一種基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)能量帶隙可調(diào)的光探測(cè)器，用于實(shí)現(xiàn)寬光譜、超快響應(yīng)的光探測(cè)器，屬于光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)基于IV族和III‐V族半導(dǎo)體材料(例如硅和砷化鎵)的光探測(cè)器的適用光譜范圍和探測(cè)帶寬普遍受到其材料本身的能量帶隙和載流子渡越時(shí)間的制約，因此實(shí)現(xiàn)寬光譜、超快響應(yīng)的光調(diào)制器比較困難。隨著科技的快速發(fā)展，對(duì)器件集成度的要求也越來(lái)越高，器件尺寸需要不斷減小，基于傳統(tǒng)材料的光探測(cè)器的器件已接近極限。近年來(lái)，對(duì)近紅外激光器的研究也越來(lái)越受到關(guān)注，尤其是應(yīng)用在醫(yī)學(xué)方面的激光手術(shù)刀，涉及激光光波長(zhǎng)從1μm到3μm范圍變化，需要一個(gè)寬光譜的光探測(cè)器來(lái)對(duì)其激光光束質(zhì)量進(jìn)行有效地檢測(cè)和評(píng)估。石墨烯是一種蜂窩形的二維六方碳結(jié)構(gòu)材料，在室溫下具有超高的電子遷移率，是一個(gè)優(yōu)良的二維導(dǎo)體，單層石墨烯對(duì)垂直入射光的透射率高，可達(dá)97.7％。由于石墨烯材料優(yōu)異的光電特性，在光調(diào)制器、光探測(cè)器、場(chǎng)效應(yīng)管和超級(jí)電容方面已得到廣泛的研究，且其在超級(jí)電容方面的應(yīng)用，已取得了實(shí)質(zhì)上的突破。黑磷和二硫化鉬材料都是直接帶隙材料，并且能量帶隙是可控的。目前基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)在場(chǎng)效應(yīng)管、超短脈沖激光器方面的研究得到了廣泛的關(guān)注。研究表明，黑磷和二硫化鉬構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中黑磷和二硫化鉬之間的相互作用相對(duì)是比較弱的，黑磷和二硫化鉬材料在光學(xué)和電學(xué)特性上可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足特殊光學(xué)和電子學(xué)應(yīng)用需求，且黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的能量帶隙是可由外部電場(chǎng)調(diào)控的(見(jiàn)文獻(xiàn)L.Huang,etal.Electric‐fieldtunablebandoffsetsinblackphosphorusandMoS2vanderWaalsp‐nheterostructure.J.Phys.Chem.Lett.,vol.6,2015)。黑磷材料的光電學(xué)特性與其層數(shù)或厚度有著密切關(guān)聯(lián)，單原子層黑磷的帶隙為2eV，多原子層黑磷的帶隙可低至為0.3eV，因而通過(guò)控制黑磷的生長(zhǎng)厚度來(lái)調(diào)控其帶隙，可以在0.5μm～4.1μm波長(zhǎng)范圍工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)上述不足之處提供了一種基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)能量帶隙可調(diào)的光探測(cè)器，解決器件不具有寬光譜、快速、低噪聲的響應(yīng)特性，同時(shí)不具有與CMOS工藝兼容、體積小、易于集成和響應(yīng)光譜范圍可調(diào)的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)能量帶隙可調(diào)的光探測(cè)器，其特征在于：包括二氧化硅襯底層，從下到上依次設(shè)置在二氧化硅襯底層上的第一石墨烯層、第一隔離介質(zhì)層、二硫化鉬層、黑磷導(dǎo)電層、第二隔離介質(zhì)層和第二石墨烯層；所述二硫化鉬層和黑磷導(dǎo)電層構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；所述黑磷導(dǎo)電層上設(shè)置有第一引出電極和第二引出電極，第二隔離介質(zhì)層和第二石墨烯層將第一引出電極和第二引出電極隔開(kāi)；所述第一石墨烯層延伸出第一隔離介質(zhì)層，在延伸的第一石墨烯層上設(shè)置有第一電極，所述第二石墨烯層上設(shè)置第二電極，形成平板電容結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，所述黑磷導(dǎo)電層為單層或多層。進(jìn)一步，所述第一石墨烯層和第二石墨烯層為單層或多層。進(jìn)一步，所述第一電極和第二電極中的一個(gè)電極連接正電極，另一個(gè)電極接地，在第一石墨烯層和第二石墨烯層之間形成垂直于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的電場(chǎng)。進(jìn)一步，所述第一隔離介質(zhì)層和第二隔離介質(zhì)層為硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物絕緣材料中的一種，并將第一石墨烯層、黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)和第二石墨烯層依次隔離。進(jìn)一步，所述第一電極層、第二電極層、第一引出電極和第二引出電極的材質(zhì)為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中的一種或多種。進(jìn)一步，所述第一引出電極和第二引出電極為引出電極，與外部電路相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：一、本發(fā)明的光探測(cè)器以二氧化硅作為襯底，與CMOS工藝兼容，易于集成；二、本發(fā)明光探測(cè)器不僅尺寸小，且黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的能量帶隙可由外加電場(chǎng)調(diào)控，能量帶隙的調(diào)控范圍為0.9eV到0eV范圍變化，具有響應(yīng)光譜范圍可調(diào)，適用光譜范圍寬的優(yōu)點(diǎn)；三、本發(fā)明中黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以大幅度增強(qiáng)光子的吸收和提高光生載流子的產(chǎn)生，且黑磷材料具有超快的載流子恢復(fù)時(shí)間(飛秒量級(jí))和較高的載流子遷移率，可具有較高的探測(cè)帶寬和較快的光響應(yīng)速度；四、本發(fā)明中黑磷是直接帶隙材料，具有更小的噪聲電流，可以避免長(zhǎng)波長(zhǎng)雜散光產(chǎn)生的噪聲，提高了光探測(cè)器的靈敏度。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖中：1、二氧化硅襯底層，21、第一石墨烯層，22、第二石墨烯層，31、第一隔離介質(zhì)層，32、第二隔離介質(zhì)層，4、二硫化鉬層，5、黑磷導(dǎo)電層，61、第一電極層，62、第二電極層，71、第一引出電極，72、第二引出電極。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。一種基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)能量帶隙可調(diào)的光探測(cè)器，包括二氧化硅襯底層1，從下到上依次設(shè)置在二氧化硅襯底層1上的第一石墨烯層21、第一隔離介質(zhì)層31、二硫化鉬層4、黑磷導(dǎo)電層5、第二隔離介質(zhì)層32和第二石墨烯層22；所述二硫化鉬層4和黑磷導(dǎo)電層5構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；所述黑磷導(dǎo)電層5上設(shè)置有第一引出電極71和第二引出電極72，第二隔離介質(zhì)層32和第二石墨烯層22將第一引出電極71和第二引出電極72隔開(kāi)；所述第一石墨烯層21延伸出第一隔離介質(zhì)層31，在延伸的第一石墨烯層21上設(shè)置有第一電極61，所述第二石墨烯層22上設(shè)置第二電極62，形成平板電容結(jié)構(gòu)。第一電極61和第二電極62中的一個(gè)電極連接正電極，另一個(gè)電極接地，形成平板電容，將黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)夾在中間，在第一石墨烯層21和第二石墨烯層22之間形成垂直于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)的電場(chǎng)，通過(guò)調(diào)諧電場(chǎng)的強(qiáng)度可調(diào)諧黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的能量帶隙的大小，能量帶隙的調(diào)控范圍為0.9eV到0eV范圍變化，從而改變光探測(cè)響應(yīng)的光譜范圍，相比于零帶隙的石墨烯材料，可以避免長(zhǎng)波長(zhǎng)雜散光產(chǎn)生的噪聲，提高光探測(cè)器的靈敏度。石墨烯材料對(duì)垂直入射光的透射性好，絕大部分光可進(jìn)入到黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)層，產(chǎn)生光生載流子，通過(guò)第一引出電極71和第二引出電極72和外部電路連接，可檢測(cè)到由光子轉(zhuǎn)化為的電流信息，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的探測(cè)功能。本發(fā)明光探測(cè)器結(jié)構(gòu)以二氧化硅材料作為襯底，與CMOS工藝兼容，易于集成。黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以大幅度增強(qiáng)光子的吸收和提高光生載流子的產(chǎn)生，且黑磷材料具有超快的載流子恢復(fù)時(shí)間(飛秒量級(jí))和較高的載流子遷移率，可具有較高的探測(cè)帶寬和較快的光響應(yīng)速度。實(shí)施例1圖1是本發(fā)明實(shí)施例中基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)能量帶隙可調(diào)的光探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)能量帶隙可調(diào)的光探測(cè)器橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1、2可見(jiàn)，本發(fā)明提供的基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)能量帶隙可調(diào)的光探測(cè)器包括二氧化硅襯底層1，在二氧化硅襯底層1的中心部分上，從下到上依次設(shè)置有第一石墨烯層21、第一隔離介質(zhì)層31、二硫化鉬層4、黑磷導(dǎo)電層5、第二隔離介質(zhì)層32和第二石墨烯層22；所述二硫化鉬層4和黑磷導(dǎo)電層5構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述二硫化鉬層4和黑磷導(dǎo)電層5相重疊，并分別向兩側(cè)延伸出第一隔離介質(zhì)層31連接第一引出電極71和第二引出電極72；所述第二隔離介質(zhì)層32和第二石墨烯層22相對(duì)應(yīng)第一隔離介質(zhì)層31依次設(shè)置在黑磷導(dǎo)電層5上；水平垂直于黑磷導(dǎo)電層5延伸方向上，第一石墨烯層21和第二石墨烯層22分別從相反向延伸出來(lái)，延伸出的第一石墨烯層21上設(shè)置有第一電極61，延伸出的第二石墨烯層22上設(shè)置有第二電極62，第一石墨烯層21和第二石墨烯層22形成平板電容結(jié)構(gòu)。實(shí)施例中所述黑磷導(dǎo)電層3為單層或多層。實(shí)施例中所述第一石墨烯層21和第二石墨烯層22為單層或多層。實(shí)施例中所述第一電極61和第二電極62中的一個(gè)電極連接正電極，另一個(gè)電極接地，以形成平板電容，在第一石墨烯層21和第二石墨烯層22之間形成垂直于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的電場(chǎng)，黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的能量帶隙被加電場(chǎng)調(diào)控，能量帶隙的調(diào)控范圍為0.9eV到0eV范圍變化，黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的能量帶隙決定了激發(fā)電子躍遷所需要的光子能量、響應(yīng)光子頻率的范圍和適用的光譜范圍。當(dāng)黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的能量帶隙為0eV時(shí)，就相當(dāng)于零帶隙的材料，幾乎對(duì)任意波長(zhǎng)的光都能響應(yīng)，產(chǎn)生光生電流；當(dāng)黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的能量帶隙>0eV時(shí)，超過(guò)一定波長(zhǎng)的長(zhǎng)波段光信號(hào)將沒(méi)有足夠光子能量激發(fā)電子躍遷，本實(shí)施例光探測(cè)器沒(méi)有響應(yīng)。因而可以通過(guò)黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的能量帶隙可以選擇適用的光譜范圍，即本發(fā)明的光探測(cè)器的響應(yīng)光譜范圍可調(diào)。實(shí)施例中所述第一隔離介質(zhì)層31和第二隔離介質(zhì)層32材料為絕緣材料，可為硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物之一，并將第一石墨烯層21、黑磷/二硫化鉬異質(zhì)和第二石墨烯層22依次隔離，即兩平板之間是不能直接相連，否則不是平板電容結(jié)構(gòu)，用絕緣材料隔離，起到形成電容結(jié)構(gòu)。實(shí)施例中所述第一電極層61、第二電極層62、第一引出電極71和第二引出電極72的材質(zhì)為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中的一種或多種。實(shí)施例中所述第一引出電極71和第二引出電極72作為引出電極，可與外部電路相連。本發(fā)明實(shí)施例光探測(cè)器以二氧化硅作為襯底，與CMOS工藝兼容，易于集成；相比于傳統(tǒng)基于IV族和III‐V族半導(dǎo)體材料的光探測(cè)器，本發(fā)明光探測(cè)器具有更小的尺寸，且響應(yīng)光譜范圍可調(diào)，相比于零帶隙的石墨烯材料，可以避免長(zhǎng)波長(zhǎng)雜散光產(chǎn)生的噪聲，提高光探測(cè)器的靈敏度。石墨烯材料對(duì)垂直入射光的透射性好，絕大部分光可進(jìn)入到黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)層，產(chǎn)生光生載流子，通過(guò)第一引出電極71和第二引出電極72和外部電路連接，可檢測(cè)到由光子轉(zhuǎn)化為的電流信息，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的探測(cè)功能。黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以大幅增強(qiáng)光子的吸收和提高光生載流子的產(chǎn)生，且黑磷材料具有超快的載流子恢復(fù)時(shí)間(飛秒量級(jí))和較高的載流子遷移率，可具有較高的探測(cè)帶寬和較快的光響應(yīng)速度。二硫化鉬的優(yōu)點(diǎn)之一是電子在平面薄片中的運(yùn)行速度，即電子遷移率。二硫化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs(即每平方厘米每伏秒通過(guò)100個(gè)電子)，這遠(yuǎn)低于晶體硅的電子遷移速率1400cm2/vs，但是比非晶硅和其他超薄半導(dǎo)體的遷移速度更好。二硫化鉬還有其他令人向往的特性，即直接帶隙，這一特性使該材料把電子轉(zhuǎn)變成光子，反之亦然。二硫化鉬這種材料的結(jié)構(gòu)特征，電子在其內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，碰到較大的金屬原子后會(huì)在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離，從而會(huì)降低遷移速度。黑磷二維晶體的電子轉(zhuǎn)移速率為1000cm2/vs，且通過(guò)黑磷材料的層數(shù)，其能量帶隙(能量帶隙是指半導(dǎo)體材料中導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差，當(dāng)入射光的能量高于帶隙能時(shí)，可以激發(fā)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，即將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電流信號(hào))是可調(diào)諧的，但黑磷單晶在空氣中不穩(wěn)定。黑磷和二硫化鉬構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)的材料能量帶隙是可以通過(guò)外加電場(chǎng)作用改變的，即是可調(diào)諧的(通過(guò)電場(chǎng)作用改變材料的帶隙能)，黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)能量帶隙可調(diào)諧的范圍為0.9eV到0eV，即可針對(duì)不同探測(cè)光波長(zhǎng)，通過(guò)調(diào)諧其能量帶隙值來(lái)降低背景噪聲；又由于黑磷和二硫化鉬材料本身都具有較高的電子遷移率，因而基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)材料的光探測(cè)器響應(yīng)速度快。