CN107634106A - 一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器 - Google Patents

一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器 Download PDF

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Abstract

一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，属于光电探测器领域。包括P型硅衬底、表面具有钛金的氧化硅光栅、单层的二维材料，两侧的金属电极；所述衬底为高掺杂的P型硅；所述表面有金属层的氧化硅光栅为亚波长结构的超材料，所述单层定点转移的单层二维材料；在光照下，在金属层表面形成局域的表面激元。在可见光和近红外波段会产生强烈的局域表面激元共振；二维材料可以充分吸收局域表面激元共振所产生的电场增强而增益的能量；所述电极用以连接外接直流电源可以提供源极与漏极之间的偏压，将增益的电子形成光电流，从而产生光响应，实现其光电探测的功能。

Description

一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器
技术领域
本发明属于光电探测器领域，特别涉及一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器。
背景技术
二维材料是随着石墨烯的发现而提出的，石墨烯是种碳的同位素，是目前发现的最薄的材料，其厚度仅为0.34nm。是碳原子以SP2轨道杂化构成的六边形二维单原子层晶体结构。2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和克斯特亚·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)首次通过机械剥离的方法制备出单层的石墨烯结构，石墨烯具有超强的力学性质，超快的电子迁移率，良好的导电性，使其得到学术界广泛关注与研究。之后，过渡族金属硫族化合物(TMDs)、氮化硼、黑磷、硅烯、锗烯、硼烯等二维材料相继被发现，二维材料形成了一个庞大的家族。
以石墨烯为例，单层石墨烯和双层石墨烯的能带结构中，导带和价带相交于迪拉克点，故其能带为零带隙。层数多于两层，也就是寡层石墨烯(FLG,3～10层)中，可以认为每一层石墨烯都是受到邻近层极小扰动的二维电子气，在光学上等效为几乎互相没有作用的单层石墨烯的叠加。单层石墨烯和双层石墨烯光吸收过程的机理为：当光能量足够强时，电子跃迁速率大于带间弛豫速率，导带底被电子填满，同时价带顶被空穴填满，吸收过程达到饱和，故导致其对垂直入射光的吸收率仅为2.3％。纯石墨烯光电探测器件几乎没有光响应(仅为10-20mA/W)。使石墨烯器件的应用被限制，故提高石墨烯的吸收率可有效提高石墨烯光电探测器的光响应。而其他二维材料由于其结构是单层，导致它们对光线的吸收受到限制，所以提高它们的光吸收率进而增加二维材料光电探测器的光响应也是十分必要的。
超材料是2001年首次提出，它具有左手定则，负折射率等优点，在特定的几何结构下可以对特定波段的光进行完美的吸收。本发明正是利用超材料吸收体来提高二维材料对光的吸收率，从而提高二维材料光电探测器的光响应。
现有化学方式处理二维材料表面，增强二维材料光电探测器的光响应的方法。由于一些化学试剂保存条件要求苛刻，导致化学方法有很大缺陷，无法长期保持效果。且受到负载物带宽限制，无法调控二维材料的光吸收，也就无法改变二维材料光电探测器的响应谱宽，本结构与现有的化学方法增强二维材料光电探测器光响应相比较，具有长期有效，不易受外界环境影响，更稳定。以石墨烯为例，单层石墨烯吸收谱超级宽，可以从紫外到远红外波段，通过设计不同的超材料结构可以调控石墨烯对不同波段的吸收，增大了光电探测器的应用范围，增强其实用性。
发明内容
针对现有上述本征石墨烯等二维材料光吸收光低，本征二维材料光电探测器光响应度低等困难与不足，本发明提供了一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器。
一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，其特征在于，该光电探测器结构包括P型硅衬底，P型硅衬底的上表面为氧化硅层，在氧化硅层表面的中间部分为氧化硅光栅，氧化硅光栅结构的表面依次蒸镀有钛层和金层的、氧化硅光栅上表面为二维材料，在二维材料上表面的两侧蒸镀沉积的金属电极，分别形成源漏电极。
本发明采用高掺杂的P型硅作为衬底材料，用以连接金属电极，形成欧姆接触。
所述P型硅衬底为均匀掺杂硼单晶硅片(100)，硅片厚度400-500μm。所述P型硅衬底对结构起到力学支撑及传导电子的作用；P型硅衬底上表面氧化硅层厚度为300nm，表面具有钛层和金层的氧化硅光栅为氧化硅光栅的表面按光栅结构依次沉积有钛层和金层形成金属表面光栅。
本发明所采用的氧化硅光栅，氧化硅与硅接触的界面态密度较低，可以有效避免高密度界面态所产生对半导体器件的电学性能影响，使得电学性能稳定。
本发明所采用具有金属层的光栅是亚波长结构的光栅，其响应波段大于其所设计的光栅宽度，光栅宽度为168-248nm，由现有理论可知最佳吸收峰为光栅宽度的5倍左右，即近红外波段。且该光栅狭缝宽度足以支撑二维材料。使得铺在光栅表面的二维材料保持稳定的形貌。光栅周期为300-500nm，光栅深度为80-140nm。优选设计光栅区域的宽度为50μm，长度根据实际所需确定，不加以限制。在光栅表面镀钛层和金层后，有效的增益了局域表面激元，且钛具有粘附作用，使得金属层不易脱落，从而使其结构性能稳定。光栅表面金属层为5-10nm Ti，5-15nm Au。
本发明所使用的二维材料为气相沉积法制备，该方法制备的光栅面积大，质量较高。通过湿法转移，将其转移到空片硅片上。然后根据所需，采用光刻掩膜，氧等离子刻蚀成所需图案。图案可以任意，大于光栅的区域宽度即可。然后采用定点转移的工艺铺到光栅的表面。光栅表面的二维材料为单层二维材料，二维材料为一平面层状结构，二维材料层至少覆盖整个金属光栅上表面。
本发明采用紫外曝光的方法设计电极图案，电极的图案可以是任何几何图案，面积至少100μm×100μm。电极间距大于光栅区域的宽度即可，且电极位置在二维材料上表面，光栅区域两侧。
本发明采用电子束沉积的方法制备金属电极，厚度为80-100nm，可用金、银、铝、铂、钛等金属材料作为电极材料，优选金制备电极，金当电极时采用先蒸镀10-20nm钛作为粘附层。
在可见光及近红外波段的光照射时，在金属表面光栅的上表面产生强烈的局域表面等离激元共振；所述铺在光栅上表面的二维材料可以充分吸收由于局域表面激元共振所导致的电场增强的能量，从而增强二维材料对光的吸收；所述电极用以连接外接直流电源，在源漏两电极之间产生源漏偏压，使得电场增强所增益的电子产生定向移动的光电流，从而实现光电探测器的功能，且增强本征二维材料光电探测器的光响应度。
根据实际对波段的需求，通过改变光栅结构可以实现光电探测器对特定波段吸收增益，从而增益其对特定波段的光响应度。增强其实用性。
附图说明
图1为本发明所设计的增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器的结构图
图2为本发明中利用FDTD模拟的增强可见光和近红外波段光吸收结构的光吸收图谱
图3为本发明中利用FDTD模拟在吸收最强峰962nm光栅结构的电场分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，但本发明并限于以下实施例。
实施例1
如图1所示增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器包括衬底材料为硅的衬底(1)、气相沉积300nm厚的氧化硅并刻蚀深度为110nm、周期416nm、光栅宽度为208nm、有光栅的区域宽度为50μm，光栅长度大于150μm的光栅(2)、在光栅结构的表面蒸镀的5nm Ti和15nm Au(3)、定点转移的150μm×150μm化学气相沉积生长的石墨烯平面层(4)、电子束蒸镀的10nm厚的Ti、80nm厚的Au金属电极(5)。
本实施例的石墨烯是用化学气相沉积的方法获得单晶的石墨烯并用光学显微镜和原子力显微镜确定厚度，再通过湿法转移的方法将石墨烯转移到空白硅片上，并利用光刻正胶工艺将石墨烯表面遮住150μm×150μm大小的光刻胶图形，经氧等离子体刻蚀机刻蚀10min后，制备成所需150μm×150μm的石墨烯图案，并在氢气：氩气＝1:1的气氛，400℃温度条件下退火一小时以除去残胶。本实施例以化学气相沉积的方法在硅衬底上沉积300nmSiO2；使用EBL制备已经设计好的PMMA的光栅掩模结构；使用RIE刻蚀110nm深度的SiO2并利用紫外曝光技术制作窗口蒸镀5nm Ti、15nm Au；再将已经湿法转移好的150μm×150μm石墨烯定点转移到光栅结构表面；并通过紫外曝光得到边长100μm的方块图案，再使用电子束沉积蒸镀10nm Ti、80nm Au电极完成器件的制作。
如图2所示，所设计的增强二维材料吸收结构在400nm到1300nm波段对光的吸收图谱(可利用时域有限差分法软件(FDTD)模拟)。有图可知全波段吸收率在70％以上，在962nm处有最强的吸收峰，其吸收率达到95％，由此可知该结构具有优秀的光吸收能力，为增益二维材料光吸收提供的结构保障。
如图3所示为在吸收最强处962nm处电场分布的图(可利用时域有限差分法软件(FDTD)模拟)。可以得到主要在光栅上层光栅脊金层处有强烈的电场增强，在光栅的下层角落处，也有一定程度的增强，其原因为金层上下形成弱的F-P腔体，光在腔体中共振所致。本发明所设计的结构主要利用光栅上层光栅脊金层处有强烈的电场增强，也就是局域场表面激元共振所致的电场增强，将二维材料铺在上表面可以有效利用电场增强，提高二维材料对光的吸收。
以上所述仅是本发明的优选实施方案，对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明的设计思想的情况下，还可以作出材料的替换、参数的增减等若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，其特征在于，该光电探测器结构包括P型硅衬底，P型硅衬底的上表面为氧化硅层，在氧化硅层表面的中间部分为氧化硅光栅，氧化硅光栅结构的表面依次蒸镀有钛层和金层、氧化硅光栅上表面为二维材料，在二维材料上表面的两侧蒸镀沉积的金属电极，分别形成源漏电极；氧化硅表面的二维材料为单层二维材料，单层二维材料为平面层状形貌，二维材料层至少覆盖整个金属光栅上表面。
2.按照权利要求1所述的一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，其特征在于，所述P型硅衬底对结构起到力学支撑及传导电子的作用，P型硅衬底为均匀掺杂硼单晶硅片(100)，硅片厚度400-500μm。P型硅衬底上表面氧化硅层厚度为300nm。表面具有钛层和金层的氧化硅光栅为表面依次沉积有钛层和金层形成金属表面光栅。
3.按照权利要求1所述的一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，其特征在于，有金属层光栅是亚波长结构的光栅，其响应波段大于其所设计的光栅宽度，光栅宽度为168-248nm，光栅周期为300-500nm，光栅深度为80-140nm。
4.按照权利要求1所述的一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，其特征在于，光栅区域整体的宽度至少为50μm。
5.根据权利要求1所述的一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，其特征在于：光栅表面金属层为5-10nm Ti，5-15nm Au。
6.按照权利要求1所述的一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，其特征在于，金属电极厚度为80-100nm，面积至少100μm×100μm，源漏电极间距大于光栅区域宽度。
7.按照权利要求1所述的一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，其特征在于，选用金、银、铝、铂、钛金属材料中的一种或几种作为电极材料。
8.按照权利要求7所述的一种增强可见光和近红外波段光吸收的二维材料光电探测器，其特征在于，采用金制备电极，金当电极时采用先蒸镀10-20nm钛作为粘附层。
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