基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]—種基于黑磷/ 二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器，用于實現(xiàn)寬光譜、超快響應(yīng)的光探測器，屬于光探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)基于IV族和II1-V族半導(dǎo)體材料(例如硅和砷化鎵)的光探測器的適用光譜范圍和探測帶寬普遍受到其材料本身的能量帶隙和載流子渡越時間的制約，因此實現(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，對器件集成度的要求也越來越高，器件尺寸需要不斷減小，基于傳統(tǒng)材料的光探測器的器件已接近極限。近年來，對近紅外激光器的研究也越來越受到關(guān)注，尤其是應(yīng)用在醫(yī)學(xué)方面的激光手術(shù)刀，涉及激光光波長從IwiI到3μπι范圍變化，需要一個寬光譜的光探測器來對其激光光束質(zhì)量進(jìn)行有效地檢測和評估。
[0003]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。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(見文獻(xiàn) L.K.Li，et a 1.BI a c k phosphorus field-effecttransistors.Nature Nanotechnology ,vo 1.9,2014)，因而通過控制黑磷的生長厚度來調(diào)控其帶隙，可以在0.5μπι?4.Um波長范圍工作。實驗證明，黑磷材料具有超快的載流子恢復(fù)時間(見文南犬Y.W.Wang，et al.Ultrafast recovery time and broadband saturableabsorpt1n properties of black phosphorus suspens1n.Applied Physics Letters,vol.107，2015)，且多原子層黑磷材料相對容易制備得到，從可見光到中紅外光波段，其損傷閾值較高，有潛力對高功率激光脈沖進(jìn)行有效檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對上述不足之處提供了一種基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器，解決器件不具有寬光譜、快速、低噪聲的響應(yīng)特性，同時不具有與CMOS工藝兼容、體積小、易于集成和響應(yīng)光譜范圍可調(diào)的問題。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]—種基于黑磷/ 二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器，其特征在于:包括二氧化硅襯底層，二氧化硅襯底層上設(shè)置的二硫化鉬層，在二硫化鉬層的上表面覆蓋設(shè)置的黑磷導(dǎo)電層，黑磷導(dǎo)電層和二硫化鉬構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述黑磷導(dǎo)電層上設(shè)置有第一電極層和第二電極層。
[0007]進(jìn)一步，所述黑磷導(dǎo)電層為單層或多層。
[0008]進(jìn)一步，所述第一電極層和第二電極層的材質(zhì)為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中的一種或多種，并作為引出電極，與外部電路相連。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0010]—、本發(fā)明的光探測器以二氧化硅作為襯底，與CMOS工藝兼容，易于集成；
[0011]二、本發(fā)明光探測器不僅尺寸小，且工作范圍可在0.5μπι?4.Uim波長范圍工作，涵蓋了現(xiàn)有醫(yī)療激光手術(shù)刀的波長范圍，可在激光醫(yī)療方面發(fā)揮重要作用；
[0012]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)時間(飛秒量級)和較高的載流子迀移率，可具有較高的探測帶寬和較快的光響應(yīng)速度；
[0013]四、本發(fā)明中黑磷是直接帶隙材料，具有更小的噪聲電流，可以避免長波長雜散光產(chǎn)生的噪聲，提高了光探測器的靈敏度。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖1:1-二氧化硅襯底層、2-二硫化鉬層、3-黑磷導(dǎo)電層、4-第一電極層、5、第二電極層。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0017]—種基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器，包括二氧化硅襯底層I，二氧化硅襯底層I上設(shè)置的二硫化鉬層2，在二硫化鉬層2的上表面覆蓋設(shè)置的黑磷導(dǎo)電層3，黑磷導(dǎo)電層3和二硫化鉬2構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述黑磷導(dǎo)電層3上設(shè)置有第一電極層4和第二電極層5。所述黑磷導(dǎo)電層3為單層或多層。所述第一電極層4和第二電極層5的材質(zhì)為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中的一種或多種，并作為引出電極，與外部電路相連。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，通過控制黑磷材料的層數(shù)，黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的能量帶隙可被人為調(diào)控，黑磷材料的能量帶隙可低至0.3eV，可以響應(yīng)0.5μηι?4.Ιμπι范圍的光波長，相比于零帶隙的石墨烯，黑磷材料具有一定的禁帶寬度，避免了對較長波長光的響應(yīng)，因而具有更小的噪聲電流。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)時間(飛秒量級)和較高的載流子迀移率，可具有較高的探測帶寬和較快的光響應(yīng)速度。
[0018]實施例1
[0019]圖1是本發(fā)明實施例中基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]由圖1可見，本發(fā)明提供的基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器包括二氧化硅襯底層I，二氧化硅襯底層I上設(shè)置的二硫化鉬層2，在二硫化鉬層2的上表面覆蓋設(shè)置的黑磷導(dǎo)電層3，黑磷導(dǎo)電層3和二硫化鉬2構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，黑磷導(dǎo)電層3上設(shè)置有第一電極層4和第二電極層5，第一電極層4和第二電極層5相對稱設(shè)置在黑磷導(dǎo)電層3上。
[0021]實施例中所述黑磷導(dǎo)電層3為單層或多層。
[0022]實施例中所述第一電極層4和第二電極層5的材質(zhì)為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中的一種或多種，并作為引出電極，與外部電路相連。
[0023]本發(fā)明實施例光探測器以二氧化硅材料作為襯底，與CMOS工藝兼容，易于集成;相比于傳統(tǒng)基于IV族和II1-V族半導(dǎo)體材料的光探測器，本發(fā)明的光探測器具有更小的尺寸，且工作范圍可在0.5μπι?4.Ιμπι波長范圍工作，涵蓋了現(xiàn)有醫(yī)療激光手術(shù)刀的波長范圍，可在激光醫(yī)療方面發(fā)揮重要作用；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)時間(飛秒量級)和較高的載流子迀移率，可具有較高的探測帶寬和較快的光響應(yīng)速度;相比于基于石墨烯的光探測器，石墨烯是零帶隙材料，黑磷是直接帶隙材料，基于黑磷/ 二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器具有更小的噪聲電流。
[0024]二硫化鉬的優(yōu)點之一是電子在平面薄片中的運(yùn)行速度，即電子迀移率。二硫化鉬的電子迀移速率大約是lOOcmVvs(即每平方厘米每伏秒通過100個電子)，這遠(yuǎn)低于晶體硅的電子迀移速率1400cm2/VS，但是比非晶硅和其他超薄半導(dǎo)體的迀移速度更好。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)部移動時，碰到較大的金屬原子后會在其結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生彈離，從而會降低迀移速度。
[0025]黑磷二維晶體的電子轉(zhuǎn)移速率為1000cm2/VS，且通過黑磷材料的層數(shù)，其能量帶隙(能量帶隙是指半導(dǎo)體材料中導(dǎo)帶的最低點和價帶的最高點的能量之差，當(dāng)入射光的能量高于帶隙能時，可以激發(fā)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，即將光信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電流信號)是可調(diào)諧的，但黑磷單晶在空氣中不穩(wěn)定。
[0026]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外加電場作用改變的，即是可調(diào)諧的(通過電場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OeV，即可針對不同探測光波長，通過調(diào)諧其能量帶隙值來降低背景噪聲；又由于黑磷和二硫化鉬材料本身都具有較高的電子迀移率，因而基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)材料的光探測器響應(yīng)速度快。
【主權(quán)項】
1.一種基于黑磷/ 二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器，其特征在于:包括二氧化硅襯底層(I)，二氧化硅襯底層(I)上設(shè)置的二硫化鉬層(2)，在二硫化鉬層(2)的上表面覆蓋設(shè)置的黑磷導(dǎo)電層(3)，黑磷導(dǎo)電層(3)和二硫化鉬(2)構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述黑磷導(dǎo)電層(3)上設(shè)置有第一電極層(4)和第二電極層(5)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器，其特征在于:所述黑磷導(dǎo)電層(3)為單層或多層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器，其特征在于:所述第一電極層(4)和第二電極層(5)的材質(zhì)為金、銀、銅、鉑、鈦、鎳、鈷、鈀中的一種或多種，并作為引出電極，與外部電路相連。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于黑磷/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的光探測器，屬于光探測技術(shù)領(lǐng)域，解決器件不具有寬光譜、快速、低噪聲的響應(yīng)特性，同時不具有與CMOS工藝兼容、體積小、易于集成和響應(yīng)光譜范圍可調(diào)的問題。本發(fā)明包括二氧化硅襯底層，二氧化硅襯底層上設(shè)置的二硫化鉬層，在二硫化鉬層的上表面覆蓋設(shè)置的黑磷導(dǎo)電層，黑磷導(dǎo)電層和二硫化鉬構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述黑磷導(dǎo)電層上設(shè)置有第一電極層和第二電極層。本發(fā)明用于實現(xiàn)寬光譜、超快響應(yīng)的光探測器。
【IPC分類】H01L31/0264, H01L31/109
【公開號】CN105679876
【申請?zhí)枴緾N201610155951
【發(fā)明人】陸榮國, 葉勝威, 田朝輝, 壽曉峰, 陳德軍, 張尚劍, 劉永
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月18日