本發(fā)明屬于光通訊技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

二維黑磷是近年來(lái)一種新興的二維材料，其能帶帶隙介于零帶隙的石墨烯和寬帶隙的過渡金屬硫化物之間，并且可以通過改變其層數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)黑磷的能帶帶隙。與目前已知的其他二維材料不同，黑磷在任意層數(shù)下都能保持直接帶隙的特征，從而保證黑磷始終存在有效的光電轉(zhuǎn)換能力。此外，二維黑磷還具有高的載流子遷移率，這些特征使得黑磷在可見光到光通信波段光探測(cè)方面有望取得應(yīng)用突破。然而，黑磷極易被空氣中的水、氧侵蝕，在空氣中的不穩(wěn)定性成為目前制約其應(yīng)用的一個(gè)重要瓶頸。此外，由于黑磷與金屬電極之間較高的接觸電阻，極大地限制了黑磷基光電器件的光電轉(zhuǎn)換效率。因而，如何有效地保護(hù)黑磷、降低黑磷與金屬電極之間的接觸勢(shì)壘是目前二維黒磷基光電器件所面臨的主要挑戰(zhàn)。

有鑒于上述的缺陷，本設(shè)計(jì)人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器及其制備方法，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種在光通訊波段具有極高的光電轉(zhuǎn)換效率，制備方法簡(jiǎn)單、成本低，而且重復(fù)性好的石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器及其制備方法。

一種石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器，包括自下而上依次層疊設(shè)置的硅襯底、二氧化硅層、若干平行布置的黑磷層以及覆蓋在各黑磷層上的石墨烯層；各黑磷層中的黑磷與石墨烯層中的石墨烯構(gòu)成異質(zhì)結(jié)；石墨烯層將黑磷層完全覆蓋；石墨烯層邊緣上方設(shè)置有源/漏電極，源/漏電極延伸到黑磷層與石墨烯層重疊區(qū)域上方。

比較好的是，本發(fā)明硅襯底上朝向二氧化硅層的一側(cè)涂覆有作為源/漏電極的導(dǎo)電層。

比較好的是，本發(fā)明的源/漏電極是透明電極，或者是金、鈦、鋁、鉻、鎢、鎳中單種金屬電極或兩種或多種金屬?gòu)?fù)合電極。

一種本發(fā)明的石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的方法，包括如下步驟：

第一步：準(zhǔn)備并清洗具有SiO₂的P型高摻雜硅片；

第二步：將黑磷薄膜通過轉(zhuǎn)移或者原位生長(zhǎng)的方法放置于第一步具有SiO₂的P型摻雜硅片上；

第三步：將石墨烯貼伏于熱解釋放帶上，使用定向轉(zhuǎn)移將石墨烯覆蓋在第二步具有黑磷的硅片上，輕按使石墨烯和黑磷緊密接觸，加熱并緩慢撕去熱解釋放帶，然后清洗、烘干；

第四步：采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝，先懸涂光刻膠，隨后在光刻機(jī)下定位于黑磷-石墨烯異質(zhì)結(jié)，使用光刻掩模版進(jìn)行曝光，然后顯影；

第五步：蒸鍍電極材料，隨后用有機(jī)溶劑剝離光刻膠，形成源/漏電極。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、利用石墨烯保護(hù)黑磷，可實(shí)現(xiàn)在空氣中對(duì)黑磷的保護(hù)，所制備的光電探測(cè)器具有很好的穩(wěn)定性，可長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，克服了黑磷在空氣中不穩(wěn)定的關(guān)鍵應(yīng)用瓶頸；

2、利用石墨烯作為載流子傳輸層與金屬電極直接接觸，其接觸電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于黑磷與金屬電極直接接觸的電阻，因此，可以大大降低器件的接觸電阻，提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率；

3、利用黑磷與石墨烯形成異質(zhì)結(jié)，完全覆蓋黑磷層的石墨烯層與黑磷層構(gòu)成的異質(zhì)復(fù)合層成為光探測(cè)器的光活性材料(photoactive material）層，黑磷可調(diào)的窄能帶帶隙可以在紅外光通訊波段實(shí)現(xiàn)有效的光吸收，所產(chǎn)生的光生載流子可以在異質(zhì)結(jié)界面有效分離，空穴注入到石墨烯中并被導(dǎo)走，局域在黑磷中的電子引起光柵壓效應(yīng)，從而可以極大的提高在光通迅波段的光響應(yīng)度；

4、由于黑磷是直接帶隙材料，載流子弛豫時(shí)間在飛秒級(jí)，而石墨烯中的載流子弛豫時(shí)間也在飛秒級(jí)，兩者形成異質(zhì)結(jié)之后，對(duì)光的響應(yīng)速度非常迅速，從而可以實(shí)現(xiàn)紅外光的高速探測(cè)；

5、本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器在光通訊波段具有極高的光電轉(zhuǎn)換效率，制備方法簡(jiǎn)單、成本低，而且重復(fù)性好，結(jié)合了石墨烯和黑磷各自的優(yōu)勢(shì)，在光通訊領(lǐng)域中具有十分潛在的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)三維示意圖。

圖2是本發(fā)明中石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖3 是本發(fā)明中石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)上半部分透視圖。

圖4 是本發(fā)明中石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)圖顯示光電探測(cè)器工作原理。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

圖1為本發(fā)明一較佳實(shí)施例所述的一種石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器，包括自下而上依次層疊設(shè)置的硅襯底1、二氧化硅層2、若干黑磷層3以及覆蓋在各黑磷層3上的石墨烯層4；各黑磷層3的面積小于二氧化硅層2的面積，石墨烯層4完全覆蓋各黑磷層3以至于黑磷層3中的黑磷無(wú)暴露在空氣中的部分，石墨烯層4延伸至二氧化硅層2未被各黑磷層3遮擋而暴露的區(qū)域；黑磷層3中的黑磷與石墨烯層4中的石墨烯構(gòu)成異質(zhì)結(jié)；石墨烯層4邊緣上方設(shè)置有電極5，電極5延伸到黑磷層3與石墨烯層4重疊區(qū)域上方。

如圖1、圖2、圖3所示，二氧化硅層2背面的P型摻雜硅背柵能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)黑磷的費(fèi)米能級(jí)的調(diào)控；二氧化硅層2，作為柵介質(zhì)，起絕緣和隔離的作用；若干黑磷層3位于二氧化硅層上方，作為光吸收層，黑磷可調(diào)的窄能帶帶隙可以在光通訊波段實(shí)現(xiàn)有效的光吸收；石墨烯層4，作為載流子傳輸層，覆蓋在黑磷上方，用來(lái)保護(hù)黑磷，提高器件的壽命，同時(shí)，石墨烯與黑磷形成異質(zhì)結(jié)，用于實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效分離；金屬電極5，用于外加偏壓，位于石墨烯的上方，并且直接與石墨烯接觸，其接觸電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于黑磷與金屬電極直接接觸的電阻。

如圖4所示，光照下，黑磷內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子可以被異質(zhì)結(jié)有效分離，其中，空穴注入到石墨烯中并被導(dǎo)走，局域在黑磷中的電子引起光柵壓效應(yīng)進(jìn)一步匯聚更多的空穴在異質(zhì)結(jié)界面處，空穴又再被石墨烯導(dǎo)走，如此多次循環(huán)，載流子經(jīng)由石墨烯傳輸?shù)絻蓚?cè)的金屬電極，被金屬電極收集形成光電流。

具體的，兩金屬電極為鍍金的鈦電極，鍍金可加強(qiáng)鈦電極的導(dǎo)電能力，并提高鈦電極的穩(wěn)定性。

本發(fā)明中黑磷光吸收層和石墨烯載流子傳輸層接觸后，可產(chǎn)生黑磷-石墨烯異質(zhì)結(jié)，完全覆蓋黑磷層的石墨烯層與黑磷層構(gòu)成的異質(zhì)復(fù)合層成為光探測(cè)器的光活性材料(photoactive material）層，從而使光電探測(cè)器具有很快的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明的石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器通過如下方法步驟制備：

第一步：準(zhǔn)備并清洗具有SiO₂的P型高摻雜硅片；

第二步：將黑磷薄膜通過轉(zhuǎn)移或者原位生長(zhǎng)的方法放置于第一步具有SiO₂的P型摻雜硅片上；

第三步：將石墨烯貼伏于熱解釋放帶上，使用定向轉(zhuǎn)移將石墨烯覆蓋在第二步具有黑磷的硅片上，輕按使石墨烯和黑磷緊密接觸，放在加熱臺(tái)上50-75℃加熱30-60分鐘并緩慢撕去熱解釋放帶，然后清洗、烘干；

第四步：采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝，先懸涂光刻膠，隨后在光刻機(jī)下定位于黑磷-石墨烯異質(zhì)結(jié)，使用光刻掩模版進(jìn)行曝光，然后顯影；

第五步：蒸鍍電極材料，隨后用有機(jī)溶劑剝離光刻膠，形成源/漏電極。

上述第二步中黑磷通過化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)在SiO₂襯底上，或機(jī)械剝離、溶液剝離制備后轉(zhuǎn)移或者涂覆的方法將黑磷薄膜預(yù)置于SiO₂襯底上。

上述第三步中石墨烯的面積大于黑磷的面積，石墨烯完全將黑磷覆蓋，黑磷沒有暴露在空氣中的部分。

上述第三步中用丙酮溶液去除石墨烯薄膜上的聚合物殘留物，隨后放入乙醇中清洗，并用氮?dú)鈽尨蹈伞?/p>

通過上述方法制備的石墨烯-黑磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器在通訊波段1550 納米近紅外光照下測(cè)試得到的光電流及響應(yīng)率。通過半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀分別測(cè)試光探測(cè)器在1550納米光照下和無(wú)光照下的輸出特征曲線，根據(jù)器件在光照下、無(wú)光照下的輸出電流差值得到光電流, 進(jìn)而測(cè)算得到器件的光響應(yīng)率。石墨烯-黒磷異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器的光響應(yīng)率在較小的光功率（nW級(jí)別）下可以達(dá)到1200 A/W以上。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。