本技術(shù)涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體而言，涉及一種三明治型寬光譜光探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、半導(dǎo)體材料是指電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，其電導(dǎo)率可以通過(guò)摻雜、溫度、光照等外部條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。半導(dǎo)體材料具有優(yōu)良的電子和光電子特性，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻、高功率和高效的光電轉(zhuǎn)換。因此，半導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用于光探測(cè)器中。

2、作為典型的半導(dǎo)體，二碲化鎢具有高載流子遷移率，可以達(dá)到數(shù)百到幾千cm2/v·s?，使得二碲化鎢光探測(cè)器在需要高響應(yīng)速度的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，如高速光通信和快速光學(xué)傳感，參見(jiàn)名稱(chēng)為“electronic?properties?of?candidate?type-ii?weyl?semimetalwte2.?a?review?perspective”（?electron.?struct.?1?(2019)?014003）的文獻(xiàn)。二碲化鎢具有半金屬性，其能帶結(jié)構(gòu)展示了獨(dú)特的拓?fù)湫再|(zhì)，具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)和邊緣態(tài)，它的費(fèi)米面附近有線性色散關(guān)系，這些拓?fù)湫再|(zhì)可以導(dǎo)致高的光電轉(zhuǎn)換效率和低的噪聲水平，使其在光探測(cè)應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。然而，二碲化鎢在紅外波段（800?nm到2?μm）具有較強(qiáng)的吸收和響應(yīng)，其在可見(jiàn)光波段的吸收有限，這限制了二碲化鎢在可見(jiàn)光波段的光探測(cè)器中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種三明治型寬光譜光探測(cè)器及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中二碲化鎢在可見(jiàn)光波段的吸收有限，導(dǎo)致其在可見(jiàn)光波段的光探測(cè)器中的應(yīng)用被限制的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本技術(shù)提供一種三明治型寬光譜光探測(cè)器，該光探測(cè)器包括底電極層、光敏層、頂電極層，光敏層設(shè)置于底電極層上，頂電極層設(shè)置于光敏層遠(yuǎn)離底電極層一側(cè)，由頂電極層向底電極層，光敏層包括依次排布的第一二碲化鎢層、二硫化鉬納米管層、第二二碲化鎢層。使用時(shí)，在底電極層和頂電極層之間施加偏壓，底電極層連接負(fù)極，頂電極層連接正極，施加電壓大小為1-10v，使得光敏層處于均勻電場(chǎng)中，電場(chǎng)方向由頂電極層指向底電極層，促進(jìn)光生電子和光生空穴的分離，減少載流子的復(fù)合幾率。頂電極層為透明結(jié)構(gòu)，光場(chǎng)透射到頂電極層，照射在光敏層，光敏層吸收光子，在其內(nèi)部產(chǎn)生光生電子和光生空穴，在外加電場(chǎng)的作用下，光生電子和光生空穴分離，分別向兩個(gè)電極層移動(dòng)，光生電子向頂電極層移動(dòng)，光生空穴向底電極層移動(dòng)，光生載流子的定向移動(dòng)形成電信號(hào)，光照的變化會(huì)引起電信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)光探測(cè)。另外，外加電場(chǎng)可以加速載流子的傳輸，使光生載流子更快地到達(dá)電極，從而提高光電響應(yīng)速度。

4、本技術(shù)中三明治結(jié)構(gòu)的光敏層，以及二硫化鉬的納米管結(jié)構(gòu)在吸收波長(zhǎng)范圍和吸收光強(qiáng)度兩方面提升了光吸收的能力；從而提升光探測(cè)器在寬光譜下的響應(yīng)強(qiáng)度。具體地，一方面，二碲化鎢材料在近紅外光譜范圍（800?nm到2?μm）內(nèi)具有較強(qiáng)的光吸收能力，二硫化鉬材料在可見(jiàn)光和近紅外范圍（400?nm到1?μm）內(nèi)都有良好的光吸收特性；二者形成的光敏層的響應(yīng)波段為從可見(jiàn)光（400?nm）到近紅外（2?μm）；也就是，二碲化鎢和二硫化鉬的光吸收光譜互補(bǔ)，二硫化鉬可以彌補(bǔ)二碲化鎢在可見(jiàn)光范圍內(nèi)吸收不足的問(wèn)題，從而擴(kuò)大整體光吸收范圍，通過(guò)將這兩種材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)更寬光譜范圍的光響應(yīng)。另一方面，三明治結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)的限制作用和二硫化鉬納米管對(duì)光場(chǎng)的有效捕獲進(jìn)一步提升了光吸收效率。具體地，二硫化鉬納米管具有較高的光吸收效率，特別是在可見(jiàn)光和近紅外光譜范圍內(nèi)。這使得它能夠有效地捕獲更多的光子，增強(qiáng)整體的光吸收能力。在結(jié)構(gòu)上，納米管結(jié)構(gòu)提供了大量的表面積，納米管結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)光子進(jìn)入管內(nèi)并在管壁上多次反射，延長(zhǎng)光的路徑，增加了光的散射和多次反射路徑，也就是，二硫化鉬納米管層增加了光子捕獲的路徑長(zhǎng)度和吸收概率，進(jìn)一步提高光吸收效率。同時(shí)，入射光被限制在第一二碲化鎢層和第二二碲化鎢層之間，在三明治結(jié)構(gòu)中，光在兩個(gè)二碲化鎢層之間來(lái)回反射，使光子多次通過(guò)二硫化鉬納米管層，增加了光與材料的相互作用時(shí)間，增加光吸收。

5、二碲化鎢和二硫化鉬納米管界面處形成異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)的形成有助于光生電子和光生空穴的分離和傳輸，從而提升光探測(cè)的響應(yīng)速度，靈敏度較高。具體地，二碲化鎢和二硫化鉬納米管層界面處，由于兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)不同，在該界面處電子和空穴的能級(jí)會(huì)發(fā)生重新排列，形成異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)界面，由于電子和空穴的重新分布，形成內(nèi)建電場(chǎng)。內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)光生電子和光生空穴施加相反的力，有效地將光生電子和空穴分離，減少它們的復(fù)合幾率，更多的入射光子能夠被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，提高了光探測(cè)器的響應(yīng)度。內(nèi)建電場(chǎng)不僅有助于分離載流子，還可以促進(jìn)它們的傳輸。電子和空穴在內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，能夠快速移動(dòng)到相應(yīng)的電極，形成光電流。這提高了載流子的遷移率和光電轉(zhuǎn)換效率。內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)了載流子的分離和傳輸，導(dǎo)致更高的光生電流。這使得光探測(cè)器在低光強(qiáng)條件下也能產(chǎn)生較強(qiáng)的電信號(hào)，從而提高了器件的靈敏度。

6、進(jìn)一步地，第一二碲化鎢層和第二二碲化鎢層的厚度為10-50nm。這樣一來(lái)，10-50nm的厚度能夠確保大部分近紅外光入射光被吸收，產(chǎn)生足夠多的光生載流子；同時(shí)，載流子傳輸路徑較短，減少了光生電子和光生空穴的復(fù)合幾率，提高了光電轉(zhuǎn)換效率；還具有較高的遷移率，產(chǎn)生更高的光電流，增加探測(cè)器的輸出信號(hào)，從而提高靈敏度。

7、更進(jìn)一步地，二硫化鉬納米管層為單層納米管。這樣，單層二硫化鉬納米管具有較高的光吸收系數(shù)，能夠有效吸收入射光，產(chǎn)生較高密度的光生載流子，提升了光吸收效率。且具有較高的載流子遷移率，有助于提高光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度。單層二硫化鉬納米管與二碲化鎢層的界面質(zhì)量較高，界面缺陷較少，有利于載流子的高效分離和傳輸。

8、更進(jìn)一步地，頂電極層的材料為石墨烯，底電極層的材料為金屬鉬。石墨烯的透光率達(dá)到97%以上，減少了光在頂電極層的損失，能夠使得待測(cè)光通過(guò)頂電極層照射到光敏層，增大光敏層對(duì)光的吸收，最大化光吸收和光電轉(zhuǎn)換效率。作為電極，石墨烯具有極高的導(dǎo)電性，確保載流子的高效收集和傳輸。金屬鉬具有良好的電導(dǎo)率，可以有效地收集和傳輸光生載流子；且鉬與二碲化鎢具有良好的電接觸特性，能夠形成低接觸電阻的歐姆接觸，減少界面電阻，提高載流子收集效率。金屬鉬的沉積技術(shù)成熟，如濺射和化學(xué)氣相沉積等，容易制備。金屬鉬和石墨烯還具有優(yōu)異的耐腐蝕性和環(huán)境穩(wěn)定性，確保器件在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性能。

9、更進(jìn)一步地，光探測(cè)器還包括基底，底電極層設(shè)置于基底上，基底的材料為多孔氧化鋁。多孔氧化鋁具有較好的絕緣性、機(jī)械強(qiáng)度、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)；還具有較好的散熱性能。具體地，多孔結(jié)構(gòu)允許空氣流通，為空氣流動(dòng)提供了通道，空氣可以通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)自然對(duì)流，從而散熱效果較好，避免了光探測(cè)器工作時(shí)溫度快速上升，以保持探測(cè)器在最佳溫度下運(yùn)行。

10、更進(jìn)一步地，基底上靠近底電極層一側(cè)的孔徑小于基底遠(yuǎn)離底電極層一側(cè)的孔徑?？拷f層一側(cè)的孔徑尺寸較小，提供了更平整和均勻的表面，有助于在其上沉積均勻且高質(zhì)量的鉬層，從而實(shí)現(xiàn)低接觸電阻和高效載流子傳輸?？讖酱笮√荻扰挪?，有助于緩解由于熱膨脹和機(jī)械應(yīng)力引起的應(yīng)力集中，提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性。較小的空隙尺寸靠近鉬層有助于將熱量有效傳導(dǎo)到遠(yuǎn)離鉬層的較大空隙區(qū)域，遠(yuǎn)離鉬層一側(cè)的較大孔徑尺寸增加了空氣流通的通道，使得熱量可以更容易地通過(guò)自然對(duì)流和散熱機(jī)制從基底下表面排出，提升了散熱效果。另外，梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緩解了由于溫度變化引起的熱應(yīng)力集中，減少了材料疲勞和裂紋產(chǎn)生，延長(zhǎng)了器件的使用壽命。

11、本技術(shù)還提供了一種三明治型寬光譜光探測(cè)器的制備方法，方法包括如下步驟：

12、步驟1，在多孔氧化鋁基底上沉積底電極層；

13、步驟2，在底電極層上沉積第二二碲化鎢層；

14、步驟3，在第二二碲化鎢層上沉積二硫化鉬納米管層；

15、步驟4，在二硫化鉬納米管層上沉積第一二碲化鎢層；

16、步驟5，在第一二碲化鎢層上制備頂電極層。

17、進(jìn)一步地，在步驟1中，先在多孔氧化鋁基底上傾斜沉積底電極層的材料，再垂直沉積底電極層的材料，沉積結(jié)束，即得到多孔氧化鋁基底和底電極層。

18、更進(jìn)一步地，第一二碲化鎢層和第二二碲化鎢層利用化學(xué)氣相沉積法制備，二硫化鉬納米管層利用液相剝離，以及涂布法或噴涂法制備；制備第一二碲化鎢層之前，對(duì)沉積后的二硫化鉬納米管層進(jìn)行等離子處理或熱處理。

19、更進(jìn)一步地，二硫化鉬納米管層的溶液中摻雜硫化鎘量子點(diǎn)。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

21、本技術(shù)中的光敏層采用三明治結(jié)構(gòu)，兩層二碲化鎢之間設(shè)置二硫化鉬的納米管層。二硫化鉬材料在可見(jiàn)光和近紅外范圍（400?nm到1?μm）內(nèi)都有良好的光吸收特性，二碲化鎢和二硫化鉬的光吸收光譜互補(bǔ)，這使得本技術(shù)光敏層的響應(yīng)波段擴(kuò)展為從可見(jiàn)光（400nm）到近紅外（2?μm），從而實(shí)現(xiàn)了寬光譜范圍的光響應(yīng)。

22、同時(shí)，三明治結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)的限制作用和二硫化鉬納米管對(duì)光場(chǎng)的有效捕獲提升了光吸收效率。二碲化鎢和二硫化鉬納米管界面處形成異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)的形成有助于光生電子和光生空穴的分離和傳輸，從而提升光探測(cè)的響應(yīng)速度，靈敏度較高。