CN114373825A - 基于二维材料的异质结器件及包含其的光电探测器和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于二维材料的异质结器件和包含其的光电探测器及方法，属于光学技术领域。该基于二维材料的异质结器件，包括纳米结构层和二维材料层；其中，所述纳米结构层包括多个阵列排布的纳米结构，所述纳米结构为金属；所述二维材料层包括至少一层各向异性二维材料；所述纳米结构设置于所述至少一层各向异性二维材料的一侧，使所述纳米结构层与所述二维材料层形成异质结。通过本申请实施例提供的基于二维材料的异质结器件，通过各向异性二维材料和金属纳米结构形成异质结提高了该异质结的响应度和偏振敏感度，缩短了该异质结器件的响应时间，从而提高了包含该异质结器件的光电探测器的性能。
Description
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种基于二维材料的异质结器件及包含其的光电探测器和方法。
背景技术
二维(2D，Two Dimensional)材料是指由单层原子、少数层原子或分子层组成的材料，层内由较强的共价键或离子键连接，层间由范德华力连接。二维材料在一个维度的尺寸远小于光波长，使其具有卓越的光电特性，例如暗电流及噪声低等。
由于二维材料具有卓越的光电特性，相关技术中采用二维材料代替三维的薄膜半导体以提高光电光电探测器的性能。
在实现本申请的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：
虽然与三维薄膜半导体相比二维材料的光电性能卓越，但是二维材料的厚度仅为原子层厚度，这导致二维材料的透光率很高，造成二维材料的光吸收率不如薄膜半导体。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术中二维材料光吸收率不足的技术问题，本申请实施例提供了一种基于二维材料的异质结器件及包含其的光电探测器和方法。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于二维材料的异质结器件，包括纳米结构层和二维材料层；
其中，所述纳米结构层包括多个阵列排布的纳米结构，所述纳米结构为金属；
所述二维材料层包括至少一层各向异性二维材料；
所述纳米结构设置于所述至少一层各向异性二维材料的一侧，使所述纳米结构层与所述二维材料层形成异质结。
可选地，所述纳米结构层的填充率小于1；
其中，所述填充率为所述纳米结构层和所述二维材料层的重叠面积与所述二维材料层面积的比值。
可选地，所述纳米结构为贵金属材料。
可选地，所述纳米结构层中纳米结构的形状包括中心对称图形或轴对称图形。
可选地，所述纳米结构的形状包括矩形、圆形、环形或十字形中的一种或多种。
可选地，所述纳米结构的周期大于或等于100nm，且小于或等于500nm。
可选地，所述纳米结构的高度大于或等于5nm，且小于或等于30nm。
可选地，所述二维材料层的材料包括黑磷、硫化锡、二砷化锗、二硒化钯、硒化锗或硫化铼中的一种或多种。
可选地，所述二维材料层包括多种各向异性二维材料堆叠形成的异质结。
第二方面，本申请实施例还提供了一种光电探测器，包括衬底、电极和如上述任一实施例提供的基于二维材料的异质结器件；
其中，所述异质结器件和所述电极设置在所述衬底表面；
所述电极和所述异质结器件的二维材料层的两端电连接，并且，所述电极与所述异质结器件的纳米结构层不接触。
可选地，所述纳米结构层的填充率小于1。
可选地，所述纳米结构层中纳米结构的材料为金。
可选地，所述纳米结构的半径为20nm。
可选地，所述纳米结构的高度为10nm。
可选地，所述纳米结构的周期为100nm。
可选地，所述异质结器件的二维材料层的各向异性比小于或等于3。
可选地，所述光电探测器的二向色性等于7。
可选地，所述衬底为表面覆盖有绝缘层的半导体材料。
第三方面，本申请实施例还提供了一种光电探测方法，适用于上述任一实施例提供的光电探测器，所述方法包括：
所述异质结器件中的二维材料层受入射光照射产生电子空穴对；
所述异质结器件中的纳米结构层利用等离激元效应提高所述电子空穴对分离效率；
通过所述电极对所述异质结器件施加栅极电压，利用光栅压效应调节所述电子空穴对的寿命，从而调节光生电流的大小。
本申请实施例提供的基于二维材料的异质结器件和包含其的光电探测器和方法，至少取得了以下有益效果：
本申请实施例提供的基于二维材料的异质结器件，通过包括至少一层各向异性二维材料的二维材料层与设置于二维材料层一侧的纳米结构层，增加了该异质结器件的响应度，缩短了该异质结器件的响应速度。此外，该异质结器件通过各向异性二维材料，提高了偏振敏感度。
本申请实施例提供的光电探测器和方法，通过采用本申请实施例提供的异质结器件提高了响应度，缩短了响应时间，并且在提高了偏振敏感度同时突破了对异质结的结构限制。该光电探测器和方法还通过改变栅极电压实现了响应度在大范围内的调谐。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本申请实施例所提供的基于二维材料的异质结器件；
图2示出了本申请实施例所提供的纳米结构的一种可选的排列方式；
图3示出了本申请实施例所提供的纳米结构的再一种可选的排列方式；
图4示出了本申请实施例所提供的纳米结构的又一种可选的排列方式；
图5示出了本申请实施例所提供的纳米结构的又一种可选的排列方式；
图6示出了本申请实施例所提供的基于二维材料的异质结器件的俯视图；
图7示出了本申请实施例所提供的光电探测器的一种可选结构示意图。
图中附图标记分别表示：
100-纳米结构层；101-纳米结构；
200-二维材料层；300-衬底；400-电极。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1示出了本申请实施例所提供的基于二维材料的异质结器件，该器件包括纳米结构层100和二维材料层200。其中，纳米结构层100包括多个阵列排布的纳米结构101，所述纳米结构101为金属，优选贵金属(例如金)。二维材料层200包括至少一层各向异性二维材料。纳米结构101设置于前述至少一层各向异性二维材料的一侧，使纳米结构层100与二维材料层200形成异质结。将纳米结构层100和二维材料层200的重叠面积与二维材料层200面积的比值称为纳米结构层100的填充率。可选地，纳米结构层100的填充率小于1。填充率与该异质结器件的性能(例如响应度)成正比。
各向异性二维材料是指沿着二维材料面内两个方向原子排布不同的二维材料。当电子的振荡频率与入射光波的频率一致产生振动时，电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强。在本申请实施例提供的基于二维材料的异质结器件中，纳米结构层100用于增加该异质结器件对入射光波(或电磁波)进行相位调制。二维材料层200用作该异质结器件的光敏层。可选地，二维材料层200的材料至少包括黑磷(BP，Black Phosphorus)、硫化锡(SnS，Stannic Sulfide)、二砷化锗(GeAs2，Germanium Diarsenide)、二硒化钯(PdSe2，Palladium Diselenide)、硒化锗(GeSe，Germanium Selenide)或硫化铼(RheniiteSulfide)中的一种或多种形成的异质结。例如，二维材料层200的材料包括前述材料的各向异性二维材料堆叠形成的异质结，如GeAs2/PdSe2异质结等。二维材料的制备方法至少包括化学气相沉积法(CVD，Chemical Vapor Deposition)、氧化还原插层剥离法、水热模板组装法或超声剥离法等。
具体而言，当光线照射本申请实施例提供的基于二维材料的异质结器件时，纳米材料层100通过阵列排布的纳米结构101对入射光的相位进行调制，减少了入射光的反射和透射，从而增加了二维材料层200对入射光的吸收。基于光导效应，当入射光照射到二维材料层200时，二维材料层200吸收光子能量，产生光生载流子，从而增大二维材料导电率。光生载流子是指二维材料中的自由电子和空穴，也可以称为电子空穴对。
在二维材料层200两端连接电极，当处于暗态(无光)条件下，在二维材料层200两端施加一定电压，会有较小的电流在该异质结器件内流动，形成暗电流IDark；当处于光照条件下，偏压使光生电子空穴对分别向二维材料层200的两端的电极漂移，形成光照下的电流IIllumination。由光照引起光导效应产生的电流增量，称为光流Iph，Iph＝IIllumination-IDark。由于偏压的作用，在光生电子空穴对分离并漂移到二维材料层200的过程中，同样存在电子空穴对的复合过程。因此，测量出的有效光电流，是光生电子空穴对分离与复合的动态过程的稳态展现。
由于二维材料层200包括至少一层各向异性二维材料，相比于各向同性二维材料，本申请实施例中采用的二维材料层200使不同偏振方向的光产生的电子空穴对分离并偏移到二维材料层200两端的速度不同，产生的光电流不同，从而使二维材料层200对不同的偏振光有不同的灵敏度。
此外，纳米材料层100中，贵金属材料的纳米结构101阵列排布在二维材料层200的一侧形成等离激元超表面，光波(或电磁波)入射到纳米结构101时会发生表面等离激元效应。表面等离激元效应是指当光波(或电磁波)入射到纳米结构101的表面时，纳米结构101表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成一种沿着纳米结构表面传播的近场电磁波。
当二维材料层200与纳米结构层100形成异质结时，由于纳米结构101表面的电子振荡提高了电子空穴对分离效率，降低了电子与空穴对的复合效率，从而增加了二维材料层200中载流子的寿命，增大了光电流的强度。并且，当对本申请提供的二维材料层200两端施加用于调控的电压时，纳米结构101受入射光照射产生的热电子会加速二维材料层200中捕获的载流子的释放过程，提高响应速度和工作带宽。
在一种可选的实施方式中，纳米结构层100中纳米结构101的形状可以是中心对称图形或轴对称图形。更优选地，如图2至图5所示，纳米结构101的形状包括矩形、圆形、环形或十字形中的一种或多种。进一步地，纳米结构101的周期大于或等于100nm，且小于或等于500nm。更进一步地，纳米结构101的高度大于或等于5nm，且小于或等于30nm。
鉴于上述实施例中提供的基于二维材料的异质结器件具有比传统二维材料器件更优异的光电性能，本申请实施例将其应用于光电探测器，以提高光电探测器的性能。
如图7所示，本申请实施例还提供了一种光电探测器，该光电探测器包括衬底300、电极400和上述任一实施例提供的基于二维材料的异质结器件。其中，前述异质结器件和电极400设置在衬底300表面。电极400和前述异质结器件的二维材料层200的两端连接，并且，电极400与前述异质结器件的纳米材料层100不接触。优选地，前述异质结器件中纳米结构层100的填充率小于1。
电极400用于为二维材料层200施加栅极电压，通过施加栅极电压可以利用光栅压效应对该异质结器件的光电性能进一步调节，从而实现对本申请实施例提供的光电探测器的性能进行调控。衬底300为半导体材料。可选地，衬底300为表面覆盖有绝缘层的半导体衬底。优选地，衬底300为覆盖有二氧化硅绝缘层的硅衬底。
具体地，当施加栅极电压时，半导体材料中存在一些缺陷或者能带工程中存在势阱，其中一种载流子(如空穴或电子)被束缚在材料缺陷态或者势阱中，电子与空穴难以复合，从而导致载流子寿命延长，光电流增大的现象。由于本申请实施例中的二维材料层200具有原子层量级的厚度，材料缺陷和能带工程对该二维材料层200的影响更加明显。
然而，光栅压效应对本申请实施例提供的光电探测器性能的影响具有两面性。一方面，由于载流子中的一种被捕获，自由的载流子在本申请提供的异质结器件中的寿命延长，甚至可以实现多次渡越，使得光电流大幅增加，从而提高该光电探测器的响应度和电流增益。响应度为光照产生的光生电流或光生电压与入射光功率之比，响应度越高，该光电探测器性能越好。另一方面，由于被捕获的载流子释放时间较长，会大幅增加光电探测的响应时间。响应时间可以达到秒级甚至几十秒量级，使得由光栅压效应主导的光电探测器具有较差的响应速度和较窄的工作带宽。
本申请实施例提供的异质结器件可以克服光栅压效应的对光电探测器性能的不利影响。当二维材料层200与纳米结构层100结合时，纳米结构层100除了可以增加二维材料层200对入射光的吸收率。一方面，纳米结构101附近的电子振荡提高了该异质结器件中的电子空穴对分离效率，降低了载流子被捕获的概率，从而延长了载流子的寿命，增大了光电流。另一方面，当施加栅极电压进行调控时，超表面受入射光照射产生的热电子会加速捕获的载流子的释放过程，提高本申请实施例提供的异质结的响应速度和工作带宽。
此外，本申请实施例采用的异质结器件中，二维材料层200包括至少一层各向异性二维材料，以使包括该异质结器件的光电探测器具有优异的偏振灵敏度。即使有的各向同性二维材料与特定的纳米结构层(手性超表面)结合，也能在一定程度上达到偏振敏感，但是这种结构的异质结不能区分出不同偏振态的线偏振光，各向异性程度低且结构复杂。而本申请实施例提供的异质结器件可以通过至少一层各向异性二维材料实现了对不同偏振态的入射光响应度不同，使该异质结器件不再局限于手性排布的超表面。
本申请一种示例的实施方式中，本申请实施例提供了一种光电探测器，图7所示，该光电探测器包括衬底300、电极400和基于二维材料的异质结器件。其中，异质结器件和电极400设置在衬底300表面。电极400和前述异质结器件的二维材料层200的两端相连，并且，电极400与前述异质结器件的纳米材料层100不接触。衬底300为二氧化硅覆盖的硅衬底。
该异质结器件中，二维材料层200为单层的PdSe2，如图6所示，其原子结构排布具有面内各向异性(a轴和b轴原子结构排布不同)。单层PdSe2的带隙为1.3eV，在可见光波段、近红外波段以及中红外波段都具有优异的光电探测性能。该异质结器件中单层PdSe2的一侧具有多个阵列排布的纳米结构101。纳米结构101的为圆柱形。纳米结构101的材料为金(Au)。纳米结构101的半径为20nm，高度为10nm。纳米结构101的周期为100nm。纳米结构周期指的是相邻两个纳米结构的中心的距离。
当本申请实施例提供的光电探测器被中心波长为532nm的激光照射时，响应度可达20AW-1(安/瓦，安培每瓦特)。而相比本申请实施例提供的异质结器件，常规的单层PdSe2的响应度为9.4AW-1。故，本申请实施例提供的光电探测器的入射光的响应度有极大的提高。当对该光电探测器施加栅极电压(0-50V)时，该光电探测器的响应度可以实现20AW-1到50AW-1范围内调谐。
当入射光为线偏振光，且入射光的偏振方向沿着a轴时，该光电探测器的响应度最高。当入射光为线偏振光，且入射光的偏振方向沿着b轴时，该光电探测器的响应度最低。入射光相同时，单层PdSe2的a轴和b轴的各向异性比为1.2，而本申请实施例中二维材料层的各向异性比高达3。
此外，本申请实施例提供的光电探测器还可以区分左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，二向色性比为7。二向色性比是指该光电探测器在两个相互垂直的方向上对偏振光的吸收率的比值。
综上所述，本申请实施例提供的基于二维材料的异质结器件，通过包括至少一层各向异性二维材料的二维材料层与设置于二维材料层一侧的纳米结构层，增加了该异质结器件的响应度，缩短了该异质结器件的响应速度。此外，该异质结器件通过各向异性二维材料，提高了偏振敏感度。
本申请实施例还提供了一种光电探测方法，适用于上述任一实施例提供的光电探测器，该方法包括：
异质结器件中的二维材料层200受入射光照射产生电子空穴对(即光生载流子)。
异质结器件中的纳米结构层100利用等离激元效应提高电子空穴对分离效率。
通过电极400对异质结器件施加栅极电压，利用光栅压效应调节电子空穴对的寿命，从而调节光生电流的大小。
综上所述，本申请实施例提供的光电探测器及方法，通过采用本申请实施例提供的异质结器件提高了响应度，缩短了响应时间，并且在提高了偏振敏感度同时突破了对异质结的结构限制。该光电探测器还通过改变栅极电压实现了响应度在大范围内的调谐。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (20)
1.一种基于二维材料的异质结器件，其特征在于，所述异质结器件包括纳米结构层(100)和二维材料层(200)；
其中，所述纳米结构层(100)包括多个阵列排布的纳米结构(101)，所述纳米结构(101)为金属；
所述二维材料层(200)包括至少一层各向异性二维材料；
所述纳米结构(101)设置于所述至少一层各向异性二维材料的一侧，使所述纳米结构层(100)与所述二维材料层(200)形成异质结。
2.如权利要求1所述的异质结器件，其特征在于，所述纳米结构层(100)的填充率小于1；
其中，所述填充率为所述纳米结构层(100)和所述二维材料层(200)的重叠面积与所述二维材料层(100)面积的比值。
3.如权利要求1所述的异质结器件，其特征在于，所述纳米结构(101)为贵金属材料。
4.如权利要求1-3中任一所述的异质结器件，其特征在于，所述纳米结构层(100)中的纳米结构(101)以多个超结构单元(102)的形式阵列排布；
其中，所述超结构单元(102)的顶点和/或中心位置设有所述纳米结构(101)。
5.如权利要求1所述的异质结器件，其特征在于，所述纳米结构(101)的形状包括中心对称图形或轴对称图形。
6.如权利要求5所述的异质结器件，其特征在于，所述纳米结构(101)的形状包括矩形、圆形、环形或十字形中的一种或多种。
7.如权利要求4所述的异质结器件，其特征在于，所述纳米结构(101)的周期大于或等于100nm，且小于或等于500nm。
8.如权利要求1-3中任一所述的异质结器件，其特征在于，所述纳米结构(101)的高度大于或等于5nm，且小于或等于30nm。
9.如权利要求1-3中任一所述的异质结器件，其特征在于，所述二维材料层(200)的材料包括黑磷、硫化锡、二砷化锗、二硒化钯、硒化锗或硫化铼中的一种或多种。
10.如权利要求9所述的异质结器件，其特征在于，所述二维材料层包括多种各向异性二维材料堆叠形成的异质结。
11.一种光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括衬底(300)、电极(400)和如权利要求1-10中任一所述的基于二维材料的异质结器件；
其中，所述异质结器件和所述电极(400)设置在所述衬底(300)表面；
所述电极(400)和所述异质结器件的二维材料层(200)的两端电连接，并且，所述电极(400)与所述异质结器件的纳米结构层(100)不接触。
12.如权利要求11所述的光电探测器，其特征在于，所述纳米结构层(100)的填充率小于1。
13.如权利要求11所述的光电探测器，其特征在于，所述纳米结构层(100)中纳米结构(101)的材料为金。
14.如权利要求13所述的光电探测器，其特征在于，所述纳米结构(101)的半径为20nm。
15.如权利要求13所述的光电探测器，其特征在于，所述纳米结构(101)的高度为10nm。
16.如权利要求11所述的光电探测器，其特征在于，所述纳米结构(101)的周期为100nm。
17.如权利要求11-16中任一所述的光电探测器，其特征在于，所述异质结器件的二维材料层(200)的各向异性比小于或等于3。
18.如权利要求11-16中任一所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器的二向色性等于7。
19.如权利要求10所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底(300)为表面覆盖有绝缘层的半导体材料。
20.一种光电探测方法，其特征在于，适用于如权利要求11-19中任一所述的光电探测器，所述方法包括：
所述异质结器件中的二维材料层(200)受入射光照射产生电子空穴对；
所述异质结器件中的纳米结构层(100)利用等离激元效应提高所述电子空穴对分离效率；
通过所述电极(400)对所述异质结器件施加栅极电压，利用光栅压效应调节所述电子空穴对的寿命，从而调节光生电流的大小。
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