CN114388650B - 一种基于拓扑半金属异质结的光电探测器及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拓扑半金属异质结的光电探测器及其探测方法，本发明的光电探测器是由第II类狄拉克半金属二碲化铂(或二碲化钯)与第II类外尔半金属钽铱碲这两种零带隙材料组成的异质结光电探测器，因此探测光谱范围广，能覆盖可见光到中远红外波段；本发明的光电探测器对红外光非常敏感，暗电流非常小，在无偏压和偏压条件下均能正常工作；本发明的光电探测器对线偏振光方向敏感，可以用于线偏振探测；本发明的光电探测器对圆偏振光旋向敏感，可以用于圆偏振光探测；本发明光电探测器能够在室温下正常工作，无需制冷设备，因此大大降低了运行成本，这些优势将有助于本探测器的大范围应用和商业化推广。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种基于拓扑半金属异质结的光电探测器及其探测方法，异质结由第II类狄拉克半金属二碲化铂(或二碲化钯)与第II类外尔半金属钽铱碲组成。
背景技术
光电探测器是一种非常重要的传感器，与人们的日常生活息息相关，在生产生活的多个领域发挥着重要的作用，在光学成像、生物医学成像、通信、军事、卫星遥感等方面得到了广泛应用。光电探测器能够将光信号转换为电信号，而这个转换的过程是由光敏材料实现的，所以高质量的光敏材料是决定光电探测器性能的关键。传统的光电探测器主要以Si基、Ge基、InGaAs、HgCdTe等无机半导体材料作为光敏材料，但这些材料存在很多的不足。Si基、Ge基等材料由于带隙的限制，不能对红外波段的光进行探测。InGaAs、HgCdTe作为传统的红外光电探测器光敏材料也存在很多局限性，基于InGaAs和HgCdTe的光电探测器的制造过程复杂且造价昂贵，且需要较低的工作温度来降低暗电流，因此需要制冷设备，成本昂贵。因此，迫切需要低成本、高性能的光电探测器新材料。
自2005年以来，拓扑量子材料体系快速发展起来。至今已经包括拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等若干分支。拓扑半金属是拓扑量子材料的其中一类，从半导体能带理论的角度来说，材料能带结构中导带和价带接触或者交叠是拓扑半金属的基本属性。根据不同费米子类型，拓扑半金属大致可以分为第I类狄拉克半金属、第II类狄拉克半金属、第I类外尔半金属、第II类外尔半金属等类型。如果导带和价带交于某些孤立的点，并表现出无质量狄拉克费米子行为，即为狄拉克半金属。当狄拉克半金属时间或空间反演对称性破缺，则相应的狄拉克费米子“分裂”为两个手性相反的外尔费米子，从而转变为外尔半金属。第II类狄拉克/外尔费米子与第I类的区别主要在于其能带结构拥有沿着特定动量空间严重倾斜的线性色散狄拉克锥特征。由于拓扑半金属材料所具有超高的载流子迁移率、极宽的光谱吸收范围等特性，使其有望用于开发高性能的红外波段的宽光谱光电探测器。然而，由于拓扑半金属内部具有超高的电荷迁移率及较低的电阻态，因此较小的外部偏压下也会引起显著的暗电流，从而限制了器件的性能，而构建由拓扑半金属组成的异质结光电探测器可有效提升光电探测器性能，给光电探测器带来了新的发展机遇。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于拓扑半金属异质结的光电探测器及其探测方法。
本发明的一个目的在于提出一种基于拓扑半金属异质结的光电探测器。
本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的异质结是由第II类狄拉克半金属二碲化钯(或二碲化钯)与第II类外尔半金属钽铱碲组成的。
本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的结构包括：
硅基底、二氧化硅层、二碲化铂(或二碲化钯)纳米片、钽铱碲纳米片、氮化硼纳米片、第一金属电极和第二金属电极；在硅基底的表面覆盖有二氧化硅层，在二氧化硅层上设置二碲化铂(或二碲化钯)纳米片；在二碲化铂(或二碲化钯)纳米片的上面设置钽铱碲纳米片使得上下两层纳米片的一部分接触形成异质结；在异质结上面覆盖一层氮化硼纳米片，在二碲化铂(或二碲化钯)纳米片的上面设置第一金属电极，在钽铱碲纳米片上面设置第二金属电极；第一和第二金属电极分别连接至外部的测试电路。
本发明所述硅基底为N型掺杂，二氧化硅层的作用是作为绝缘层，二碲化铂(或二碲化钯)纳米片与钽铱碲纳米片组成异质结。氮化硼纳米片起保护作用，防止异质结部分的材料发生氧化或者被污染。金属电极由底层的铬(或钛)和上层的金组成，铬(或钛)为过渡金属层，金为导电金属层，过渡金属层的作用是作为过渡层和实现晶格适配，能够使导电金属层更牢固的粘在二氧化硅绝缘层的表面上。
本发明的另一个目的在于提供一种基于拓扑半金属异质结的光电探测器的探测方法。
本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的探测方法的外部测试电路包括：
光学斩波器、前置放大器、锁相放大器、数据采集设备(DAQ)、计算机。光学斩波器的作用是将连续光调制成为有固定频率的光，同时输出具有调制频率的波形作为锁相放大器的参考信号。前置放大器的作用是对光电流进行初步放大，然后锁相放大器基于光学斩波器的调制频率对经过前置放大器放大的光电流进行进一步地放大。经锁相放大器放大后的光电流经过数据采集设备的输入口传输到计算机中进行数据存储和处理。数据采集设备的输出口可对光电探测器施加偏压。
本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的探测方法的测试步骤包括：
1)将制备完成的光电探测器的第一和第二金属电极分别连接至外部的测试电路；
2)将激光器发出的激光先通过光学斩波器调制为固定频率的光，使调制后的激光通过一个偏振片以确保激光的线偏振度，最后通过物镜将激光聚焦照射到光电探测器上；
3)通过位移台调整光电探测器的位置，使入射光辐照到二碲化铂(或二碲化钯)纳米片与钽铱碲纳米片交叠形成异质结的区域进行光电流测试。在二碲化铂(或二碲化钯)纳米片与钽铱碲纳米片的接触界面，由于二碲化铂(或二碲化钯)纳米片和钽铱碲纳米片的功函数不同，为了保证体系费米能级一致性，会在界面处发生载流子的重新分布；在二碲化铂(或二碲化钯)纳米片与钽铱碲纳米片之间形成内建电场，方向指向钽铱碲纳米片；内建电场的作用使得异质结界面附近的能带发生弯曲；当光照射在异质结上时，激发出光生电子空穴对，内建电场将光生电子空穴对有效地分离，从而产生光生电流；
4)通过电动位移台移动光电探测器的位置，使激光照射到器件的不同位置，测得器件不同位置的光响应，从而得到器件的光电流扫描图；
5)将入射光辐照到二碲化铂(或二碲化钯)纳米片与钽铱碲纳米片形成的异质结区域，测量时在聚焦透镜前放置一个半波片用于改变入射光的线偏振方向，从而检测器件对不同线偏振角度激发光的响应。由于钽铱碲为各向异性的晶体结构，具有各向异性的光学及电学性质；当不同偏振方向的偏振光垂直入射到钽铱碲纳米片的表面，产生的光生电流的大小也不同；
6)将入射光辐照到二碲化铂(或二碲化钯)纳米片与钽铱碲纳米片的异质结区域，测量时在聚焦透镜前放置一个1/4波片用于将线偏振光转变为圆偏振光，转动1/4波片从而检测器件对不同旋向的圆偏振激发光的响应。由于钽铱碲存在两个手性相反的外尔费米子，手性外尔费米子在倾斜的各向异性外尔锥和体带之间的选择性光学跃迁过程中，相对能带速度发生巨大变化会引起圆偏光电效应(CPGE)，所以左旋圆偏振光与右旋圆偏振光入射到钽铱碲纳米片表面，产生的光电流大小也不相同；
7)通过外部的测试电路检测光电流大小，从而得到光强度的信息以及光的线偏振信息和圆偏振信息。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明采用二碲化铂(或二碲化钯)纳米片与钽铱碲纳米片形成的异质结作为光敏元件，两者均为零带隙材料，探测光谱范围广，能覆盖从可见光到中远红外波段的光谱范围；本发明的光电探测器以异质结为光敏元件因此暗电流非常小，在无偏压和偏压条件下均能正常工作；本探测器对线偏振光方向敏感，可以用于线偏振探测；本探测器对圆偏振光旋向敏感，可以用于圆偏振光探测；本发明光电探测器能够在室温下正常工作，因此本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器不需要提供低温环境，在室温下即可使用，大大降低了操作的成本，这些将非常有助于探测器的应用和商业化。
附图说明
图1为本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的一个实施例的示意图。
图2为本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的一个实施例的光学图像。
图3为本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的测试方法的外接测试电路的一个实施例的结构框图。
图4为根据本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的一个实施例检测到的暗电流与偏压的依赖关系的示意图。
图5为根据本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的一个实施例在4微米激光辐照下检测到的光电流与偏压的依赖关系的示意图。
图6为根据本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的一个实施例检测到的在不同波长(633纳米、1.55微米、4微米、8微米)的光照射下的光电流扫描图。
图7为根据本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的一个实施例在4微米激光辐照下检测到的线偏振光的光电流的示意图。
图8为根据本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的一个实施例在4微米激光辐照下检测到的圆偏振光的光电流的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例基于拓扑半金属异质结的光电探测器的结构包括：硅基底1、二氧化硅绝缘层2、第二金属电极3、第一金属电极4、二碲化铂(或二碲化钯)纳米片5、氮化硼纳米片6、钽铱碲纳米片7；第一和第二金属电极分别连接至外部的测试电路A。
在本实施例中，二氧化硅绝缘层的厚度为285nm，二碲化铂或二碲化钯纳米片的厚度为100nm～200nm，钽铱碲纳米片的厚度小于100nm。氮化硼纳米片的厚度小于50nm，其作用是防止异质结部分的材料发生氧化。第一金属电极由底层10nm厚的铬(或钛)和上层100nm～300nm厚的金组成，铬为过渡金属层，金为导电金属层。
本实施例基于拓扑半金属异质结的光电探测器的制备过程包括：如图2所示，为本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器的一个实施例的光学图像；制备过程中，首先通过机械剥离的方法从块状材料中剥离出合适厚度的纳米片，先通过干转移方法将二碲化铂(或二碲化钯)纳米片转移到含有二氧化硅绝缘层的硅基底上，然后将钽铱碲纳米片堆叠在二碲化铂(或二碲化钯)纳米片上方与其部分重合形成异质结；在异质结部分的上方覆盖氮化硼纳米片；转移完成后在器件上均匀覆盖一层聚合物PMMA，使用电子束曝光技术刻蚀出电极的形状；最后使用蒸镀技术制备金属电极。
本实施例基于拓扑半金属异质结的光电探测器的探测方法的外部测试电路包括：如图3所示，包括光学斩波器、前置放大器、锁相放大器、数据采集设备(DAQ)、计算机。数据采集设备的输出口可以输出电压，用于对光电探测器施加偏压。光学斩波器将连续光调制成为有固定频率的光，同时输出具有调制频率的波形作为锁相放大器的参考信号。前置放大器的作用是对光电流进行初步放大。初步放大后的光电流经进入锁相放大器进行进一步放大，最后经锁相放大器放大后的光电流经过数据采集设备的输入口传输到计算机中进行数据存储和处理。
图4示出了根据本实施例基于拓扑半金属异质结的光电探测器检测到的暗电流与偏压的依赖关系的示意图。由图4可以看出，本探测器的IV曲线表现出典型的PN结特性，且在±1V的偏压下，暗电流非常小。
图5示出了根据本实施例基于拓扑半金属异质结的光电探测器在4微米(功率700微瓦)激光辐照下检测到的光电流随偏压的变化情况的示意图。
图6示出了根据本实施例基于拓扑半金属异质结的光电探测器在不同波长的入射光照射下进行光探测的光电流扫描图。如图6所示，四种入射光的波长分别为633纳米(功率350微瓦)、1.55微米(功率350微瓦)、4微米(功率700微瓦)和8微米(功率500微瓦)。可以看出本光电探测器对四种波长的入射光均有响应。
图7示出了根据本实施例基于拓扑半金属异质结的光电探测器对4微米(功率700微瓦)线偏振光探测的光电流图。如图7所示，当对激光光束的偏振角度进行360度旋转时，可清晰观测到电流响应强度呈现明显的周期性变化，说明本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器适合探测不同方向的偏振光，这一特性可以应用于探测偏振光的偏振方向。
图8示出了根据本实施例基于拓扑半金属异质结的光电探测器对4微米(功率700微瓦)圆偏振光探测的光电流图。如图8a所示，当对激光光束经过的1/4波片进行360度旋转时，可清晰观测到电流响应强度呈现明显的周期性变化，在45度和225度时为左旋偏振光，在135度和315度时为右旋偏振光，可以观察到光响应对左旋和右旋偏振光的响应强度有明显不同；图8b展示了图8a的圆偏振光电流数据的傅里叶变换，从图中可以得出光电流中与各向异性和圆偏光电效应(CPGE)有关的分量。说明本发明基于拓扑半金属异质结的光电探测器可以应用于探测圆偏振光的旋向。
Claims (4)
1.一种基于拓扑半金属异质结的光电探测器，其特征在于具有如下结构：探测器自下至上分别为硅基底、二氧化硅绝缘层、二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片、钽铱碲纳米片、氮化硼纳米片、第一金属电极和第二金属电极；第一和第二金属电极分别连接至外部的测试电路；其中硅基底为N型或P型掺杂，二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片与钽铱碲纳米片组成异质结；氮化硼纳米片起保护作用，防止异质结部分的材料发生氧化或者被污染；金属电极由底层的铬或钛和上层的金组成，铬或钛为过渡金属层，金为导电金属层，过渡金属层的作用是作为过渡层和实现晶格适配，能够使导电金属层更牢固的粘在二氧化硅绝缘层的表面上。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑半金属异质结的光电探测器，其特征在于包括以下制作步骤：制备过程中，首先通过机械剥离的方法从块状材料中剥离出合适厚度的纳米片，先通过干转移方法将二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片转移到含有二氧化硅绝缘层的硅基底上，然后将钽铱碲纳米片堆叠在二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片上方与其部分重合形成异质结；在异质结部分的上方覆盖氮化硼纳米片；转移完成后在器件上均匀覆盖一层聚合物PMMA，使用电子束曝光技术刻蚀出电极的形状；最后使用蒸镀技术制备金属电极。
3.一种根据权利要求1所述的基于拓扑半金属异质结的光电探测器的探测方法，其特征在于具有如下外部测试电路：光学斩波器、前置放大器、锁相放大器、数据采集设备、计算机；光学斩波器的作用是将连续光调制成为有固定频率的光，同时输出具有调制频率的波形作为锁相放大器的参考信号；前置放大器的作用是对光电流进行初步放大，然后锁相放大器基于光学斩波器的调制频率对经过前置放大器放大的光电流进行进一步地放大；经锁相放大器放大后的光电流经过数据采集设备的输入口传输到计算机中进行数据存储和处理；数据采集设备的输出口可对光电探测器施加偏压。
4.根据权利要求3所述的基于拓扑半金属异质结的光电探测器的探测方法，其特征在于具有如下测试步骤：
1)将制备完成的光电探测器的第一和第二金属电极分别连接至外部的测试电路；
2)将激光器发出的激光先通过光学斩波器调制为固定频率的光，使调制后的激光通过一个偏振片以确保激光的线偏振度，最后通过物镜将激光聚焦照射到光电探测器上；
3)通过位移台调整光电探测器的位置，使入射光辐照到二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片与钽铱碲纳米片交叠形成异质结的区域进行光电流测试；在二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片与钽铱碲纳米片的接触界面，由于二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片和钽铱碲纳米片的功函数不同，为了保证体系费米能级一致性，会在界面处发生载流子的重新分布；在二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片与钽铱碲纳米片之间形成内建电场，方向指向钽铱碲纳米片；内建电场的作用使得异质结界面附近的能带发生弯曲；当光照射在异质结上时，激发出光生电子空穴对，内建电场将光生电子空穴对有效地分离，从而产生光生电流；
4)通过电动位移台移动光电探测器的位置，使激光照射到器件的不同位置，测得器件不同位置的光响应，从而得到器件的光电流扫描图；
5)将入射光辐照到二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片与钽铱碲纳米片形成的异质结区域，测量时在聚焦透镜前放置一个半波片用于改变入射光的线偏振方向，从而检测器件对不同线偏振角度激发光的响应；由于钽铱碲为各向异性的晶体结构，具有各向异性的光学及电学性质；当不同偏振方向的偏振光垂直入射到钽铱碲纳米片的表面，产生的光生电流的大小也不同；
6)将入射光辐照到二碲化铂纳米片或二碲化钯纳米片与钽铱碲纳米片的异质结区域，测量时在聚焦透镜前放置一个1/4波片用于将线偏振光转变为圆偏振光，转动1/4波片从而检测器件对不同旋向的圆偏振激发光的响应；由于钽铱碲存在两个手性相反的外尔费米子，手性外尔费米子在倾斜的各向异性外尔锥和体带之间的选择性光学跃迁过程中，相对能带速度发生巨大变化会引起圆偏光电效应，所以左旋圆偏振光与右旋圆偏振光入射到钽铱碲纳米片表面，产生的光电流大小也不相同；
7)通过外部的测试电路检测光电流大小，从而得到光强度的信息以及光的线偏振信息和圆偏振信息。
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