CN118099262A - 一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明的一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器及其应用，包括本征低阻硅衬底、二氧化硅层、硒化铋层和镍硒化钽层，其中部分硒化铋层在垂直方向与镍硒化钽层接触，部分镍硒化钽层垂直交叠在硒化铋层上，形成范德华异质结结构，范德华异质结构的两侧是源、漏金属电极，金属电极的材质是铬和金，最后，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路。本发明的一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器及其应用，在室温下覆盖了可见光近红外及中波红外区域的实际光电转换探测并且实现了稳定安全的光通信应用。

Description

一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器及其应用

技术领域

本发明属于半导体电子器件领域，具体涉及一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器及其应用。

背景技术

由于微型光敏器件在遥感、目标识别、气体传感、成像、自由空间光通信和其它重要领域的广泛应用，对微型光敏器件的需求，特别是对宽带室温工作的光电探测器的需求，已经引起了研究人员的极大兴趣。目前，最先进的商用红外光探测器主要由传统的窄带隙半导体（包括铟镓砷、锑化铟和碲镉汞）组成，主要工作在短波到长波红外光谱波段。然而，这些光电探测器不仅生产成本高昂，加工工艺复杂，而且还需要低温冷却以降低热噪声，既耗时又耗能。近年以来，石墨烯的革命性剥离和广泛应用引发了对低维范德华材料的研究热潮。石墨烯是一种具有零带隙的半金属二维材料，但由于暗电流较大，其光响应有限。对于有望用于非制冷中长波红外光电探测的窄带隙过渡金属二卤化物，如二硫化钼、硅碲化铌和二硒化钯等，其制成的光电探测器本身具有暗电流大、性能有限的特点，无法满足下一代光电导和光电器件的多功能要求。

高灵敏度、快响应速度、宽带响应和高响应率是优良的光电探测器所必备的特性，而这些特性在单个二维材料中很少能同时满足。范德华异质结为同时满足上述要求提供了另一个平台。利用二维层状材料具有无悬挂键的独特性质，可以通过组合多个维度来制造范德华异质结构，从而产生超越单独材料的各种特性。结区产生的内置电场可用于抑制暗电流和分离光生电子-空穴对，从而实现快速光电转换。于是，研究人员设计各种范德华异质结构来实现优异的光电性能。对于石墨烯/二碲化钼结构，其通过层间电荷转移和热载流子注入拓展了响应波长，但是，由于石墨烯的半金属特性导致了较大的暗电流；对于二碲化钼/二硫化钼结构，存在的PN结能有效降低暗电流，但是结区耗尽区存在过高的复合致使响应率难以提升；对于氮化硼/石墨烯/氮化硼结构，可在零偏压下工作减小散粒噪声和热噪声，但是光热电单一的工作机制使得较高的光响应率和快速的响应速度难以共存；对于黑砷磷/二硫化钼结构，窄带隙实现宽光谱，但是囊括长波红外宽光谱的高吸收范德华异质结构需进一步探索。

因此，如何利用不同二维材料优异特性的同时，消除自身存在的暗电流大、响应谱窄、迁移率低等缺点，促进不同材料间的光生载流子分离和输运，优化探测器性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种室温宽带高性能光电探测和通信的异质结探测器，其特征在于：包括本征低阻硅衬底、二氧化硅层、硒化铋层和镍硒化钽层，其中部分硒化铋层在垂直方向与镍硒化钽层接触，部分镍硒化钽层垂直交叠在硒化铋层上，形成范德华异质结结构，范德华异质结构的两侧是源、漏金属电极，金属电极的材质是铬和金，最后，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案： 所述本征低阻硅衬底电阻率为0.001~0.005 Ω·cm，厚度为500 μm；覆盖其上的二氧化硅层厚度为100 nm。

作为本发明的优选技术方案：所述硒化铋层为二维层状半导体材料硒化铋纳米片，厚度89 nm，所述镍硒化钽层为二维层状半导体材料镍硒化钽纳米片材料，厚度为48nm。

作为本发明的优选技术方案：所述的源、漏电极为金属复合电极，下层金属为铬，作为粘附层，厚度是5 nm，上层金属为金，作为导电层，厚度是50 nm，源、漏电极整体大小为50 μm×50 μm；相应的引线电极厚度为200~400 nm。

本发明的第二个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器的应用。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

所述室温宽带高性能光电探测和通信的探测器在0.1V源、漏偏置电压下，实现了从520 nm-1650 nm的可见光到近红外响应。

本发明的第三个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器的应用。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

所述室温宽带高性能光电探测和通信的异质结探测器在室温下实现中波红外光高灵敏度探测。

本发明的第四个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器的应用。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

用于红外通信系统，激光器经过光路聚焦，输入控制信号使机械快门实现数据流传输，所述的室温宽带高性能光电探测和通信的异质结探测器作为信号接收器进行目标数据流传输，将光信号转换为电信号，由前置放大器、锁相放大器以及示波器收集读取信号，最终在电脑端译码实现信息传输。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器及其应用，利用镍硒化钽具有高载流子迁移率和出色的室温长波红外探测性能，硒化铋则具有拓扑绝缘体特性，结合镍硒化钽和硒化铋纳米片的理想带隙和优异光电特性，通过能带排列构建范德华异质结光电探测器，其二维半导体之间的II型能带排列可促进亚能带隙光子在通信波段的层间激发和跃迁，并且该探测器在室温下覆盖了可见光近红外及中波红外区域的实际光电转换探测，二维半导体之间的II型能带排列可促进亚能带隙光子在通信波段的层间激发和跃迁，实现了稳定安全的光通信应用。

本发明的一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器及其应用，在室温下覆盖了可见光近红外及中波红外区域的实际光电转换探测并且实现了稳定安全的光通信应用，在环境监测、医疗诊断、航天探测、军事侦察和光通信等领域极具应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种室温宽带高性能光电探测异质结探测器前侧示意图；

图2为本发明异质结区域的原子力显微镜形貌及其沿白色虚线测量的相应厚度；

图3为本发明异质结光电探测器在不同温度下的电阻变化图；

图4为本发明异质结光电探测器在638 nm下的伏安特性曲线图；

图5为本发明的范德华异质结在材料接触后的能带排列示意图；

图6为本发明的范德华异质结在施加正向源、漏偏置电压下的能带排列示意图；

图7为本发明异质结光电探测器在0.1 V源、漏偏置电压下，对可见光近红外520nm、638 nm、940 nm、1064 nm、1310 nm、1550 nm和1650 nm的响应波形图；

图8为本发明异质结光电探测器在0.1 V源、漏偏置电压下，对可见光近红外520nm、638 nm、940 nm、1064 nm、1310 nm、1550 nm和1650 nm的响应率图；

图9为本发明异质结光电探测器在4.65 μm的稳定响应波形图以及相应的二维光电流分布图；

图10为本发明使用异质结光电探测器作为信号接收器进行目标数据流传输的红外通信系统示意图；

图11为本发明控制机械快门以调制激光的输入信号图，以及异质结光电探测器接收到的光电流受调制后对“HIAS”进行解码的结果图；

附图中，低阻硅层1，二氧化硅层2，硒化铋纳米片3，钽镍硒纳米片4，源、漏铬电极5，源、漏金电极6，引线电极7。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

如图1和图10所示，本发明的一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器及其应用，器件制备步骤是由机械剥离的不同纳米片通过干法转移垂直堆叠到低阻硅衬底上，然后利用激光直写套刻技术和电子束蒸发技术制备源、漏电极，通过引线键合等工艺制备出室温宽带高性能探测的异质结光电探测器。并且使用该异质结光电探测器作为信号接收器搭建红外通信系统实现信息传输。本发明的优点是通过能带排列构建范德华异质结光电探测器，结合镍硒化钽和硒化铋纳米片的理想带隙和优异光电特性。其中，二维半导体之间的II型能带排列可促进亚能带隙光子在通信波段的层间激发和跃迁。并且该探测器在室温下覆盖了可见光近红外及中波红外区域的实际光电转换探测并且实现了稳定安全的光通信应用。这些结果表明，异质结光电探测器通过能带合理排列在光电高效转换过程中实现室温宽带探测能力，在视频成像、光通信、光学显示、环境监测、生物传感等民用和军事应用领域存在潜在的应用价值。

本发明的一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器，在本征低阻硅衬底1上是二氧化硅层2，在二氧化硅层2上是由二维层状半导体材料硒化铋层3和镍硒化钽层4垂直交叠组成的范德华异质结结构，在异质结结构两端是源、漏金属电极，源、漏金属电极分别硒化铋层3和镍硒化钽层4接触，金属电极的材质是铬和金，最后，源、漏电极与相应的引线电极7相连用于连接外部测试电路。

所述的本征低阻硅衬底1，其电阻率为0.001~0.005 Ω·cm，厚度为500 μm；覆盖其上的是二氧化硅层2，厚度为100 nm；

所述的硒化铋层3和镍硒化钽层4为半导体纳米片材料，厚度分别为89 nm和48nm；

所述的源、漏电极为金属复合电极，源、漏电极整体大小为5 μm×50 μm。下层金属铬电极5，作为粘附层，厚度是5 nm，上层为金属金电极6，作为导电层，厚度是50 nm；相应的引线电极7，厚度为200~400 nm。

具体制备和测试流程如下：

步骤1 首先使用丙酮、异丙醇、无水乙醇和去离子水将覆盖二氧化硅的4英寸低阻硅衬底进行表面超声清洗，通过精密切割技术将衬底切成0.5 cm×0.5 cm的样品；

步骤2 通过转移平台微区定位方法，使用蓝胶胶带分别将沉积生长的硒化铋和镍硒化钽块状材料进行机械剥离出较薄的半导体薄片，利用干法转移技术先将硒化铋转移到上述衬底上，再定点把镍硒化钽转移到硒化铋材料上部分垂直堆叠形成范德华异质结，进行编号定位标记；

步骤3 转移所得到的异质结样品，利用拉曼光谱和荧光光谱对异质结的物理特性进行了表征。利用原子力显微镜、扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱对异质结样品的微观形貌进行表征；

步骤4 将上述衬底置于匀胶机上旋涂正性光刻胶AR-P 5350，转速为3500 r/min旋涂60 s，再使用热板以105℃加热1 min，使光刻胶均匀附着在上述衬底和异质结结构上；

步骤5 通过激光直写在与范德华异质结两端接触处进行套刻实现电极图案化，以定义出源极区和漏极区，再利用电子束蒸镀沉积金属，经过传统剥离工艺的丙酮去除光刻胶，得到源漏金属电极，形成良好的欧姆接触；

步骤6 采用标准的半导体封装技术，把器件贴到PCB底座上，通过引线键合机引线，简单封装完成复合结构的探测器件的制备；

步骤7 将封装后的器件放置在探针台上，通过半导体特性分析仪、CCD成像系统和不同激光器测试其光电特性，再把器件组装在红外通信系统中作为信号接收器进行光通信传输应用。

实现本发明的技术方案，其创新优点体现在：

1、采用垂直堆叠的范德华异质结，结合不同材料独特的光电特性，构建异质结界面上的II型能带排列，为产生层间光激发提供了机会。在这种新型器件中，由于导带最小值和价带最大值属于两个具有不同的功函数的独立原子层，因此可以调整层间跃迁能，引起电荷空间分离，在载流子高效分离和传输的过程中实现理想的光电探测。

2、通过能带工程调控，在室温下使得器件的响应范围覆盖可见光到中波红外，区别于其它制冷型的中波红外探测器，并且有着相当稳定快速的光响应。还在1064 nm处实现高达0.48安/瓦的响应率探测。表明我们的异质结光电探测器具有比单独材料的光电探测器实现更宽响应范围和更大响应率的探测价值。

3、由于低传输损耗和掺铒光纤放大器的增益光谱重叠，1550 nm是光电探测器用于光数据传输和处理的首选。于是我们利用异质结光探测器在1550 nm波段的稳定光响应特性，搭建了一个用机械快门控制数据传输的光通信系统，实现对于“HIAS”数据流的快速稳定传输和译码。利用近红外光波进行通信传输的技术具有穿透力强、抗干扰能力强等特点，适用于无线数据传输、室内定位导航等应用。得益于探测器具有集成度高、工艺简单及稳定性高等优点，使这些技术的应用可以提高数据传输速率，满足现代社会对高效通信的需求。

实施例1

覆盖氧化硅的硅衬底的厚度300 μm；硒化铋和镍硒化钽半导体纳米片材料的厚度分别约为89 nm和48 nm；电极整体尺寸为：长50 μm，宽5 μm，沟道长度为4 μm；源、漏复合电极整体厚度为55 nm；相应的引线电极厚度200~400 nm，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接电路。首先我们在可见光近红外及中波红外520 nm、638 nm、940 nm、1064 nm、1310 nm、1550 nm、1650 nm和4.65 μm的波长范围下测试了器件的光电响应。图1和图2分别为异质结光电探测器结构前侧示意图和对应的原子力显微镜表征图。图3表明异质结光电探测器随温度升高电阻值逐步下降。图4为室温下测试的伏安特性曲线，良好的线性关系表明我们的探测器实现了非常好的欧姆接触，并且光响应随着光功率增大有显著的变化。图5和图6异质结接触前后的能带示意图表明其是II型能带排列，这种排列方式有利于光激发条件下电子空穴的有效界面转移和空间分离。在光照和施加正向偏置源漏电压下，结区抑制电子空穴对的复合，实现载流子快速传输，从而得到显著的光电流。结果说明本发明提供的异质结可以在室温下实现高效的电荷分离和传输，对提高光电转换效率和光催化性能具有重要意义。

实施例2

覆盖氧化硅的硅衬底的厚度300 μm；硒化铋和镍硒化钽半导体纳米片材料的厚度分别约为89 nm和48 nm；电极整体尺寸为：长50 μm，宽5 μm，沟道长度为4 μm；源、漏复合电极整体厚度为55 nm；相应的引线电极厚度200~400 nm，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接电路。图7和图8清楚的展示了探测器在0.1 V源、漏偏置电压下，实现了从520 nm-1650 nm的可见光近红外响应。这表示本发明的探测器可以用于各种应用，如光谱分析、远程感测、通信等。根据对应的光电流计算得到，随着入射光功率改变，响应率维持一个稳定的状态，还在1064 nm处实现0.48安/瓦的高响应率。此外，图9的稳定快速中波红外光响应在室温下实现，区别于市面的制冷型中波红外探测器。并且通过4.65 μm激光扫描二维光敏面，光电流响应区域明显出现在异质结交叠处。这一性能使本发明的探测器与需要冷却系统的常规中波红外探测器有所区别，为红外探测技术带来了新的可能性，尤其是在不需要低温冷却的情况下实现高灵敏度探测，这对于军事、医疗、环境监测等领域都有着重要的意义。总之，我们的异质结光电探测器实现了可见光到中波红外范围内的宽谱高灵敏探测。

实施例3

覆盖氧化硅的硅衬底的厚度300 μm；硒化铋和镍硒化钽半导体纳米片材料的厚度分别约为89 nm和48 nm；电极整体尺寸为：长50 μm，宽5 μm，沟道长度为4 μm；源、漏复合电极整体厚度为55 nm；相应的引线电极厚度200~400 nm，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接电路。图10所示为使用异质结光电探测器作为信号接收器进行目标数据流传输的红外通信系统示意图，激光器经过光路聚焦，输入控制信号使机械快门实现数据流传输，封装器件将光信号转换为电信号，由前置放大器、锁相放大器以及示波器收集读取信号，最终在电脑端译码实现信息传输。图11清晰地展示了输出信号曲线的形状与输入信号几乎相同，并且在ASCII译码后得到“HIAS”传输信号。结果说明本发明提供的异质结光电探测器可应用于红外通信系统的光电信号探测和转换。

探测器结构中的各种参数在一定范围内变化，本发明涉及一种室温宽带高性能光电探测和通信的异质结探测器及其制备方法，器件制备步骤是由机械剥离的不同纳米片通过干法转移垂直堆叠到低阻硅衬底上，然后利用激光直写套刻技术和电子束蒸发技术制备源、漏电极，通过引线键合等工艺制备出室温宽带高性能探测的异质结光电探测器。本发明的优点是通过能带排列构建范德华异质结光电探测器，结合镍硒化钽和硒化铋纳米片的理想带隙和优异光电特性。其中，二维半导体之间的II型能带排列可促进亚能带隙光子在通信波段的层间激发和跃迁。并且该探测器在室温下覆盖了可见光近红外及中波红外区域的实际光电转换探测并且实现了稳定安全的光通信应用。这些结果表明，异质结光电探测器通过能带合理排列在光电高效转换过程中实现室温宽带探测能力，在视频成像、光通信、光学显示、环境监测、生物传感等民用和军事应用领域存在潜在的应用价值。 上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种室温宽带高性能光电探测和通信的探测器，其特征在于：包括本征低阻硅衬底、二氧化硅层、硒化铋层和镍硒化钽层，其中部分硒化铋层在垂直方向与镍硒化钽层接触，部分镍硒化钽层垂直交叠在硒化铋层上，形成范德华异质结结构，范德华异质结构的两侧是源、漏金属电极，源、漏金属电极与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路。

2. 如权利要求1所述的室温宽带高性能光电探测和通信的探测器，其特征在于：所述本征低阻硅衬底电阻率为0.001~0.005 Ω·cm，厚度为500 μm；覆盖其上的二氧化硅层厚度为100 nm。

3. 如权利要求1所述的室温宽带高性能光电探测和通信的探测器，其特征在于：所述硒化铋层为二维层状半导体材料硒化铋纳米片，厚度89nm；所述镍硒化钽层为二维层状半导体材料镍硒化钽纳米片，厚度为48 nm。

4. 如权利要求1所述的室温宽带高性能光电探测和通信的探测器，其特征在于：所述的源、漏金属电极为金属复合电极，下层为铬电极，作为粘附层，厚度是5nm，上层为金电极，作为导电层，厚度是50 nm，源、漏金属电极整体大小为50 μm×50 μm；相应的引线电极厚度为200~400 nm。

5. 选用权利要求1-4任一权利要求所述的室温宽带高性能光电探测和通信的探测器的应用，其特征在于：所述室温宽带高性能光电探测和通信的异质结探测器在0.1 V源、漏偏置电压下，实现了从520 nm-1650 nm的可见光到近红外响应。

6.选用权利要求1-4任一权利要求所述的室温宽带高性能光电探测和通信的探测器的应用，其特征在于：在室温下实现中波红外光高灵敏度探测。

7.选用权利要求1-4任一权利要求所述的室温宽带高性能光电探测和通信的探测器的应用，其特征在于：用于红外通信系统，激光器经过光路聚焦，输入控制信号使机械快门实现数据流传输，所述的室温宽带高性能光电探测和通信的异质结探测器作为信号接收器进行目标数据流传输，将光信号转换为电信号，由前置放大器、锁相放大器以及示波器收集读取信号，最终在电脑端译码实现信息传输。