CN105590985B - 基于二维层材料p‑i‑n异质结光电子器件 - Google Patents
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Abstract
一种基于层状材料p‑i‑n异质结的雪崩探测器，所述的雪崩探测器包括在基底上设有自下到上的结构：衬底绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅、PMMA等柔性绝缘衬底；p‑i‑n异质结，所述p‑i‑n异质结包括p‑型半导体二维薄膜材料，所述p‑型半导体二维薄膜材料即薄膜层5叠放在一个包括确定层数的氮化硼带隙较大本征半导体或绝缘层下，n‑型半导体二维薄膜材料薄膜4叠放在上述氮化硼上，整个异质结器件层置于所述绝缘层上，氮化硼将两半导体二维薄膜材料层分开；顶栅绝缘层包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪、ITO等；顶栅金属电极层7在所述顶栅绝缘层上。
Description
技术领域
本发明是关于二维层转材料p-i-n异质结光电子技术，特别是关于一种基于p-i-n异质结光雪崩单光子探测。
背景技术
微弱光电子探测器在光通信和宇宙研究及军事等方面都有重要的应用。作为一种高灵敏的光探测器，它能将光信号转变成电学信号，进而用来探测物体的位置形状。但是，应用最为广泛的单光子探测器多数是使用超导整列需要在低温环境下工作。尤其是高灵敏弱光探测器在宇宙学研究和航天航空领域里着广阔的应用需求，以及高端武器平台上的导弹制导、量子通讯等，是国内外重点关注与投入的研究的重中之重，对发展尖端前沿科学技术、加强国防核心力量的建设具有举足轻重的意义。同时，高灵敏单光子探测技术在工业、农业、医学、交通等各个行业和部门也有广大应用需求，如电力在线检测、矿产资源勘探、地下矿井测温和测气、地貌或环境监测、农作物或环保监测、气象预报等，使得弱光探测技术发展成为军民两用技术。随着对光探测器性能要求的不断提高，传统的探测器已不足以应对。在这种背景下，二维层状材料的出现，给光探测器领域带了新的曙光。以硫化钼为例，这种新兴的二维碳原子薄膜，表现出了强光与物质相作用，光吸收很强。又因为其优异的半导体电学特性和方便的微加工技术，基于二维薄膜材料异质结光探测器展现着巨大的潜力。
光伏型探测器是理想的光电探测器，光伏型器件是由于不同掺杂类型的半导体接触形成p-n结，或者是金属跟半导体接触形成肖托基势垒。光电响应的机理是内建电场对光生电子空穴对的分离。然而在二维薄膜材料中实现原子层厚度的p-n结内建电场区几乎是原子尺度。同时，半导体材料有具有比较大的带隙。对光吸收有截止波段比较短，传统的硅探测器波段集中在可见波段和近红外波段。而另外一些铟镓砷等红外探测器探测波段比较长，缺点是需要低温才能正常工作。这些探测器都有明显的局限性和缺点。
发明内容
本发明目的是，提供一种基于层状材料异质结的光电子器件，以减小探测器的体积，并实现室温、高灵敏雪崩单光子探测。
为了实现上述目的，本发明技术方案是，一种基于层状材料p-i-n异质结的雪崩探测器，所述的雪崩探测器包括在基底上设有自下到上的结构：
衬底绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅、PMMA等柔性绝缘衬底；
p-i-n异质结，所述p-i-n异质结包括p-型半导体二维薄膜材料(薄膜层)，所述p-型半导体二维薄膜材料即薄膜层5叠放在一个包括确定层数的氮化硼3带隙较大本征半导体或绝缘层下，n-型半导体二维薄膜材料薄膜4叠放在上述氮化硼4上，整个异质结器件层置于所述绝缘层上，氮化硼将两半导体二维薄膜材料层分开；
金属电极层，包括源电极层8及漏电极层6，所述源漏电极层分别设置在覆盖n型二维层状薄膜材料和p型二维层状薄膜材料半导体层接触，并覆盖在所述n与p二维层状薄膜材料薄膜层的各一端上；
顶栅绝缘层2，所述顶栅绝缘层包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪、ITO等；
顶栅金属电极层7在所述顶栅绝缘层上。
在一实施例中，所述半导体二维薄膜材料薄膜层为过渡金属硫族化合物、黑鳞等。
在一实施例中，所述绝缘层为二氧化硅层、PMMA层或锗片。
在一实施例中，所述中间层为带隙较大的本质层状半导体或绝缘体。
在一实施例中，所述绝缘层的厚度为300纳米。
在一实施例中，所述顶栅绝缘层为10纳米二氧化铪。
在一实施例中，所述源电极层由5nm厚的钯及50nm厚的金组成。
在一实施例中，所述漏电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。
在一实施例中，所述顶栅电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。
为了实现上述目的，本发明实施例需提供一种雪崩光电流测量系统。
所述的异质结光电探测器包括：
绝缘层，所述绝缘层为300纳米二氧化硅；
衬底绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅、PMMA等柔性绝缘衬底；
顶栅绝缘层，所述顶栅绝缘层包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪、ITO等；
p-型二维薄膜材料薄膜层，所述p-型二维薄膜材料薄膜层叠放在一个确定层数的氮化硼上，n-型二维薄膜材料薄膜叠放在上述氮化硼下，整个异质结器件层置于所述绝缘层上，石墨烯将两半导体层分开；
金属电极层，包括源电极层及漏电极层，所述源漏电极层分别设置在p-型二维薄膜材料和n-型二维薄膜材料半导体层上，并覆盖在所述二维薄膜材料薄膜层的一端上；所述顶栅金属电极层设置所述顶栅绝缘层上。在一实施例中，所述的异质结探测器感器还包括：基底，设置在所述绝缘层下面。
雪崩倍增光电流测试过程中，所述探测器暗示内，器件通加上高向偏置电压，使i层中光生载流子受到强电场的加速作用获得足够高的动能，它们与晶格碰撞电离产生新的电子一空穴对，这些载流子又不断引起新的碰撞电离，造成载流子的雪崩倍增，得到电流增益。当反偏置电压在雪崩点附近时候，很少的光子入射会长生很高的增益。从而可以实现极微弱甚至单光子探测。
本发明的异质结探测器不同于传统的探测器。首先，本发明的探测器以二维薄膜材料层作为光敏元件，不同于传统光探测元件，该异质结探测器可以做的非常小。其次，二维薄膜材料异质结中的氮化硼中间层的能够大幅度降低暗电流。从而实现高信噪比高探测率。雪崩点在高的反向偏置电压下，暗电流非常低，少量的光子或获得很高的雪崩增益。同时最重要的是探测器探测红外波段能够在室温工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的基于层状材料的p-i-n光电探测器的器件结构图；
图2为本发明实施例一的基于层状材料的p-i-n光电探测器的弱光探测图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。源电极层和漏电极层分别设置在所述两种半导体层上；顶栅电极设置在顶栅介电层上。
本p-i-n异质结器件包含背栅极和顶栅结构，背栅极用于调节底层半导体载流子浓度；顶栅电极用来调节顶层半导体材料的载流子浓度。本发明p-i-n异质结光电探测器和相关的场效应电子器件能构成原子级厚度的p-i-n结，与传统光探测器相比，暗电流更小、体积更小，具有很高的比探测效率，通过雪崩效应为实现极弱光甚至单光子探测提供了器件基础。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于层状材料异质结的p-i-n光电探测器，所述的异质结的光电探测器包括：绝缘层1、2，金属电极层6、7、8及二维薄膜材料薄膜层3、4、5和基底层9。
绝缘层1上放置3、4、5堆叠的异质结。源电极8和漏电极6分别设置在n-型二维薄膜材料薄膜层4和p-型二维薄膜材料薄膜层5上，高介电绝缘层2覆盖上述的异质结。顶栅电极7做在介电层2覆盖的异质结上。
在一实施例中，源电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成，漏极层由5nm厚的钯及50nm厚的金组成。
p-i-n异质结探测器还包括：基底9，该基底9设置在绝缘层1下面，基底9可以为硅等绝缘性材料，本发明仅以硅为例进行说明。
二维薄膜材料薄膜异质结层3、4、5为本发明的异质结p-i-n探测器的核心部分通过中间层氮化硼可以降低暗电流和增加本证区的宽度。当器件处在高反向偏置雪崩点附近时候，极弱的光子入射可以获得较高的雪崩增益。使得器件获得很高的信噪比，实现高灵敏光探测甚至单光子探测。
本发明的异质结p-i-n探测器中的半导体二维薄膜材料薄膜层可以为掺杂石墨烯薄膜、过渡金属硫族化合物、黑鳞、黑砷磷等。中间本证半导体层也可以是带隙较大的过渡金属硫化物、氧化物或氮化硼。本发明仅以氮化硼薄膜，并非用于限定。
本发明的p-i-n异质结的绝缘层9可以绝缘材料及高介电材料，绝缘材料例如为二氧化硅层、PMMA层及锗片，本发明仅以二氧化硅层作为绝缘层进行说明。
本发明的压力传感器中的绝缘层2可以绝缘材料及高介电材料，绝缘材料例如为二氧化硅层、三氧化二铝、五氧化二钽等，本发明仅以二氧化铪层作为绝缘层进行说明。
在一实施例中，绝缘层2的厚度为10纳米，本发明不以此为限。
下面结合具体的例子简单介绍p-i-n异质结探测器的制作过程。
p-i-n异质结制作过程如下：对于二氧化硅层作为绝缘层，硅作为基底的情况，二氧化硅层及硅基底合称为氧化硅片。具体制作时，取氧化硅片一片，氧化硅片下面是硅层，上面是300nm的二氧化硅层。氮化硼和半导体薄膜材料解理在在氧化硅片表面。准备好的目标样品使用范德瓦尔斯异质结转移方法将n-type型半导体堆叠在氮化硼上，再用n-型半导体层加氮化硼结合在一起的样品堆叠在目标p-型半导体薄层。这样p-i-n异质结转移在上述的300纳米氧化硅的硅片上。用电子束曝光或者光刻的方法做分别做源电极和漏电极。然后用ALD或磁控溅射的办法做顶栅介质层，在一实施例是用原子层沉积10纳米二氧化铪。随后用电子束曝光方法做顶栅电极。这样完成了器件的制作。
氮化硼薄膜的获得方法：
1)机械剥离法：在加工完后的氧化硅片上机械剥离氮化硼薄膜，并在光学显微镜下寻找到目标厚度的氮化硼薄膜。
2)CVD增长法：通过CVD增长的石墨烯薄膜晶体，然后转移到氧化硅片上。半导体薄膜的或的方法：
1)机械剥离法：在加工完后的氧化硅片上机械剥离过渡金属硫化物薄膜，并在光学显微镜下寻找到层数较薄的样品薄膜晶体。
2)CVD增长法：通过CVD生长的半导体薄膜晶体，然后转移氧化硅衬底上。
通过掩膜法蒸镀制作金属电极层：找好特定位置的p-i-n异质结，用事先制作好的掩膜板对准异质结，将氧化硅片连同掩膜板一起放进电子束蒸镀系统中，在电子束蒸镀系统中蒸发沉积5nm厚的钛和50nm厚的金，金属源电极层，沉积5nm厚的钯和50nm厚的金，金属漏电极层。顶栅电极层蒸发沉积5nm厚的钛和50nm厚的金。
微弱光雪崩探测系统如图2所示，本发明实施例提供一种雪崩光探测系统。雪崩光探测系统由电流放大器10和电流数据采集11、电流电压源12和激光光源13组成。
相应的描述，不再赘述。
本发明的p-i-n异质结探测器不同于传统的光电探测器。首先，本发明的传感器以二维薄膜材料层作为光敏单元，不同于传统光探测单元，该p-i-n异质结探测器可以做的非常小。其次，二维薄膜材料层异质结内建电场不同于传统宏观异质结，耗尽区很小。二维薄膜材料光吸收强，和体材料光吸收完全不同。最后，二维薄膜材料异质结中氮化硼存在可以是暗电流非常小，在高的反向偏置电压下高雪崩增益，可以实现微弱光探测甚至单光子探测。并且可以实现微弱光探测。这使得将本发明的p-i-n异质结光探测器应用于需要高灵敏光探测和室温单光子探测成为可能。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种基于层状材料p-i-n异质结的雪崩探测器，其特征在于，所述的雪崩探测器包括在基底上设有自下到上的结构：
衬底绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅、PMMA柔性绝缘衬底；
p-i-n异质结，所述p-i-n异质结包括p-型半导体二维薄膜材料，所述p-型半导体二维薄膜材料叠放在一个包括确定层数的氮化硼下，n-型半导体二维薄膜材料薄膜叠放在上述氮化硼上，整个异质结器件层置于所述衬底绝缘层上，氮化硼将两半导体二维薄膜材料层分开；顶栅金属电极做在顶栅介电层覆盖的异质结上；
金属电极层，包括源电极层及漏电极层，所述源电极层和漏电极层分别覆盖n型二维层状薄膜材料和p型二维层状薄膜材料半导体层，并覆盖在所述n与p二维层状薄膜材料薄膜层的各一端上；顶栅金属电极层在顶栅介电层即顶栅绝缘层上，所述顶栅绝缘层包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪或ITO；所述顶栅绝缘层厚度为10-30纳米；
所述p-型半导体二维薄膜材料和n-型半导体二维薄膜材料包含黑鳞、过渡金属硫族化合物或石墨烯。
2.根据权利要求1所述的p-i-n异质结的雪崩探测器，其特征在于，所述顶栅金属电极的厚度为20-50纳米。
3.根据权利要求1所述的p-i-n异质结的雪崩探测器，其特征在于，所述源电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。
4.根据权利要求1所述的p-i-n异质结的雪崩探测器，其特征在于，所述漏电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。
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