CN103219403A - 基于二维层状原子晶体材料的光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于二维层状原子晶体材料的光探测器，包括一二氧化硅覆盖的硅衬底，二氧化硅覆盖的硅衬底上依次叠加覆盖有第一石墨烯导电层、二维层状原子晶体半导体材料层和第二石墨烯导电层，第一石墨烯导电层和第二石墨烯导电层分别与二维层状原子晶体半导体材料层形成异质结结构；在第一、第二石墨烯导电层的一端上分别设有第一、第二电极层，且无任何交叠，同时第一、第二电极层又在第一、第二石墨烯导电层和二维层状原子晶体半导体材料层的交叠区之外；各层的上方设置有一钝化层。本发明采用了二维层状原子晶体材料，具有探测波谱范围宽、超快响应速度和高截止频率的工作特性，同时也具备了器件的光响应度高，光生载流子的提取简单的特性。
Description
技术领域
本发明属于光探测器领域，具体的涉及一种基于二维层状原子晶体材料的光探测器。
背景技术
对光探测器而言，光探测器的探测带宽和响应速度是衡量其性能的重要参数。传统的基于Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体(例如硅和砷化镓)的光探测器的波谱范围和探测带宽受到其能带和载流子渡越时间的限制，因此难以实现超快宽带吸收的光探测器，不适用于某些对器件性能要求更加严格的应用场合，如超快宽带数据传输领域。另一方面，随着对器件集成度的要求的提高，器件尺寸需要不断减小，传统基于Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体的器件尺寸已经接近其极限。
目前也有一些是直接采用以石墨烯为代表的材料构建的光探测器，其体现出独特的零带隙能带结构和近弹道输运的电学性质，直接采用石墨烯构建的光探测器与传统半导体光探测器相比，具有探测波谱范围宽、超快响应速度和高截止频率的工作特性，然而其缺陷在于器件的光响应度低，光生载流子的提取难。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明旨在提供了一种基于二维层状原子晶体材料的光探测器，既能保证器件具有快速宽带响应特性，同时采用纵向垂直器件结构，又可以提高器件的单片集成度。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
基于二维层状原子晶体材料的光探测器，包括一二氧化硅覆盖的硅衬底，所述二氧化硅覆盖的硅衬底上依次叠加覆盖有第一石墨烯导电层、二维层状原子晶体半导体材料层和第二石墨烯导电层，所述第一石墨烯导电层和所述第二石墨烯导电层分别与所述二维层状原子晶体半导体材料层形成异质结结构；在所述第一石墨烯导电层与所述二维层状原子晶体半导体材料层以及所述第二石墨烯导电层交叠区之外的一端上设有第一电极层，在所述第二石墨烯导电层与所述二维层状原子晶体半导体材料层以及所述第一石墨烯导电层交叠区之外的一端上设有第二电极层；所述各层的上方设置有一钝化层。
进一步的，所述第一石墨烯导电层和所述第二石墨烯导电层分别为掺杂之后的单层或数层石墨烯，生长所述石墨烯由机械剥离或化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)的方法形成，上述两层石墨烯的功函数具有一定的差异并和所述二维层状原子晶体半导体材料层形成能带梯度。
进一步的，所述二维层状原子晶体半导体材料层为MoS2、MoSe2、WS2、、WSe2、TiS2或VSe2等过渡金属和第六族元素形成的二硫属化合物原子层晶体材料感光层，由机械剥离、或化学液相合成或CVD的方法形成，厚度为5～300纳米。
优选的，所述第一电极层和所述第二电极层为金属材料，包括铬、钛、铝或金，由磁控溅射方法或电子束蒸发或热蒸发方法形成，厚度为5～300纳米。
优选的，所述第一电极层和所述第二电极层为透明导电材料，包括氧化铟锡或氧化锌铝，由磁控溅射方法形成，厚度为5～300纳米。
进一步的，所述第一电极层和所述第二电极层可以为同一种材料，也可以为不同的材料。
进一步的，所述钝化层为六方氮化硼。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用了二维层状原子晶体材料，其通常体现出其相应的体材料中所没有的性质，典型的代表如MoS2和WS2，为直接带隙半导体材料，具有一定的能带带隙和极高的载流子迁移率，并且在可见光区具有很强的光吸收特性，经测试300纳米厚的WS2可以吸收95％的可见光。
2、本发明所采用的二维层状原子晶体材料的另一个显著特点是其能带可以通过外电场或化学修饰的方法有效调控。采用石墨烯/WS2/石墨烯或石墨烯/MoS2/石墨烯的纵向垂直结构形成异质结结构，使用化学掺杂等方法使两层石墨烯的功函数呈现一定梯度，如石墨烯/MoS2/石墨烯这三层原子晶体材料的功函数逐渐升高或降低，一方面可以大幅度地提高光生载流子的定向移动和提取，另一方面利用MoS2或WS2的强的光吸收特性可以大幅度提高器件响应度，同时，还可以采用能带调控的方法，调控探测器的探测波谱范围。
3、从应用角度而言，本发明的技术与当前的硅电子工艺平台具有良好的兼容性，并且制备工艺相对简单，器件成功率高，因此具有实现快速、宽带响应、宽光谱光探测的极大潜力。
4、本发明的纵向垂直型的器件结构可以使得器件尺寸减小，提高集成度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明的第一石墨烯导电层在硅衬底上覆盖位置的示意图。
图3是本发明的二维层状原子晶体半导体材料层在硅衬底和第一石墨烯导电层上覆盖位置的示意图。
图4是本发明的第二石墨烯导电层在第一石墨烯导电层和二维层状原子晶体半导体材料层上覆盖位置的示意图。
图5是本发明的电极层在第一、第二石墨烯导电层上覆盖位置的示意图。
图6是本发明的钝化层覆盖位置的示意图。
图7是本发明的第一、第二金属引出电极及互连线覆盖位置的示意图。
图8a是本发明的第一石墨烯导电层、二维层状原子晶体半导体感光层、第二石墨烯导电层所形成的异质结结构的剖面示意图。
图8b是图8a中电化学修饰后异质结内的能带梯度分布示意图。
图8c是图8a中另一种电化学修饰后异质结内的能带梯度分布示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参见图1所示，基于二维层状原子晶体材料的光探测器，包括一二氧化硅覆盖的硅衬底1，所述二氧化硅覆盖的硅衬底1上依次叠加覆盖有第一石墨烯导电层2、二维层状原子晶体半导体材料层3和第二石墨烯导电层4，所述第一石墨烯导电层2和所述第二石墨烯导电层4分别与所述二维层状原子晶体半导体材料层3形成异质结结构；在所述第一石墨烯导电层2与所述二维层状原子晶体半导体材料层3以及所述第二石墨烯导电层4交叠区之外的一端上设有第一电极层5，在所述第二石墨烯导电层4与所述二维层状原子晶体半导体材料层3以及所述第一石墨烯导电层2交叠区之外的一端上设有第二电极层6；所述各层的上方设置有一钝化层7。
参见图2～7所示，本发明的制作方法具体包括以下步骤：
1)参见2所示，所用衬底为二氧化硅覆盖的硅基底1，在所述二氧化硅覆盖的硅基底1上直接生长或通过转移技术的方法覆盖一层第一石墨烯导电层2，所述第一石墨烯导电层2可以为单层或数层石墨烯；生长所述石墨烯的方法可以为机械剥离法，也可以为CVD法，之后通过转移技术转移到目标基底上，然后光刻和刻蚀形成石墨烯的纳米带状结构。
2)参见3所示，在所述第一石墨烯导电层2上制备一层二维层状原子晶体半导体材料层3，其厚度可为5至300纳米。其中所述二维层状原子晶体半导体材料层3为对光敏感的MoS2或WS2半导体层，可采用机械剥离法、化学液相合成或CVD法制备该层，之后通过转移技术转移在所述第一石墨烯导电层2和所述二氧化硅覆盖的硅基底1上，也可以采用在第一层石墨烯导电层2上直接使用CVD法生长一层二维层状原子晶体半导体材料层3。
3)参见4所示，在所述第一石墨烯导电层2和所述二维层状原子晶体半导体材料层3之上覆盖一第二石墨烯导电层4，所述第二石墨烯导电层4可以为单层或数层石墨烯；覆盖所述石墨烯的方法可采用机械剥离法或CVD法生长，之后通过转移技术转移在所述第一石墨烯导电层2和所述二维层状原子晶体半导体材料层3上，然后光刻和刻蚀形成石墨烯的纳米带状结构。
此时，所述第一石墨烯导电层2和所述第二石墨烯导电层4分别与所述二维层状原子晶体半导体材料层3形成异质结结构，可以通过在所述二氧化硅覆盖的硅衬底1上施加电压控制异质结内的能带特性，或者将覆盖所述第一石墨烯导电层2和所述第二石墨烯导电层4进行化学掺杂修饰以调控其费米能级位置以获得一定的能带梯度，从而大大提高光探测器的响应度。
4)参见5所示，由磁控溅射方法或电子束蒸发、热蒸发的方法淀积一层100～300纳米厚的金属铬膜，然后通过剥离工艺制成金属形成第一、第二电极层5，6。所述第一电极层5和所述第二电极层6可以为金属材料，如铬、钛、铝或金等，也可为透明导电材料，如氧化铟锡(ITO)或氧化锌铝(AZO)等。所述第一电极层5和所述第二电极层6可以为同一种材料，也可以为不同的材料。此时所述第一电极层5和所述第一石墨烯导电层2有一定的交叠，所述第二电极层6和所述第二石墨烯导电层4有一定的交叠，同时所述的第一电极层5和所述第二电极层6无任何交叠。
5)参见图6所示，在上述各层上方用CVD方法淀积一层1～100纳米厚度的透明的钝化层7，所述钝化层7为六方氮化硼(hBN)层，然后在所述钝化层7上分别光刻和刻蚀形成所述第一、二电极层5，6的第一、第二引出孔9，8。
6)如图7所示，在所述钝化层7上用磁控溅射方法淀积一层50～300纳米厚的铝膜，然后光刻和刻蚀制成各电极的第一、第二金属引出电极11，10及其互连线。
参见图8a所示，图8a是本发明的第一石墨烯导电层、二维层状原子晶体半导体感光层、第二石墨烯导电层所形成的异质结结构的剖面示意图。
参见图8b和图8c所示，其分别为不同电化学修饰后异质结内的能带梯度分布示意图，图中Ef代表石墨烯的费米能级。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于二维层状原子晶体材料的光探测器，其特征在于：包括一二氧化硅覆盖的硅衬底(1)，所述二氧化硅覆盖的硅衬底(1)上依次叠加覆盖有第一石墨烯导电层(2)、二维层状原子晶体半导体材料层(3)和第二石墨烯导电层(4)，所述第一石墨烯导电层(2)和所述第二石墨烯导电层(4)分别与所述二维层状原子晶体半导体材料层(3)形成异质结结构；在所述第一石墨烯导电层(2)与所述二维层状原子晶体半导体材料层(3)以及所述第二石墨烯导电层(4)交叠区之外的一端上设有第一电极层(5)，在所述第二石墨烯导电层(4)与所述二维层状原子晶体半导体材料层(3)以及所述第一石墨烯导电层(2)交叠区之外的一端上设有第二电极层(6)；所述各层的上方设置有一钝化层(7)。
2.根据权利要求1所述的基于二维层状原子晶体材料的光探测器，其特征在于：所述第一石墨烯导电层(2)和所述第二石墨烯导电层(4)分别为掺杂之后的单层或数层石墨烯，上述两层石墨烯的功函数具有一定的差异并和所述二维层状原子晶体半导体材料层(3)形成能带梯度。
3.根据权利要求1所述的基于二维层状原子晶体材料的光探测器，其特征在于：所述二维层状原子晶体半导体材料层(3)为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、TiS2或VSe2中的一种过渡金属和第六族元素形成的二硫属化合物原子层晶体材料感光层，厚度为5～300纳米。
4.根据权利要求1所述的基于二维层状原子晶体材料的光探测器，其特征在于：所述第一电极层(5)和所述第二电极层(6)为金属材料，包括铬、钛、铝或金，厚度为5～300纳米。
5.根据权利要求1所述的基于二维层状原子晶体材料的光探测器，其特征在于：所述第一电极层(5)和所述第二电极层(6)为透明导电材料，包括氧化铟锡或氧化锌铝，厚度为5～300纳米。
6.根据权利要求4或5所述的基于二维层状原子晶体材料的光探测器，其特征在于：所述第一电极层(5)和所述第二电极层(6)为同一种材料或为不同的材料。
7.根据权利要求1所述的基于二维层状原子晶体材料的光探测器，其特征在于：所述钝化层(7)为六方氮化硼。
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