CN110676341B - 半导体结构、光电器件、光探测器及光探测仪 - Google Patents

半导体结构、光电器件、光探测器及光探测仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半导体结构、光电器件、光探测器及光谱仪。本发明提供了新型的基于混合维度异质结构的半导体结构以及其相关应用。半导体结构包括：一半导体层；至少一根金属型碳纳米管，该至少一根金属型碳纳米管设置于所述半导体层的第一表面；至少一石墨烯层，该至少一石墨烯层设置于所述半导体层的第二表面，使所述半导体层设置于所述至少一根金属型碳纳米管和所述至少一石墨烯层之间，所述至少一根金属型碳纳米管与所述至少一石墨烯层纵横交叉设置，而形成至少一个交叉层叠区域，在每一个交叉层叠区域，所述金属型碳纳米管、所述半导体层及所述石墨烯层相互层叠形成一多层立体结构。

Description

半导体结构、光电器件、光探测器及光探测仪
技术领域
本发明涉及一种基于混合维度异质结构的半导体结构、光电器件、光探测器及光谱仪。
背景技术
近年来，范德华异质结是最近两年的新兴研究领域。范德华异质结通过将具有不同性质(电学以及光学等)的二维材料堆到一起，可以实现对组合而成的“新”材料的性质进行人工调控；由于层间弱的范德华作用力，相邻的层间不再受晶格必须相匹配的限制；并且，由于没有成分过渡，所形成的异质结具有原子级陡峭的载流子(势场)梯度；由于以过渡金属双硫族化物为代表的非石墨烯二维层状材料通常可以形成二类能带关系，因此以它们为基础搭建的异质结具有非常强的载流子分离能力；此外，由于超薄的厚度以及特殊的二维结构，使其具有强的栅极响应能力，以及与传统微电子加工工艺和柔性基底相兼容的特性。
发明内容
本发明提供了新型的基于混合维度异质结构的半导体结构以及其相关应用。
一种半导体结构，其包括：一半导体层，该半导体层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；至少一根金属型碳纳米管，该至少一根金属型碳纳米管设置于所述半导体层的第一表面；至少一石墨烯层，该至少一石墨烯层设置于所述半导体层的第二表面，使所述半导体层设置于所述至少一根金属型碳纳米管和所述至少一石墨烯层之间，所述至少一根金属型碳纳米管与所述至少一石墨烯层纵横交叉设置，而形成至少一个交叉层叠区域，在每一个交叉层叠区域，所述金属型碳纳米管、所述半导体层及所述石墨烯层相互层叠形成一多层立体结构。
一种光电器件，其包括：一栅极，该栅极为一层状结构；一绝缘层，该绝缘层设置于所述栅极的表面；至少一根金属型碳纳米管，该至少一根金属型碳纳米管设置于所述绝缘层远离所述栅极的表面；一半导体层，所述半导体层覆盖所述至少一根金属型碳纳米管，并设置于所述绝缘层的表面；至少一石墨烯层，该至少一石墨烯层设置于所述半导体层的表面，使所述半导体层位于所述至少一根金属型碳纳米管与所述至少一石墨烯层之间，其中，所述至少一根金属型碳纳米管与所述至少一石墨烯层纵横交叉设置，而形成至少一个交叉层叠区域，在每一个交叉层叠区域，所述金属型碳纳米管、所述半导体层、所述石墨烯层三者相互层叠形成一多层立体结构；至少一第一电极，所述至少一第一电极分别与所述至少一根金属型碳纳米管电连接；至少一第二电极，所述至少一第二电极与所述至少一石墨烯层电连接。
一种光探测器，其包括一光电器件、至少一电流探测元件及至少一电源，其中，所述光电器件为上述光电器件，所述光电器件中，每一多层立体结构均与一第一电极、一第二电极相连接，与同一多层立体结构相连接的第一电极、第二电极连接同一电流探测元件和电源，且连接同一第一电极和第二电极的电流探测元件和电源在同一回路上。
一种光谱仪，其包括至少一光探测器，其中，所述光探测器为上述光探测器。
与现有技术相比，本发明将金属型碳纳米管、半导体层及石墨烯层垂直叠加在一起而得到一混合维度异质结构的半导体结构及其光电器件，该半导体结构及光电器件在未来的纳米电子学和纳米光电子学领域具有巨大的应用潜力。此外，该半导体结构及光电器件可应用于光探测器及光谱仪中，在外加电场的作用下，该光探测器及光谱仪的分辨率和响应度可以调控，并且能够实现高精度、高灵敏度及高精度。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的半导体结构的整体结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的半导体结构的立体结构示意图。
图3为本发明第一实施例提供的半导体结构的扫描电镜照片。
图4为本发明第一实施例提供的半导体结构的侧视示意图。
图5为本发明第一实施例提供的光电器件的立体结构示意图。
图6为本发明第一实施例提供的光电器件在栅极电压不同时的输出特征曲线。
图7为本发明第一实施例提供的光探测器的整体结构示意图。
图8为本发明第一实施例提供的光探测器，在栅极电压与偏压为零时，波长为520纳米激光照射下的扫描光电流显微镜图像。
图9为本发明第一实施例提供的光探测器，其中的金属型碳纳米管-WSe2层叠区域和WSe2-石墨烯层层叠区域的光电流映射图。
图10为本发明第一实施例提供的光探测器，在不同外加电场下的3×3扫描光电流显微镜图像。
图11为本发明第一实施例提供的光探测器，分别在高分辨率模式和低分辨率模式下，其光生电流和短路电流与激光能量的关系图。
图12为本发明第一实施例提供的光谱测量系统(图(a))及光探测器在高分辨率模式下测得的光电流分布图(图(b))。
图13为本发明第一实施例采用的双光干涉系统(图(a))及光探测器在高分辨率模式下测得的光电流分布图(图(b))。
图14为本发明第二实施例提供的半导体结构的整体结构示意图。
图15为本发明第二实施例提供的半导体结构的侧视示意图。
图16为本发明第二实施例提供的光电器件的立体结构示意图。
图17为本发明第二实施例提供的光探测器的整体结构示意图。
图18为本发明第二实施例提供的光探测器，在高分辨率模式下，波长为520纳米激光照射下的扫描光电流显微镜图像。
主要元件符号说明
半导体结构 100，400
半导体层 102，402
金属型碳纳米管 104，404
石墨烯层 106，406
多层立体结构 108，408
光电器件 200，500
栅极 202，502
第一电极 204，504
第二电极 206，506
绝缘层 208，508
光探测器 300，600
电流探测元件 302，602
电源 304，604
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明技术方案所提供的半导体结构、光电器件、光探测器及光谱仪。
本发明提供一种半导体结构，其具体包括：一半导体层，该半导体层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；至少一根金属型碳纳米管，该至少一根金属型碳纳米管设置于所述半导体层的第一表面；至少一石墨烯层，该至少一石墨烯层设置于所述半导体层的第二表面；所述半导体层设置于所述至少一根金属型碳纳米管和所述至少一石墨烯层之间，所述至少一根金属型碳纳米管与所述至少一石墨烯层纵横交叉设置，而形成至少一个交叉层叠区域，在每一个交叉层叠区域，所述金属型碳纳米管、所述半导体层及所述石墨烯层相互层叠形成一多层立体结构。
所述半导体层为一二维结构，所述二维结构是指该半导体层的厚度较薄，半导体层的厚度为1纳米～200纳米，优选地，其厚度为1纳米～100纳米。所述半导体层可以为N型半导体，也可以为P型半导体。所述半导体层可以仅包括一种材料。所述半导体层的材料不限，可以为无机化合物半导体、元素半导体或有机半导体材料，如：砷化镓、碳化硅、多晶硅、单晶硅或萘等。在一些实施例中，半导体层的材料为过渡金属硫化物材料。在另一些实施例中，半导体层的材料为硫化钼(MoS2)，为N型半导体材料。
所述金属型碳纳米管的直径不限，可以为0.5纳米～150纳米。所述金属型碳纳米管可以为单壁金属型碳纳米管或者多壁金属型碳纳米管。所述金属型碳纳米管的数量可以为一根或者多根。当所述金属型碳纳米管的数量为多根时，所述多根金属型碳纳米管间隔设置于所述半导体层的第一表面，且所述多根金属型碳纳米管之间的间距不限。所述多根金属型碳纳米管在所述半导体层的第一表面上的延伸方向可以相交，也可以平行，只需保证所述多根金属型碳纳米管在所述半导体层的第一表面间隔不接触即可，优选地，所述多根金属型碳纳米管的延伸方向相互平行。
所述石墨烯层为一连续的层状结构。所述石墨烯层中石墨烯的层数不限，可以为一层或者多层。所述石墨烯层的厚度不限，但是所述石墨烯层的厚度越厚，所述石墨烯层的导电性及透光性越低，优选地，所述石墨烯层的厚度为1纳米～100纳米，所述石墨烯层的形状不限，可以为长条形、方形等形状。所述石墨烯层的数量可以为一个或者多个。当所述石墨烯层的数量为多个时，所述多个石墨烯层间隔设置于所述半导体层的第二表面，且所述多个石墨烯层之间的间距不限。
在每一个交叉层叠区域，所述金属型碳纳米管、所述半导体层、所述石墨烯层相互层叠形成一多层立体结构，所述金属型碳纳米管和所述石墨烯层与所述半导体层在多层立体结构处形成混合维度的范德华异质结构。所述金属型碳纳米管与半导体层的第一表面接触，所述石墨烯层与半导体层的第二表面接触，所述金属型碳纳米管和所述石墨烯层对二维半导体层的不对称接触使范德华异质结具有更优异的输运性能。当该半导体结构用在晶体管上时，范德华异质结构在相对的源极-漏极偏置处显示出不对称的输出特性。运输特性的多样性主要归因于碳纳米管费米能级易被调制和器件的不对称接触，同时碳纳米管电极适用于电子型或者空穴型导电。可调节器件功能以及侧向器件尺寸的限制使得这种不对称范德华异质结构的半导体结构具有独特性，在未来的纳米电子学和纳米光电子学领域具有巨大的潜力。
当所述半导体结构中，所述金属型碳纳米管与所述石墨烯层中的至少一个的数量大于一时，所述至少一根金属型碳纳米管与所述至少一石墨烯层纵横交叉设置，形成多个交叉层叠区域，每一个交叉层叠区域均存在一个混合维度的范德华异质结构，从而形成一范德华异质结构阵列，该异质结构阵列可用于制备纳米晶体管阵列、光探测器阵列等器件，在满足实际应用的同时，可以大大缩小器件的体积。
本发明还提供了采用上述半导体结构的光电器件、光探测器及光谱仪。
所述光电器件包括所述半导体结构、一栅极、至少一第一电极、至少一第二电极，所述栅极通过一绝缘层与所述半导体结构、所述至少一第一电极、所述至少一第二电极绝缘设置，所述半导体结构分别与所述至少一第一电极、至少一第二电极电连接。
所述光电器件中，栅极与绝缘层层叠设置，所述半导体结构设置在绝缘层的表面，使绝缘层位于栅极和半导体结构之间。所述半导体结构中，所述至少一根金属型碳纳米管直接设置于绝缘层远离栅极的表面，所述半导体层覆盖所述至少`一根金属型碳纳米管并设置于所述绝缘层的表面，使所述至少一根金属型碳纳米管位于半导体层和绝缘层之间，所述至少一石墨烯层设置于半导体层远离绝缘层的表面。所述第一电极的数量与所述金属型碳纳米管的数量相同，所述至少一第一电极分别与所述至少一根金属型碳纳米管电连接。所述第二电极的数量与所述石墨烯层的数量相同，所述至少一第二电极分别与所述至少一石墨层电连接。
其中，所述栅极为一层状结构，该层状结构的表面设置有一绝缘层。所述栅极的材料为导体材料或半导体材料，该导体材料可选择为金属、ITO、ATO、导电银胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等，该金属材料可以为铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钼(Mo)、金(Au)、钛(Ti)、钯(Ba)或任意组合的合金。该半导体材料可以为无机化合物半导体、元素半导体或有机半导体材料，如：砷化镓、碳化硅、多晶硅、单晶硅或萘等。所述栅极的厚度不限。所述绝缘层的材料为绝缘材料，其厚度为1纳米～100微米。
所述第一电极和第二电极均由导电材料组成，该导电材料可选择为金属、ITO、ATO、导电银胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等。该金属材料可以为铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钼(Mo)、金(Au)、钛(Ti)、钯(Ba)或任意组合的合金。所述第一电极和第二电极也可以为一层导电薄膜，该导电薄膜的厚度为2微米-100微米。
所述至少一根金属型碳纳米管靠近栅极，所述至少一石墨烯层远离栅极，所述至少一石墨烯层不会在半导体层和栅极之间产生屏蔽效应，因此，该光电器件在应用时，所述栅极可以控制其中的半导体结构。
所述至少一石墨烯层与所述至少一根金属型碳纳米管纵横交叉设置，形成至少一个交叉层叠区域，在每个交叉层叠区域，所述石墨烯层、所述金属型碳纳米管与所述半导体层形成一范德华异质结构。每一个范德华异质结构与栅极及其相对应的第一电极、第二电极构成一个子光电器件，当存在多个子光电器件时，所述光电器件为由多个子光电器件构成的光电器件阵列。
所述光探测器包括所述光电器件、至少一电流探测元及至少一电源。所述光电器件中，所述至少一石墨烯层与所述至少一根金属型碳纳米管纵横交叉设置，形成至少一个交叉层叠区域，在每个交叉层叠区域，所述石墨烯层、所述金属型碳纳米管与所述半导体层形成一混合维度的范德华异质结构。所述电流探测元件的数量和所述电源的数量均与范德华异质结构的数量一致。以范德华异质结构为基础，与同一范德华异质结构相对应的第一电极、第二电极连接同一电流探测元件和电源，且连接同一第一电极和第二电极的电流探测元件和电源在同一回路上。
所述电流探测元件用于探测第一电极和第二电极与电流探测元件形成的回路中是否有电流流过。电流探测元件可以为一电流表。所述电源用于向第一电极和第二电极提供电压，即在第一电极和第二电极之间形成偏压。
所述光探测器可以光的定性定量探测。所述光探测器的定性探测光的工作原理为：当没有光照射到光探测器上，金属型碳纳米管、半导体层及石墨烯层之间没有导通，回路中不会有电流通过，电流探测元件中探测不到电流；当光照射到光探测器上时，半导体层中产生光生载流子，金属型碳纳米管和石墨烯层之间形成的内建电场将光生电子空穴对分开，这样就形成了光生电流，即回路中产生电流，电流探测元件中探测到电流。即，通过回路中是否有电流产生来探测光源。
所述光探测器的定量探测光的工作原理为：用已知的、不同强度的光依次照射探测点，读出电流探测元件中探测到的电流值，一个强度的光对应一个电流值，并将不同强度的光对应的不同的电流值作相应的曲线图，即可标识出不同强度的光对应形成电流的标准曲线。当采用未知强度的光照射探测点时，根据电流探测元件中探测到的电流值，即可从该标准曲线上读出光的强度值。
所述光谱仪包括一入射狭缝、一准直元件、一色散元件、一聚焦元件及至少一所述光探测器。
请参阅图1、图2，本发明第一实施例提供一种半导体结构100，其具体包括一半导体层102，该半导体层102具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；一根金属型碳纳米管104，该金属型碳纳米管104设置于所述半导体层102的第一表面；一石墨烯层106，该石墨烯层106设置于所述半导体层102的第二表面，使所述半导体层102设置于所述金属型碳纳米管104和所述石墨烯层106之间。
本实施例中，所述半导体层102的材料为硒化钨(WSe2)，为P型半导体材料，其厚度为5.21纳米。所述金属型碳纳米管104由一根多壁金属型碳纳米管去掉外壁而制备得到，其具体制备方法将在后续内容展开，在此不作详述，这样制备得到的金属型碳纳米管的外表面超级干净，有利于该金属型碳纳米管104与所述半导体层102叠加在一起，该金属型碳纳米管104的直径为1.19纳米。所述石墨烯层106的厚度为3.56纳米。
请参见图3，为本实施例提供的半导体结构100的扫描电镜照片，图中中间的虚线代表为半导体层遮住的金属型碳纳米管，虚线框所围住的区域为后续将该半导体结构100用于光探测器时的激光扫描照射区域。
请参见图4，所述金属型碳纳米管104、所述半导体层102、所述石墨烯层106相互层叠形成一多层立体结构108，所述金属型碳纳米管104和所述石墨烯层106与所述半导体层102在多层立体结构108处形成混合维度的范德华异质结构。
本发明第一实施例还提供所述半导体结构100的制备方法，其具体包括以下步骤：
S11，提供一根金属型碳纳米管，将所述金属型碳纳米管设置于一第一支撑体的表面；
S12，提供一半导体层，所述半导体层设置于一第二支撑体的表面；
S13，在所述半导体层远离所述第二支撑体的表面形成一石墨烯层；
S14，将形成的石墨烯层-半导体层结构转移至所述第一支撑体的表面，所述半导体层与所述第一支撑体的表面接触并覆盖所述金属型碳纳米管，所述石墨烯层、所述半导体层与所述金属型碳纳米管相互层叠而形成一多层立体结构。
以下对步骤S11～S14作详细叙述。
步骤S11，提供一根金属型碳纳米管，将所述金属型碳纳米管设置于一第一支撑体的表面。
所述金属型碳纳米管可直接由化学气相沉积法制备得到，或由一多壁金属型碳纳米管去掉外壁而制备得到，本实施例中，所述金属型碳纳米管由去掉一根多壁金属型碳纳米管的外壁而制备得到。所述去掉多壁金属型碳纳米管的外壁具体包括以下步骤：
步骤S111，提供一根多壁金属型碳纳米管。
该多壁金属型碳纳米管采用化学气相沉积法制备得到。
步骤S112，分割所述多壁金属型碳纳米管的外壁，使所述多壁金属型碳纳米管的外壁一分为二。
该步骤在光学显微镜下操作，分割所述多壁金属型碳纳米管外壁的方法不限，例如可以采用激光束切割外壁，本实施例中，轻轻晃动该多壁金属型碳纳米管使该多壁金属型碳纳米管的外壁一分为二。进一步地，在分割所述多壁金属型碳纳米管的外壁之前，在外壁的外表面沉积一些纳米颗粒，所述纳米颗粒的材料不限，可以是二氧化钛(TiO2)纳米颗粒、硫(S)纳米颗粒等，纳米颗粒的存在有利于观察到外壁及观察到外壁是否被脱掉。
步骤S113，提供两个钨尖，使两个钨尖分别扎取所述多壁金属型碳纳米管的外壁的两端，并作反向运动，从而脱掉外壁。
该步骤在光学显微镜下操作，采用钨尖去掉多壁金属型碳纳米管外壁后，即可以得到本实施例所需要的金属型碳纳米管，该金属型碳纳米管的外表面超级干净，有利于该金属型碳纳米管与所述半导体层叠加在一起。本实施例中，制备得到的金属型碳纳米管的直径为1.19纳米。
待制备得到所述金属型碳纳米管后，将所述金属型碳纳米管转移至第一支撑体表面。所述第一支撑体的材料和厚度不限，可以根据实际应用而具体选择。本实施例中，在光学显微镜下，采用两个钨尖扎取所制备的金属型碳纳米管的两端，轻轻抬起所述金属型碳纳米管，并将所述金属型碳纳米管放至第一支撑体的表面。
步骤S12，提供一半导体层，所述半导体层设置于一第二支撑体的表面。
本实施例中，所述半导体层的材料为WSe2，所述半导体层采用机械剥离法制备得到。具体包括WSe2单晶采用胶带多次对撕，使得到的片状WSe2的厚度越来越薄，直到得到纳米厚度的WSe2层。将带有WSe2层的胶带覆盖在第二支撑体的表面，使WSe2层与第二支撑体接触，揭下胶带，使至少部分WSe2层留在第二支撑体的表面。
第二支撑体起支撑和保护所述半导体层的作用，该第二支撑体的材料和厚度不限。
步骤S13，在所述半导体层远离所述第二支撑体的表面形成一石墨烯层。
所述石墨烯层的制备方法不限，可以采用机械剥离、化学气相沉积等方法而制备得到。转移所述石墨烯层至所述半导体层表面，转移的方法不限，只要保证制备得到的石墨烯层能够转移至所述半导体层的表面即可。
本实施例中，所述石墨烯层采用机械剥离法制备得到，该石墨烯层的厚度为3.56纳米。将石墨烯层转移至半导体层远离第二支撑体的表面，具体包括以下步骤：
步骤S131，提供一石墨烯层，所述石墨烯层设置于一基体的表面。
所述基体起支撑和保护石墨烯层的作用，该基体的材料和厚度不限。
步骤S132，在所述石墨烯层远离基体的表面形成一粘性膜，将石墨烯层转移至所述粘性膜的表面，得到一粘附有石墨烯层的粘性膜。
所述粘性膜具有在一种条件(如光照、加热等)下粘性增加，而在另一种条件(如去光照、降温冷却等)下其粘性下降的特性。利用该粘性膜的这一性质，可以先增加该粘性膜的粘性，使石墨烯层与粘性膜之间的结合力大于石墨烯层与基体之间的结合力，然后撕下所述粘性膜，将石墨烯层粘附至该粘性膜的表面。
所述粘性膜的材料不限，只要具有上述特性即可。本实施例中，所述粘性膜选用聚乙烯醇(PVA)，PVA在加热的条件下粘性增加，而在降温冷却时粘性下降，而且PVA易溶于水，可以通过水溶去除PVA。
步骤S133，将粘附有石墨烯层的粘性膜转移至所述半导体层的表面，所述石墨烯层位于所述粘性膜与半导体层之间，对粘性膜进行降粘处理，去除粘性膜，使石墨烯层转移至所述半导体层的表面。
待粘附有石墨烯层的粘性膜转移至所述半导体层的表面后，降低该粘性膜的粘性，使石墨烯层与粘性膜之间的结合力小于石墨烯层与半导体层之间的结合力，然后撕下该粘性膜，将石墨烯层转移至所述半导体远离所述第二支撑体的表面，而且石墨烯层表面干净、无残留。
本实施例中，待粘附有石墨烯层的PVA膜转移至所述半导体层的表面后，将PVA膜、石墨烯层、半导体层、第二支撑体形成的四层结构置于水中浸泡，使PVA溶解在水中，从而去除PVA膜。
步骤S14，将形成的石墨烯层-半导体层结构转移至所述第一支撑体的表面，所述半导体层与所述第一支撑体的表面接触并覆盖所述金属型碳纳米管，所述金属型碳纳米管、所述半导体层、所述石墨烯层相互层叠而形成一多层立体结构。
同样地，采用上述步骤S13中转移石墨烯层的方法将形成的石墨烯层-半导体层结构转移至所述第一支撑体的表面，在此不作详述。
进一步地，待制备得到所述半导体结构100后，对该半导体结构100进行退火处理。退火步骤在真空环境下进行，退火温度为300～400摄氏度。经过退火处理之后，可以除去该半导体结构100表面的一些杂质，还可以使石墨烯层、半导体层及金属型碳纳米管之间的结合力更强。
请参见图5，本发明第一实施例提供一种采用所述半导体结构100的光电器件200，其具体包括所述半导体结构100、一栅极202、一第一电极204、一第二电极206，所述栅极202通过一绝缘层208与所述半导体结构100、所述第一电极204、所述第二电极206绝缘设置，所述半导体结构100分别与所述第一电极204、第二电极206电连接。
所述光电器件200中，栅极202与绝缘层208层叠设置，所述半导体结构100设置在绝缘层208的表面，使绝缘层208位于栅极202和半导体结构100之间。所述半导体结构100中，所述金属型碳纳米管104直接设置于绝缘层208远离栅极202的表面，所述半导体层102覆盖所述金属型碳纳米管104并设置于所述绝缘层208的表面，使金属型碳纳米管104位于半导体层102和绝缘层208之间，石墨烯层106设置于半导体层102远离绝缘层208的表面。
本实施例中，所述栅极202为一硅片。所述绝缘层208为形成于硅片表面的氧化硅，该氧化硅的厚度为300纳米。所述第一电极204、第二电极206为由金属Au和Ti得到的金属复合结构，具体地，所述金属复合结构是由一层金属Au和一层金属Ti组成，Au设置在Ti的表面。所述金属Ti的厚度为10纳米，金属Au的厚度为50纳米。所述第一电极204设置于金属型碳纳米管104的一端并贴合于金属型碳纳米管104的表面，其中，Ti层设置于所述金属型碳纳米管104的表面，Au层设置于Ti层表面；所述第二电极设置于石墨烯层106的一端并贴合于石墨烯层106的表面，其中，Ti设置于所述石墨烯层106的表面，Au层设置于Ti层表面。
所述光电器件200中，所述金属型碳纳米管104和石墨烯层106与半导体层102之间形成异质结构，即多层立体结构108内部形成异质结。该光电器件200在应用时，可以为一晶体管。第一电极204为漏极，第二电极206为源极，通过在栅极202上施加不同的电压来改变所述异质结势垒的高度，从而可以控制流经半导体层102沟道的电流大小。本实施例中，所述半导体层为WSe2，其为P型半导体，第一电极204和第二电极206之间的偏压一定，当栅极电压为正时，多层立体结构108内部形成肖特基结势垒增高，第一电极204和第二电极206之间几乎没有电流通过，实现关状态；当栅极202的电压为负时，异质结的势垒降低，第一电极204和第二电极206之间导通产生电流，实现开的状态。请参见图6，该晶体管的开关比可达104。而且，从图中可以看出，偏压为正时的第一电极204和第二电极206之间的电流，大于偏压为负时的电流，这是由二维石墨烯层和一维金属型碳纳米管与WSe2层之间的不对称接触造成的。这种不对称传输特性表明石墨烯的费米能级高于金属型碳纳米管的费米能级。
请参见图7，本发明第一实施例还提供一种光探测器300，其包括所述光电器件200、一电流探测元件302及一电源304。其中，图7中，所述光电器件200中的栅极202及绝缘层208未在图中显示。
所述光探测器300中，所述电流探测元件302与所述第一电极204、第二电极206电连接。所述电源304与所述第一电极204、第二电极206电连接。所述第一电极204、所述电流探测元件302、所述电源304、所述第二电极206形成一回路。
本实施例中，所述半导体层102为WSe2，其为P型半导体。在栅极电压(VG)和偏压(VDS)设为零时，采用一波长为520纳米的激光(激光能量为24μW，光斑尺寸为1μm)照射该光探测器300，在扫描光电流显微镜下得到该光探测器300的扫描光电流显微镜图像，如图8所示，其中，扫描照射区域为图3中虚线框所围住的区域。从图8中可以看出，经光照射后，该光探测器300中有三个区域感应产生光电流：第一区域为金属型碳纳米管、WSe2、石墨烯层三者相互层叠区域，即多层立体结构108，该区域产生的光电流为负；第二区域为金属型碳纳米管、WSe2两者层叠区域，在该区域的金属型碳纳米管-WSe2肖特基结处，内建电场的方向从碳纳米管指向WSe2，因此该区域产生的光电流为正；第三区域为WSe2、石墨烯层两者相互层叠区域，在该区域的WSe2-石墨烯接触面，内建电场的方向从石墨烯层指向WSe2，因此该区域产生的光电流为负。金属型碳纳米管和石墨烯的费米能级均高于WSe2的费米能级，而石墨烯的费米能级高于金属型碳纳米管的费米能级，因此，在多层立体结构108处，感应生成的光电流由石墨烯流向金属型碳纳米管。
分别在第二区域和第三区域上选取两个点，即图8中星号标出的位置，在不同的栅极电压和偏压下，分别对选取的两点进行同样的激光照射，得到金属型碳纳米管-WSe2层叠区域(图a)和WSe2-石墨烯层叠区域(图b)的光电流映射图，如图9所示。其中，当栅极电压为负，偏压为正时，所述金属型碳纳米管-WSe2层叠区域对光照射更为敏感，能够产生较大的光电流，而WSe2-石墨烯层叠区域对光照射较不敏感，产生的光电流较小；当栅极电压和偏压同时为负时，WSe2-石墨烯层叠区域产生的光电流大，而金属型碳纳米管-WSe2层叠区域产生的光电流较小。金属型碳纳米管-WSe2层叠区域和WSe2-石墨烯层叠区域的光电特性有很大的不同，可以通过施加栅极电压和偏压来调控两层叠区域的光电特性，进而调控该光探测器300的性能。
光探测器的分辨率和响应度与光探测器的光响应区域的面积有关，光响应区域的面积大，则光探测器的分辨率低，光响应电流大，响应度大；光响应区域的面积小，则光探测器的分辨率高，光响应电流小，响应度小。本实施例中，对所述光探测器300，施加不同的栅极电压和偏压，在扫描光电流显微镜下，采用激光照射该光探测器300，得到不同外加电场下的3×3扫描光电流显微镜图像，如图10所示。从图中可以看出，随着栅极电压从-20V变化至30V，偏压从-0.2V变化至0.2V，所述光探测器300的扫描光电流显微镜图象随之发生变化，即随着栅极电压和偏压的变化，所述光探测器300的光响应区域也随之发生变化。此外，通过施加不同的栅极电压和偏压，所述光探测器300可以呈现两种相对的工作模式，即低分辨率模式和高分辨率模式。当栅极电压为-20V、偏压为-0.2V时，所述光探测器300中的光响应区域为WSe2与石墨烯层层叠的区域，此时，光响应面积大，响应度大，而分辨率低。当栅极电压为30V、偏压为-0.2V时，所述光探测器300中的光响应区域为金属型碳纳米管、WSe2与石墨烯层三者层叠的区域，此时，光响应面积小，响应度小，而分辨率高。通过调节栅极电压和偏压的大小，可以调控光探测器300中的感光面积，进而可以调控光探测器的分辨率和光响应度。本发明实施例中半导体层的材料为WSe2，其为P型半导体，在栅极电压为正、偏压为负时，可以实现高分辨率；可以理解地，当半导体层的材料为N型半导体时，结论相反，在栅极电压为负、偏压为正时，可以实现高分辨率。
请参见图11，为分别在高分辨率模式(VG＝30V,VDS＝-0.2V)和低分辨率模式(VG＝-20V,VDS＝-0.2V，插图)下，光生电流和短路电流与激光能量的关系图，从图中可以看出，高分辨率模式下，所述光探测器的光响应度为2.47mA/W，低分辨率模式下，所述光探测器的光响应度为10.9mA/W。
所述光探测器300可以应用在光谱仪中，用于检测光谱谱线的强度分布。请参见图12，图a上图为一个光谱测量系统，激光束经透射光栅分散、柱面透镜聚焦后，在焦平面上形成多个明亮条纹，如图a下图所示；将所述光探测器300的工作模式设为高分辨率模式(VG＝30V,VDS＝-0.2V)，使该光探测器300在焦平面上线形移动扫描该多个明亮条纹，其测量得到光电流与位置之间的关系如图b所示，该光探测器300的信噪比大于5000，具有较高的灵敏度和分辨率。
此外，通过调节栅极电压和偏压，所述光探测器300可以获得极高的分辨率，可以用于精细光谱结构的检测。请参见图13，图a为一个双光干涉系统，波长为343纳米的激光束经反光镜1反射后，经透镜1、透镜2，并经分束器分成两光束，然后两光束分别被反射镜2、反光镜3反射后汇聚而相互干涉形成明暗条纹。该光学系统可以用于制造一维光栅结构，图a插图为采用上述光学系统而制备的光栅结构，其周期为334纳米。本实施例中，采用高分辨率模式(VG＝30V,VDS＝-0.2V)下的光探测器300线形扫描上述双光干涉系统形成的明暗条纹，其测量得到光电流分布如图b所示，经正弦拟合后，计算得到该明暗条纹的周期为340.5纳米，误差小于1.95％。
本发明第一实施例还提供一种采用所述光探测器300的光谱仪，所述光谱仪包括一入射狭缝、一准直元件、一色散元件、一聚焦元件及至少一所述光探测器300。在栅极电压和偏压的调控下，所述光谱仪能够实现高精度、高灵敏度及高分辨率。
请参见图14、图15，本发明第二实施例提供一种半导体结构400，所述半导体结构400与本发明第一实施例提供的半导体结构100的结构基本相同，其区别在于，所述半导体结构400包括两根金属型碳纳米管404。
所述两根金属型碳纳米管404平行且间隔设置于所述半导体层402的第一表面，所述两根金属型碳纳米管404之间的间距为3.3微米。所述两根金属型碳纳米管404分别与所述石墨烯层406纵横交叉而形成两个交叉层叠区域，在每一个交叉层叠区域，所述金属型碳纳米管404、所述半导体层402及所述石墨烯层406相互层叠形成一多层立体结构408，在多层立体结构408处，所述金属型碳纳米管404和所述石墨烯层406与所述半导体层402形成一范德华异质结构。
请参见图16，本发明第二实施例提供一种采用所述半导体结构400的光电器件500，其具体包括所述半导体结构400、一栅极502、两个第一电极504、一第二电极506，所述栅极502通过一绝缘层508与所述半导体结构400、所述第一电极504、所述第二电极506绝缘设置，所述半导体结构400分别与所述第一电极504、所述第二电极506电连接。
所述光电器件500中，栅极502与绝缘层508层叠设置，所述半导体结构400设置在绝缘层508的表面，使绝缘层508位于栅极502和半导体结构400之间。所述半导体结构400中，所述两根金属型碳纳米管404直接设置于绝缘层508远离栅极502的表面，所述半导体层400覆盖所述两根金属型碳纳米管404并设置于所述绝缘层508的表面，所述石墨烯层406设置于半导体层400远离绝缘层508的表面。所述两个第一电极504分别与所述两根金属型碳纳米管404电连接，所述第二电极506分别与所述石墨层406电连接。
所述栅极502、绝缘层508及第一电极502、第二电极506分别与本发明第一实施例提供的栅极202、绝缘层208及第一电极202、第二电极206相同，在此不再重复叙述。
请参见图17，本发明第二实施例还提供一种光探测器600，其具体包括所述光电器件500、两个电流探测元件602、两个电源604。其中，所述光电器件500中栅极及绝缘层未在图17中显示。所述电流探测元件602、电源604分别与本发明第一实施例提供的电流探测元件302、电源304相同，在此不再重复叙述。
本实施例中，所述石墨烯层406与所述两根金属型碳纳米管404纵横交叉设置而形成两个金属型碳纳米管-WSe2-石墨烯层层叠区域。将所述光探测器600的工作模式设为第一实施例中的高分辨率模式，即将所述光探测器600的栅极电压设为30V，偏压设为0.2V，采用激光照射所述光探测器600，得到高分辨模式下的扫描光电流显微镜图像，如图18所示，在高分辨率模式下，光响应区域局限于金属型碳纳米管-WSe2-石墨烯层层叠区域，只有所述金属型碳纳米管-WSe2-石墨烯层层叠区域能产生光电流，而光电流强度的差异可能是由两根金属型碳纳米管的手性不同造成的。
此外，本发明第二实施例还提供一种采用所述光探测器600的光谱仪。
本发明将金属型碳纳米管、半导体层及石墨烯层垂直叠加在一起而得到一混合维度的范德华异质结构，所述金属型碳纳米管和所述石墨烯层对二维半导体层的不对称接触使该范德华异质结构具有更优异的输运性能。将所述范德华异质结构用于光探测器时，纳米材料与二维半导体层的不对称接触赋予了光探测器新的性能。本发明提供的光探测器具有三个光响应区域，即金属型-半导体层层叠区域、金属型碳纳米管-半导体层-石墨烯层层叠区域、半导体层-石墨烯层层叠区域，通过调节光感测器中的栅极电压和偏压的大小，来调控感光区域，从而可以调控光感测器的分辨率和光响应度。所述光探测器具有高分辨率工作模式和低分辨率工作模式，可以根据实际应用而调节栅极电压和偏压，以获得所需要的工作模式。此外，本发明提供的光探测器可以应用在光谱仪中，以用于对精细光谱结构的测量，在高分辨工作模式下，能够检测到周期为334纳米的明暗干涉条纹，具有高灵敏度、高分辨率及高精度。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种半导体结构，其包括：一半导体层，该半导体层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；至少一根金属型碳纳米管，该至少一根金属型碳纳米管设置于所述半导体层的第一表面；至少一石墨烯层，该至少一石墨烯层设置于所述半导体层的第二表面，使所述半导体层设置于所述至少一根金属型碳纳米管和所述至少一石墨烯层之间，所述至少一根金属型碳纳米管与所述至少一石墨烯层纵横交叉设置，而形成至少一个交叉层叠区域，在每一个交叉层叠区域，所述金属型碳纳米管、所述半导体层及所述石墨烯层相互层叠形成一多层立体结构。
2.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体层的厚度为1纳米～200纳米。
3.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述金属型碳纳米管由去掉一根多壁金属型碳纳米管的外壁而制备得到。
4.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括一根金属型碳纳米管和一石墨烯层。
5.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括多根金属型碳纳米管，所述多根金属型碳纳米管的延伸方向相互平行。
6.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括多根金属型碳纳米管，所述多根金属型碳纳米管间隔设置于所述半导体层的第一表面。
7.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括多个石墨烯层，所述多个石墨烯层间隔设置于所述半导体层的第二表面。
8.一种光电器件，其包括：一栅极，该栅极为一层状结构；一绝缘层，该绝缘层设置于所述栅极的表面；至少一根金属型碳纳米管，该至少一根金属型碳纳米管设置于所述绝缘层远离所述栅极的表面；一半导体层，所述半导体层覆盖所述至少一根金属型碳纳米管，并设置于所述绝缘层的表面；至少一石墨烯层，该至少一石墨烯层设置于所述半导体层的表面，使所述半导体层位于所述至少一根金属型碳纳米管与所述至少一石墨烯层之间，其中，所述至少一根金属型碳纳米管与所述至少一石墨烯层纵横交叉设置，而形成至少一个交叉层叠区域，在每一个交叉层叠区域，所述金属型碳纳米管、所述半导体层、所述石墨烯层三者相互层叠形成一多层立体结构；至少一第一电极，所述至少一第一电极分别与所述至少一根金属型碳纳米管电连接；至少一第二电极，所述至少一第二电极与所述至少一石墨烯层电连接。
9.一种光探测器，其包括一光电器件、至少一电流探测元件及至少一电源，其特征在于，所述光电器件为如权利要求8所述的光电器件，所述光电器件中，每一多层立体结构均与一第一电极、一第二电极相连接，与同一多层立体结构相连接的第一电极、第二电极连接同一电流探测元件和电源，且连接同一第一电极和第二电极的电流探测元件和电源在同一回路上。
10.一种光谱仪，其包括一入射狭缝、一准直元件、一色散元件、一聚焦元件及至少一光探测器，其特征在于，所述光探测器为如权利要求9所述的光探测器。
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