CN111952385B - 一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器 - Google Patents
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Abstract
一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器涉及红外探测器技术领域，解决了中红外和远红外领域难以实现极化激元的有效应用的问题，包括：基底、介电层、具有极化激元特性的二维材料阵列、窄带隙二维半导体材料异质结和金属电极；介电层设置在基底上，金属电极设置在窄带隙二维半导体材料异质结上；二维材料阵列设置在介电层上，且窄带隙二维半导体材料异质结设置在二维材料阵列上，或者，窄带隙二维半导体材料异质结设置在介电层上，且二维材料阵列设置在窄带隙二维半导体材料异质结中。本发明有效地感应二维材料中极化激元的强局域场，提取电流信号并降低暗电流，实现兼具高响应和高探测率的中远红外光探测。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，具体涉及一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器。
背景技术
基于金属等离极化激元的增强效应成为提高光探测器的探测性能的一种有效方式，但传统的贵金属的局限在于工作波长范围太窄，有效工作的范围仅仅在可见光和近红外波段，而在中、远红外领域难以实现极化激元的有效应用，为了实现对中、远红外波段入射光的局域增强，很显然，选用传统的金属等离极化激元已经不适用，因此需求制备一种在中红外和远红外领域有效应用极化激元、具有更大有效工作范围的红外光探测器。
发明内容
为了解决现有红外光探测器在中红外和远红外领域难以实现极化激元的有效应用的问题，本发明提供一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器，包括：基底、介电层、具有极化激元特性的二维材料阵列、窄带隙二维半导体材料异质结和金属电极；介电层设置在基底上，金属电极设置在窄带隙二维半导体材料异质结上；
二维材料阵列设置在介电层上，且窄带隙二维半导体材料异质结设置在二维材料阵列上，或者，窄带隙二维半导体材料异质结设置在介电层上，且二维材料阵列设置在窄带隙二维半导体材料异质结中。
一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在介电层上制备二维材料阵列，在二维材料阵列上制备第一窄带隙二维半导体材料层，在第一窄带隙二维半导体材料层上制备第二窄带隙二维半导体材料层；
或者，
在介电层上制备第一窄带隙二维半导体材料层，在第一窄带隙二维半导体材料层上制备二维材料阵列，在二维材料阵列上制备第二窄带隙二维半导体材料层；
S2、在第二窄带隙二维半导体材料层上制备金属电极。
本发明的有益效果是：
本发明的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器采用窄带隙二维半导体材料异质结有效地感应二维材料中极化激元的强局域场，窄带隙二维半导体材料异质结提取电流信号并降低暗电流，采用二维材料阵列在中远红外波段的场局域特性作为增益方式来提高红外探测器的探测性能，增强在中红外光波段的吸收，实现兼具高响应和高探测率的中远红外光探测，进而提高探测器的综合性能。
本发明一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器的制备方法的制备过程简单，通过该方法能够制备在中红外和远红外领域实现极化激元的有效应用的红外光探测器，同时降低了二维半导体暗电流，得到探测性能高的探测器。
附图说明
图1为本发明的红外光探测器的一种结构示意图。
图2为本发明的红外光探测器的另一种结构示意图。
图3为本发明的制备方法的实施例一的S1.11对应的结构图。
图4为本发明的制备方法的实施例一的S1.12对应的结构图。
图5为本发明的制备方法的实施例一的S1.13对应的结构图。
图6为本发明的制备方法的实施例一的S1.14对应的结构图。
图7为本发明的制备方法的实施例一的S2.11对应的结构图。
图8为本发明的制备方法的实施例二的S1.21对应的结构图。
图9为本发明的制备方法的实施例二的S1.22对应的结构图。
图10为本发明的制备方法的实施例二的S1.23对应的结构图。
图11为本发明的制备方法的实施例二的S1.24对应的结构图。
图12为本发明的制备方法的实施例二的S2.21对应的结构图。
图中：1、基底，2、介电层，3、二维材料阵列，4、窄带隙二维半导体材料异质结，4.1、第一窄带隙二维半导体材料层，4.2、第二窄带隙二维半导体材料层，5、金属电极。
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的一部分实施例，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作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。
一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器，包括基底1、介电层2、二维材料阵列3、窄带隙二维半导体材料异质结4和金属电极5。二维材料阵列3为具有极化激元特性的二维材料阵列3，二维材料阵列3采用具有极化激元特性的二维材料，即具有极化激元特性的二维范德华材料，光照射二维材料阵列3时形成光子-自由电子或者光子-横光学横声子的耦合模式，即形成极化激元，因此二维材料阵列3具有极化激元特性。
如图1，介电层2设置在基底1上，二维材料阵列3设置在介电层2上，窄带隙二维半导体材料异质结4设置在二维材料阵列3上和和介电层2上，窄带隙二维半导体材料异质结4位于基底1、介电层2和二维材料阵列3这一整体的上表面上，即窄带隙二维半导体材料异质结4填充二维材料阵列3的阵列空隙。金属电极5设置在窄带隙二维半导体材料异质结4上。如图2，介电层2设置在基底1上，窄带隙二维半导体材料异质结4设置在介电层2上，二维材料阵列3设置在窄带隙二维半导体材料异质结4中，即二维材料阵列3设置在P型半导体与N型半导体之间。金属电极5设置在窄带隙二维半导体材料异质结4上。
窄带隙二维半导体材料异质结4包括第一窄带隙二维半导体材料层4.1和第二窄带隙二维半导体材料层4.2，第一窄带隙二维半导体材料层4.1和第二窄带隙二维半导体材料层4.2的材料不同，第一窄带隙二维半导体材料层4.1和第二窄带隙二维半导体材料层4.2一个为P型半导体，另一为N型半导体。第二窄带隙二维半导体材料层4.2位于第一窄带隙二维半导体材料层4.1上，金属电极5设置在第二窄带隙二维半导体材料层4.2上。图1中第一窄带隙二维半导体材料层4.1设置在二维材料阵列3上和和介电层2上，第二窄带隙二维半导体材料层4.2设置在第一窄带隙二维半导体材料层4.1上。如图2中所示，二维材料阵列3设置在窄带隙二维半导体材料异质结4中具体为：第一窄带隙二维半导体材料层4.1设置在介电层2上，二维材料阵列3设置在第一窄带隙二维半导体材料层4.1上，第二窄带隙二维半导体材料层4.2设置在二维材料阵列3和第一窄带隙二维半导体材料层4.1上，第二窄带隙二维半导体材料层4.2位于基底1、介电层2、第一窄带隙二维半导体材料层4.1和二维材料阵列3这一整体的上表面上，即第二窄带隙二维半导体材料层4.2填充二维材料阵列3的阵列空隙。
窄带隙二维半导体材料异质结4可以为硒化铟/掺杂黑磷异质结、为石墨烯/黑磷异质结、为硒化铂/硫化铂异质结、或为黑磷/硒化铟异质结。第一窄带隙二维半导体材料层4.1为石墨烯、黑磷、第十族过渡金属硫化物或二维外尔半金属。和第二窄带隙二维半导体材料层4.2的材料为石墨烯、黑磷、第十族过渡金属硫化物或二维外尔半金属。基底1为二氧化硅/硅基底1、为三氧化二铝/硅基底1、为硅基底1、为玻璃基底1、为石英基底1或为塑料基底1。具有极化激元特性二维材料阵列3的材料可以为石墨烯、三氧化钼、氧化钒、黑磷或氮化硼等具有极化激元特性的二维材料。
二维范德华材料中的极化激元具有极高的场局域特性，并且可以通过尺寸来调节极化激元的局域模式，通过栅压调控可以实现对极化激元波长的改变，从而改变光学态密度。二维范德华材料中的极化激元同传统金属极化激元有着根本的不同，其极化激元具有更广的工作波长，可以覆盖从近红外到太赫兹的频谱范围，而二维材料中极化激元极短的波长也带来极高的光学约束因子，实现了更强的局域特性。本发明在红外波段利用这种性质，将传统光探测材料与二维材料极化激元相结合，一方面打破了传统光探测材料的探测波长受限于能带带隙的特点，在长波红外实现探测，另一方面，极化激元引起的电磁场局域增加材料的光吸收，提高红外光电器件的性能。若仅采用单层二维半导体材料与二维材料极化激元相结合，虽然可以提高红外光电器件的光吸收和响应度，但是由于二维半导体材料在生长制备过程中，通常会非故意性对材料掺杂或者引入缺陷从而诱导极高的自由载流子浓度，导致二维半导体暗电流偏高，暗电流引起的噪音很大，影响红外光电探测器的探测率，降低了探测器的探测性能。本发明的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器采用窄带隙二维半导体材料异质结4有效地感应二维材料中极化激元的强局域场，窄带隙二维半导体材料异质结4提取电流信号并降低暗电流，采用二维材料阵列3在中远红外波段的场局域特性作为增益方式来提高红外探测器的探测性能，增强在中红外光波段的吸收，实现兼具高响应和高探测率的中远红外光探测，进而提高探测器的综合性能。
一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器的制备方法，红外光探测器的结构如图1所示时，包括如下步骤：
S1、在介电层2上制备二维材料阵列3，在二维材料阵列3上制备第一窄带隙二维半导体材料层4.1，在第一窄带隙二维半导体材料层4.1上制备第二窄带隙二维半导体材料层4.2。具体为：准备具有介电层2的基底1，在介电层2上采用化学气相沉积法生长二维材料层，或者，采用机械剥离方法得到待转移的二维材料层并将待转移的二维材料层定向转移，转移到介电层2上，得到具有极化激元特性的二维材料层后，采用电子束光刻工艺或采用聚焦离子束刻蚀工艺加工二维材料层得到二维材料阵列3。通过机械剥离方法得到待转移的第一窄带隙二维半导体材料层4.1，再将待转移的第一窄带隙二维半导体材料层4.1转移到二维材料阵列3上，即为在二维材料阵列3上制备第一窄带隙二维半导体材料层4.1。通过机械剥离方法得到待转移的第二窄带隙二维半导体材料层4.2，再将待转移的第二窄带隙二维半导体材料层4.2转移到第一窄带隙二维半导体材料层4.1上，即为在第一窄带隙二维半导体材料层4.1上制备第二窄带隙二维半导体材料层4.2。
S2、在第二窄带隙二维半导体材料层4.2上制备金属电极5。具体为采用采用光刻、电子束蒸发和剥离技术制备源电极和漏电极，得到红外光探测器，制备完成。
或者，红外光探测器的结构如图2所示时，包括如下步骤：
S1、在介电层2上制备第一窄带隙二维半导体材料层4.1，在第一窄带隙二维半导体材料层4.1上制备二维材料阵列3，在二维材料阵列3上制备第二窄带隙二维半导体材料层4.2；具体为：准备具有介电层2的基底1，在介电层2上采用机械剥离方法制备第一窄带隙二维半导体材料层4.1，在第一窄带隙二维半导体材料层4.1上采用化学气相沉积法生长二维材料层，或者，采用机械剥离方法得到待转移的二维材料层并将待转移的二维材料层转移到第一窄带隙二维半导体材料层4.1上，得到具有极化激元特性的二维材料层后，采用电子束光刻工艺或采用聚焦离子束刻蚀工艺加工二维材料层得到二维材料阵列3。通过机械剥离方法得到待转移的第二窄带隙二维半导体材料层4.2，再将待转移的第二窄带隙二维半导体材料层4.2转移到二维材料阵列3上，即为在二维材料阵列3上制备第二窄带隙二维半导体材料层4.2。
S2、在第二窄带隙二维半导体材料层4.2上制备金属电极5，得到红外光探测器，制备完成。
下面列举四种实施例：
实施例一：
S1.11、准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片(即具有SiO2介质层的硅基底11)，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪吹干具有300nm SiO2的P型高掺杂硅片，如图3；S1.12、采用等离子增强的化学气相沉积法在SiO2介质层上直接生长高质量的石墨烯微单晶(即二维材料层)，或采用机械剥离的方式将石墨烯微单晶从其他处剥离，得到待转移的石墨烯微单晶，将待转移的石墨烯微单晶转移到SiO2上，石墨烯微单晶为薄膜；采用电子束光刻的微纳加工工艺加工石墨烯微单晶形成石墨烯阵列(即二维材料阵列3)，如图4；S1.13、将黑磷薄膜通过机械剥离的方法转移到石墨烯阵列和SiO2介质层的上方，并对黑磷薄膜进行碳掺杂，如图5，得到第一窄带隙二维半导体材料层4.1；S1.14、采用定向转移的方法在黑磷薄膜上方转移一层石墨烯薄膜，得到第二窄带隙二维半导体材料层4.2，如图6；S2.11、采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在石墨烯薄膜上制备源、漏电极，金属电极5制备完成，如图7，红外光探测器制备完成。
实施例二：
S1.21、准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片(即具有SiO2介质层的硅基底11)，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪吹干具有300nm SiO2的P型高掺杂硅片，如图8；S1.22、将黑磷薄膜通过机械剥离的方法转移到SiO2介质层的上方，并对黑磷薄膜进行碳掺杂，如图9，得到第一窄带隙二维半导体材料层4.1；S1.23、石墨烯阵列定向转移到黑磷薄膜上方(具体为机械剥离定向转移后再进行光刻/刻蚀)，得到二维材料阵列3，如图10；S1.24、采用定向转移的方法在石墨烯阵列上方转移一层石墨烯薄膜，得到第二窄带隙二维半导体材料层4.2，如图11；S2.21、采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在石墨烯薄膜上制备源、漏电极，金属电极5制备完成，如图12，红外光探测器制备完成。
实施例三：
S1.31、准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片(即具有SiO2介质层的硅基底11)，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪吹干具有300nm SiO2的P型高掺杂硅片；S1.32、采用等离子增强的化学气相沉积法在SiO2介质层上直接生长高质量的石墨烯微薄膜，采用电子束光刻的微纳加工工艺加工石墨烯微薄膜形成石墨烯阵列；S1.33、将硒化铂薄膜通过机械剥离的方法转移到石墨烯阵列和SiO2介质层的上方，得到第一窄带隙二维半导体材料层4.1；S1.34、采用定向转移的方法在黑磷薄膜上方转移一层硫化铂薄膜，得到第二窄带隙二维半导体材料层4.2；S2.31、采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在硫化铂薄膜上制备源、漏电极，金属电极5制备完成，红外光探测器制备完成。
实施例四：
S1.41、准备具有300nm厚SiO2的P型高掺杂硅片(即具有SiO2介质层的硅基底11)，分别用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗，然后用氮气枪吹干具有300nm SiO2的P型高掺杂硅片；S1.42、将硒化铂薄膜通过机械剥离的方法转移到硅片上方，得到第一窄带隙二维半导体材料层4.1；S1.43、石墨烯阵列定向转移到硒化铂薄膜上方，得到二维材料阵列3；S1.44、采用定向转移的方法在石墨烯阵列上方转移一层硫化铂薄膜，得到第二窄带隙二维半导体材料层4.2；
S2.41、采用光刻、电子束蒸发和剥离技术在硫化铂薄膜上制备源、漏电极，金属电极5制备完成，红外光探测器制备完成。
本发明一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器的制备方法的制备过程简单，通过该方法能够制备在中红外和远红外领域实现极化激元的有效应用的红外光探测器，同时降低了二维半导体暗电流，得到探测性能高的探测器。
Claims (9)
1.一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器，其特征在于，包括：基底(1)、介电层(2)、具有极化激元特性的二维材料阵列(3)、窄带隙二维半导体材料异质结(4)和金属电极(5)；介电层(2)设置在基底(1)上，金属电极(5)设置在窄带隙二维半导体材料异质结(4)上；
二维材料阵列(3)设置在介电层(2)上，且窄带隙二维半导体材料异质结(4)设置在二维材料阵列(3)上，或者，窄带隙二维半导体材料异质结(4)设置在介电层(2)上，且二维材料阵列(3)设置在窄带隙二维半导体材料异质结(4)中；
所述窄带隙二维半导体材料异质结(4)包括第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)和第二窄带隙二维半导体材料层(4.2)，所述第二窄带隙二维半导体材料层(4.2)位于第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)上，金属电极(5)设置在第二窄带隙二维半导体材料层(4.2)上。
2.如权利要求1所述的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器，其特征在于，所述二维材料阵列(3)设置在窄带隙二维半导体材料异质结(4)中具体为：第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)设置在介电层(2)上，二维材料阵列(3)设置在第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)上，第二窄带隙二维半导体材料层(4.2)设置在二维材料阵列(3)上。
3.如权利要求1所述的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器，其特征在于，所述第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)和第二窄带隙二维半导体材料层(4.2)的材料分别为石墨烯、黑磷、第十族过渡金属硫化物或二维外尔半金属。
4.如权利要求1所述的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器，其特征在于，所述窄带隙二维半导体材料异质结(4)为硒化铟/掺杂黑磷异质结、石墨烯/黑磷异质结、硒化铂/硫化铂异质结或黑磷/硒化铟异质结。
5.如权利要求1所述的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器，其特征在于，所述基底(1)为二氧化硅/硅基底(1)、三氧化二铝/硅基底(1)、硅基底(1)、玻璃基底(1)、石英基底(1)或塑料基底(1)。
6.如权利要求1所述的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器，其特征在于，所述二维材料阵列(3)的材料为石墨烯、三氧化钼、氧化钒、黑磷或氮化硼。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在介电层(2)上制备二维材料阵列(3)，在二维材料阵列(3)上制备第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)，在第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)上制备第二窄带隙二维半导体材料层(4.2)；
或者，
在介电层(2)上制备第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)，在第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)上制备二维材料阵列(3)，在二维材料阵列(3)上制备第二窄带隙二维半导体材料层(4.2)；
S2、在第二窄带隙二维半导体材料层(4.2)上制备金属电极(5)。
8.如权利要求7所述的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器的制备方法，其特征在于，所述S1中在介电层(2)或第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)上制备二维材料阵列(3)的具体过程为：在介电层(2)或第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)上制备具有极化激元特性的二维材料层，采用电子束光刻工艺或采用聚焦离子束刻蚀工艺加工二维材料层得到二维材料阵列(3)。
9.如权利要求8所述的一种二维材料极化激元与异质结结合的红外光探测器的制备方法，其特征在于，所述二维材料层的制备过程为：采用化学气相沉积法在介电层(2)或第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)上生长二维材料层；或者；采用机械剥离方法得到待转移的二维材料层并将待转移的二维材料层转移到介电层(2)或第一窄带隙二维半导体材料层(4.1)上。
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