨烯的上方的二维半导体导电沟道中，而下方无石墨烯的导电沟道部分所耦合的栅极电压较少，导致在石墨烯处形成局部增强调控栅。施加固定的源漏电压与负栅压，将导电沟道保持在刚好关断状态。由于石墨烯存在负量子电容效应，石墨烯位置的局部mos2导电沟道的能带向上弯曲，其余位置能带几乎保持在原来位置，这样就形成了局部的电子小势垒，空穴深势阱的能带结构。由照明光产生的空穴则会被俘获在空穴深势阱中，而空穴的局部积累可以降低电子的势垒，促进电子相对不受阻碍的向漏极移动，从而使得即使在超低光功率下电流也可以显著增加。利用该结构中的负量子电容效应产生的局部增强栅极比金属局部栅具有更好的弱光探测效果。

18、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

19、1.本发明新型弱光探测器可以实现超低光功率密度的弱光探测，非制冷条件下可探测39.4nw/cm2的极弱光，单器件实现百万光子数级别探测，并保持较高的响应度，比探测率d*达到1016jones。

20、2.本发明新型弱光探测器在0.007mw/cm2弱光下展示出的神经形态特性，包括突触可塑性、成对脉冲易化和非易失性等类光电突触特性，具备感知存储一体特性，实现脉冲光信息预处理，可应用到弱光环境下的机器视觉硬件系统。