CN206022376U - 一种石墨烯‑黑磷异质结光电探测器 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯‑黑磷异质结光电探测器，属于光通讯技术领域。本实用新型包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、若干平行布置的黑磷层以及覆盖在各黑磷层上的石墨烯层；各黑磷层中的黑磷与石墨烯层中的石墨烯构成异质结；石墨烯层将黑磷层完全覆盖；石墨烯层边缘上方设置有电极，电极延伸到黑磷层与石墨烯层重叠区域上方。为解决上述技术问题，本实用新型实现了在光通讯波段具有极高的光电转换效率，制备方法简单、成本低，而且重复性好的目的。
Description
技术领域
本发明属于光通讯技术领域。
背景技术
二维黑磷是近年来一种新兴的二维材料，其能带带隙介于零带隙的石墨烯和宽带隙的过渡金属硫化物之间，并且可以通过改变其层数来调节黑磷的能带带隙。与目前已知的其他二维材料不同，黑磷在任意层数下都能保持直接带隙的特征，从而保证黑磷始终存在有效的光电转换能力。此外，二维黑磷还具有高的载流子迁移率，这些特征使得黑磷在可见光到光通信波段光探测方面有望取得应用突破。然而，黑磷极易被空气中的水、氧侵蚀，在空气中的不稳定性成为目前制约其应用的一个重要瓶颈。此外，由于黑磷与金属电极之间较高的接触电阻，极大地限制了黑磷基光电器件的光电转换效率。因而，如何有效地保护黑磷、降低黑磷与金属电极之间的接触势垒是目前二维黒磷基光电器件所面临的主要挑战。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的石墨烯-黑磷异质结光电探测器及其制备方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种在光通讯波段具有极高的光电转换效率，制备方法简单、成本低，而且重复性好的石墨烯-黑磷异质结光电探测器及其制备方法。
一种石墨烯-黑磷异质结光电探测器，包括自下而上依次层叠设置的硅衬底、二氧化硅层、若干平行布置的黑磷层以及覆盖在各黑磷层上的石墨烯层；各黑磷层中的黑磷与石墨烯层中的石墨烯构成异质结；石墨烯层将黑磷层完全覆盖；石墨烯层边缘上方设置有源/漏电极，源/漏电极延伸到黑磷层与石墨烯层重叠区域上方。
比较好的是，本发明硅衬底上朝向二氧化硅层的一侧涂覆有作为源/漏电极的导电层。
比较好的是，本发明的源/漏电极是透明电极，或者是金、钛、铝、铬、钨、镍中单种金属电极或两种或多种金属复合电极。
一种本发明的石墨烯-黑磷异质结光电探测器的方法，包括如下步骤：
第一步：准备并清洗具有SiO2的P型高掺杂硅片；
第二步：将黑磷薄膜通过转移或者原位生长的方法放置于第一步具有SiO2的P型掺杂硅片上；
第三步：将石墨烯贴伏于热解释放带上，使用定向转移将石墨烯覆盖在第二步具有黑磷的硅片上，轻按使石墨烯和黑磷紧密接触，加热并缓慢撕去热解释放带，然后清洗、烘干；
第四步：采用标准光刻工艺，先悬涂光刻胶，随后在光刻机下定位于黑磷-石墨烯异质结，使用光刻掩模版进行曝光，然后显影；
第五步：蒸镀电极材料，随后用有机溶剂剥离光刻胶，形成源/漏电极。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有以下优点：
1、利用石墨烯保护黑磷，可实现在空气中对黑磷的保护，所制备的光电探测器具有很好的稳定性，可长时间暴露在空气中，克服了黑磷在空气中不稳定的关键应用瓶颈；
2、利用石墨烯作为载流子传输层与金属电极直接接触，其接触电阻远远低于黑磷与金属电极直接接触的电阻，因此，可以大大降低器件的接触电阻，提高器件的光电转换效率；
3、利用黑磷与石墨烯形成异质结，完全覆盖黑磷层的石墨烯层与黑磷层构成的异质复合层成为光探测器的光活性材料(photoactive material）层，黑磷可调的窄能带带隙可以在红外光通讯波段实现有效的光吸收，所产生的光生载流子可以在异质结界面有效分离，空穴注入到石墨烯中并被导走，局域在黑磷中的电子引起光栅压效应，从而可以极大的提高在光通迅波段的光响应度；
4、由于黑磷是直接带隙材料，载流子弛豫时间在飞秒级，而石墨烯中的载流子弛豫时间也在飞秒级，两者形成异质结之后，对光的响应速度非常迅速，从而可以实现红外光的高速探测；
5、本发明的异质结光电探测器在光通讯波段具有极高的光电转换效率，制备方法简单、成本低，而且重复性好，结合了石墨烯和黑磷各自的优势，在光通讯领域中具有十分潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明中石墨烯-黑磷异质结光电探测器的器件结构三维示意图。
图2是本发明中石墨烯-黑磷异质结光电探测器的器件结构剖面图。
图3 是本发明中石墨烯-黑磷异质结光电探测器的器件结构上半部分透视图。
图4 是本发明中石墨烯-黑磷异质结能带结构图显示光电探测器工作原理。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明一较佳实施例所述的一种石墨烯-黑磷异质结光电探测器，包括自下而上依次层叠设置的硅衬底1、二氧化硅层2、若干黑磷层3以及覆盖在各黑磷层3上的石墨烯层4；各黑磷层3的面积小于二氧化硅层2的面积，石墨烯层4完全覆盖各黑磷层3以至于黑磷层3中的黑磷无暴露在空气中的部分，石墨烯层4延伸至二氧化硅层2未被各黑磷层3遮挡而暴露的区域；黑磷层3中的黑磷与石墨烯层4中的石墨烯构成异质结；石墨烯层4边缘上方设置有电极5，电极5延伸到黑磷层3与石墨烯层4重叠区域上方。
如图1、图2、图3所示，二氧化硅层2背面的P型掺杂硅背栅能够实现对黑磷的费米能级的调控；二氧化硅层2，作为栅介质，起绝缘和隔离的作用；若干黑磷层3位于二氧化硅层上方，作为光吸收层，黑磷可调的窄能带带隙可以在光通讯波段实现有效的光吸收；石墨烯层4，作为载流子传输层，覆盖在黑磷上方，用来保护黑磷，提高器件的寿命，同时，石墨烯与黑磷形成异质结，用于实现光生载流子的有效分离；金属电极5，用于外加偏压，位于石墨烯的上方，并且直接与石墨烯接触，其接触电阻远远低于黑磷与金属电极直接接触的电阻。
如图4所示，光照下，黑磷内产生的光生载流子可以被异质结有效分离，其中，空穴注入到石墨烯中并被导走，局域在黑磷中的电子引起光栅压效应进一步汇聚更多的空穴在异质结界面处，空穴又再被石墨烯导走，如此多次循环，载流子经由石墨烯传输到两侧的金属电极，被金属电极收集形成光电流。
具体的，两金属电极为镀金的钛电极，镀金可加强钛电极的导电能力，并提高钛电极的稳定性。
本发明中黑磷光吸收层和石墨烯载流子传输层接触后，可产生黑磷-石墨烯异质结，完全覆盖黑磷层的石墨烯层与黑磷层构成的异质复合层成为光探测器的光活性材料(photoactive material）层，从而使光电探测器具有很快的响应速度和稳定性。
本发明的石墨烯-黑磷异质结光电探测器通过如下方法步骤制备：
第一步：准备并清洗具有SiO2的P型高掺杂硅片；
第二步：将黑磷薄膜通过转移或者原位生长的方法放置于第一步具有SiO2的P型掺杂硅片上；
第三步：将石墨烯贴伏于热解释放带上，使用定向转移将石墨烯覆盖在第二步具有黑磷的硅片上，轻按使石墨烯和黑磷紧密接触，放在加热台上50-75℃加热30-60分钟并缓慢撕去热解释放带，然后清洗、烘干；
第四步：采用标准光刻工艺，先悬涂光刻胶，随后在光刻机下定位于黑磷-石墨烯异质结，使用光刻掩模版进行曝光，然后显影；
第五步：蒸镀电极材料，随后用有机溶剂剥离光刻胶，形成源/漏电极。
上述第二步中黑磷通过化学气相沉积生长在SiO2衬底上，或机械剥离、溶液剥离制备后转移或者涂覆的方法将黑磷薄膜预置于SiO2衬底上。
上述第三步中石墨烯的面积大于黑磷的面积，石墨烯完全将黑磷覆盖，黑磷没有暴露在空气中的部分。
上述第三步中用丙酮溶液去除石墨烯薄膜上的聚合物残留物，随后放入乙醇中清洗，并用氮气枪吹干。
通过上述方法制备的石墨烯-黑磷异质结光电探测器在通讯波段1550 纳米近红外光照下测试得到的光电流及响应率。通过半导体参数测试仪分别测试光探测器在1550纳米光照下和无光照下的输出特征曲线，根据器件在光照下、无光照下的输出电流差值得到光电流, 进而测算得到器件的光响应率。石墨烯-黒磷异质结光电探测器的光响应率在较小的光功率（nW级别）下可以达到1200 A/W以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种石墨烯-黑磷异质结光电探测器，其特征在于包括自下而上依次层叠设置的硅衬底（1）、二氧化硅层（2）、若干平行布置的黑磷层（3）以及覆盖在各黑磷层（3）上的石墨烯层（4）；各黑磷层（3）中的黑磷与石墨烯层（4）中的石墨烯构成异质结；石墨烯层（4）将黑磷层（3）完全覆盖；石墨烯层边缘上方设置有源/漏电极（5），源/漏电极（5）延伸到黑磷层与石墨烯层重叠区域上方。
2.根据权利要求1所述的石墨烯-黑磷异质结光电探测器，其特征在于上述硅衬底（1）上朝向二氧化硅层（2）的一侧涂覆有作为源/漏电极（5）的导电层。
3.根据权利要求1所述的石墨烯-黑磷异质结光电探测器，其特征在于上述源/漏电极（5）是透明电极，或者是金、钛、铝、铬、钨、镍中单种金属电极或两种或多种金属复合电极。
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| CN109742178A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-05-10 | 西安工业大学 | 一种透红外的高灵敏可见光探测器及其制备方法 |
| CN113921667A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-01-11 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 中红外发光器件、制备方法、发光组件及发光设备 |
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