CN220272482U - 一种铊镍硒非对称结构光电探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种铊镍硒非对称结构光电探测器，所述探测器自下而上设置有：电绝缘基底、铊镍硒纳米片和源、漏电极，铊镍硒纳米片上端的两侧是源、漏电极层，铊镍硒纳米片作为光敏元件，源、漏电极层与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路，铊镍硒纳米片的一侧上端设置石墨烯层，石墨烯层与铊镍硒纳米片通过片层间范德华力粘合。本实用新型的一种铊镍硒非对称结构光电探测器是基于铊镍硒纳米片和石墨烯打破对称镜像电流的光电探测器，具有高响应率、可见到中波红外的宽谱光电探测、空气稳定性高、集成度高、工艺成熟及可重复等优点。

Description

一种铊镍硒非对称结构光电探测器

技术领域

本实用新型涉及一种光电探测器，具体是指一种铊镍硒非对称结构光电探测器。

背景技术

现有技术中，已有的各种半导体光电探测器件，由于受到自身半导体带隙宽度的限制，只能用于单波段的光电探测，一般存在响应范围比较窄的问题和不足，如紫外光波段、可见光波段、近红外波段和中红外波段，使器件的适用范围减小。近年来，具有宽谱带响应的光电探测器件的研制受到了国内外众多研究人员的广泛关注，主要原因为：通过对不同波段光的响应分析及对比，可以有效避免外在条件的信号干扰，大幅提高器件光信号传播和接收的准确性。

随着光电探测器应用范围的逐步扩大，对高性能光电探测器的需求，特别是对覆盖多波段响应的超宽带光电探测器的需求日益增加。迄今为止，基于硅、碲镉汞和铟镓砷等材料的光电探测器在实际应用中占据了主要市场。然而，这些化合物具有毒性，合成难度大，且受低温的工作温度的限制。并且这些传统半导体与衬底之间的晶格不匹配问题进一步阻碍了它们在便携、可集成和柔性器件中的应用。

近年来，具有片层结构的二维半导体材料已成为传统半导体材料的替代品或补充。基于二维材料的光电探测器因其原子级薄的厚度、连续可调谐的带隙、优异的力学性能和光电性能得到了迅速的发展。自从石墨烯被发现以来，越来越多的二维材料例如二硫化钼、过渡金属二卤化物、黑磷等被广泛地应用于光电探测，由于其显著的电学、光学和热性能优势，在光电器件、光催化、能源和其他领域方面具有广泛的应用前景，引起了人们密切的关注。二维层状材料可以在整个电磁光谱中设计柔性光电纳米器件，已广泛应用于光电探测器，在性能、响应率等方面有了很大的突破。然而，基于二维材料的探测器具有带隙大、光吸收弱、载流子寿命短等问题，因此迫切需要高响应、稳定、窄带隙的超宽带光活性材料，以实现广泛的宽带、低功耗和高性能探测器。

铊镍硒是近年来备受关注的三元硫属化合物之一，但其研究却出奇的少。铊镍硒是一种由弱范德华相互作用叠加而成的层状化合物，在体态下表现出0.36eV窄带隙的直接带隙结构。不同于过渡金属二卤族化合物，当扩展到单层时，铊镍硒不会经历从直接带隙结构到间接带隙结构的转变，保持了直接带隙特性。这一特性使铊镍硒具有高的载流子密度和良好的光吸收效率，是一种有前途的电子和光电子器件的候选材料。然而，薄层的二维材料表现出非常低效的光子捕获，这阻碍了高性能光电器件的应用，特别是难以实现高响应和低能耗的器件。

实用新型内容

为解决现有技术的问题，本实用新型的目的是提供一种具有宽频光电响应的半金属铊镍硒材料复合结构的探测器件。

为此，本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种铊镍硒非对称结构光电探测器，其特征在于：所述探测器自下而上设置有：电绝缘基底、铊镍硒纳米片和源、漏电极，铊镍硒纳米片上端的两侧是源、漏电极层，铊镍硒纳米片作为光敏元件，源、漏电极层与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路，铊镍硒纳米片的一侧上端设置石墨烯层，石墨烯层与铊镍硒纳米片通过片层间范德华力粘合；

所述电绝缘基底包括本征高阻硅衬底及其上覆盖的二氧化硅层，所述本征高阻硅衬底的电阻率为10000Ω·cm，厚度为300μm；所述二氧化硅层覆盖在本征高阻硅衬底上，厚度为300nm，

所述的铊镍硒纳米片为机械剥离的单分子层，厚度为10nm，

所述的源、漏电极为金属复合电极，下层金属为铬以作为粘附层，厚度是5nm，上层金属为金，厚度是70nm，

所述引线电极厚度为200～400nm。

在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本实用新型的优选技术方案：所述的源、漏电极整体大小为220μm×140μm。

作为本实用新型的优选技术方案：所述石墨烯层厚度为2nm。

与现有技术相比，本实用新型所提供的一种铊镍硒非对称结构光电探测器，利用载流子迁移率高且能带可调的铊镍硒材料作为光敏导电沟道，当铊镍硒薄片缩小到单分子层时不会发生从直接带隙结构到间接带隙结构的转变，保持了0.36eV的直接带隙特性，利用金属与铊镍硒纳米片接触处的显著光伏效应，通过一组铊镍硒-石墨烯范德华接触和金属-铊镍硒肖特基接触组成的非对称性接触器件，打破了对称器件的金属-铊镍硒之间内建电场的镜像对称性，使得器件镜像电流无法相互抵消而对外产生了大的净光电流，实现了室温下器件的高响应光电探测，实现了势垒的非对称，大的电势差进一步增加净的光电流，提高了器件的性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例2铊镍硒非对称结构光电探测器的前侧示意图；

图2为本实用新型实施例2铊镍硒铊镍硒非对称结构光电探测器在1V偏置电压下，对可见光638nm,近红外1550nm和中波红外4600nm的响应波形图；

图3为本实用新型铊镍硒非对称结构光电探测器在没有任何偏置电压下，在可见光638nm激光扫描二维光敏面时所产生的非对称性光电流分布图；

图4为本实用新型铊镍硒非对称性结构光电探测器近红外1550nm的响应率图；

附图中，二氧化硅层1，铊镍硒纳米片2，本征高阻硅衬底3，源、漏铬电极4，源、漏金电极5，引线电极6，石墨烯层7。

具体实施方式：

以下结合附图及实施例，对本实用新型的具体实施方式进行详述，以便实用新型技术方案易于理解、掌握。

参见图1-图3所示，本实用新型的一种铊镍硒非对称结构光电探测器，在本征高阻硅衬底3上是二氧化硅层2，在二氧化硅层2上是铊镍硒纳米片1，在铊镍硒纳米片1两端是金属源、漏电极，金属源、漏电极包括源、漏铬电极4和源、漏金电极5，最后，源、漏电极与相应的引线电极6相连用于连接电路。

所述本征高阻硅衬底3是本征高阻硅，其电阻率为10000Ω·cm，厚度为300μm；覆盖其上的是二氧化硅层2，厚度为300nm；

所述的铊镍硒纳米片1为薄层材料，厚度为10nm；

所述的源、漏电极为金属复合电极，整体大小为220μm×140μm，下层金属为源、漏铬电极4，作为粘附层，厚度是5nm，上层金属为源、漏金电极5，厚度是70nm；相应的引线电极6，厚度为200～400nm；

本实用新型的一种铊镍硒非对称结构光电探测器，是一种具有宽频光电响应的半金属铊镍硒材料复合结构的探测器件，制备方法包括如下步骤，将机械剥离的具有高迁移率的铊镍硒纳米片为基本结构单元转移到硅和二氧化硅衬底上，然后利用紫外光刻技术和电子束蒸发技术制作源、漏电极，通过超声引线等工艺制备出高灵敏超宽带探测的铊镍硒光电探测器。并且一组具有铊镍硒-石墨烯范德华接触与金属-铊镍硒肖特基接触组成非对称结构的探测器来打破器件的镜像电流。本实用新型的铊镍硒非对称结构光电探测器利用铊镍硒纳米片的光电探测器具有高响应率、可见到中波红外光电探测、空气稳定性、集成度高、工艺成熟及可重复性等优点，在通信、光电子等领域具备应用前景，为实现室温下宽带且多功能性的光电探测研究奠定器件与理论基础。

具体制备和测试流程如下：

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

步骤2通过转移平台微区定位方法，使用蓝胶胶带将沉积生长的铊镍硒纳米片进行机械剥离，利用干法转移技术转移到上述衬底上，进行编号定位标记；

步骤3转移所得到的铊镍硒纳米片，利用拉曼光谱对铊镍硒的物理特性进行了表征。利用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDS)对铊镍硒样品微观形貌进行表征。

步骤4使用热板烘烤以及匀胶机匀胶涂覆，使光刻胶AZ5214均匀附着在上述衬底和铊镍硒材料上；

步骤5结合使用紫外光刻、电子束蒸发法及传统剥离工艺制备与铊镍硒接触的源、漏电极；

步骤6最后，采用标准的半导体封装技术，把器件贴到PCB底座上，引线，简单封装完成制备集成的复合结构的探测器件。

本实用新型的一种铊镍硒非对称结构光电探测器，复合结构可以缓解薄层二维材料的缺点，由高载流子迁移率的石墨烯和表面态为金属态的拓扑绝缘体铊镍硒搭建的复合结构，具有制备简单、势垒非对称和光电流大等优点。

实施例1

如图1-图4所示，本实用新型的铊镍硒非对称结构光电探测器，覆盖氧化硅的硅衬底的厚度为300μm；铊镍硒纳米片的厚度约为10nm，石墨烯层厚度为2nm,电极整体尺寸为：长220μm，宽140μm，沟道长度为6μm；源、漏复合电极厚度为75nm，相应的引线电极厚度200～400nm，源、漏电极与相应的引线电极相连用于连接电路。图2展示了偏置电压为1V时测量的铊镍硒非对称结构光电探测器的波形图，结果说明本实用新型提供的铊镍硒非对称太赫兹光电探测器可以实现可见光到中波红外范围内的宽谱高灵敏探测。

如图3所示是实施例1的非对称性设计结构探测器件在0V偏置电压下，在可见光638nm激光扫描二维光敏面时所产生的光电流分布图呈现着非对称性，光响应电流更靠近于一边金属与铊镍硒材料接触区域；石墨烯层的介入让探测器具有非对称性接触，打破了相互抵消的镜像光电流，极大地提高了净光响应电流。

如图4所示，本实用新型通过实施例1的探测器件在近红外1550nm的响应率大小，可以看出从铊镍硒非对称结构光电探测器，器件响应率有了数量级的提升，本实用新型提供的通过非对称结构产生定向电场来增大响应电流，来提高器件的探测能力的方法是合理的、有效的。

本实用新型的一种铊镍硒非对称结构光电探测器，器件中的光电流、响应率等各种参数在一定范围内变化，利用载流子迁移率高且能带可调的铊镍硒材料作为光敏导电沟道，实现在室温下实现从可见光到中波红外的快速宽波段探测，通过引入石墨烯层，进一步构建了具有铊镍硒-石墨烯范德华接触与金属-铊镍硒肖特基接触的非对称结构的探测器来打破器件的镜像电流，打破了相互抵消的镜像光电流，极大地提高了净光响应电流。本实用新型的优点是基于铊镍硒纳米片的光电探测器，具有高响应率、可见到中波红外的宽带光电探测、空气稳定性高、集成度高、工艺成熟及可重复性等优点。本实用新型中的铊镍硒非对称结构光电探测器在电子和光电子领域具有潜在的应用前景，为实现室温下高灵敏且多功能性的光电探测研究奠定器件与理论基础。

Claims (3)

1.一种铊镍硒非对称结构光电探测器，其特征在于：所述探测器自下而上设置有：电绝缘基底、铊镍硒纳米片和源、漏电极，铊镍硒纳米片上端的两侧是源、漏电极层，铊镍硒纳米片作为光敏元件，源、漏电极层与相应的引线电极相连用于连接外部测试电路，铊镍硒纳米片的一侧上端设置石墨烯层，石墨烯层与铊镍硒纳米片通过片层间范德华力粘合；

所述电绝缘基底包括本征高阻硅衬底及其上覆盖的二氧化硅层，所述本征高阻硅衬底的电阻率为10000Ω·cm，厚度为300μm；所述二氧化硅层覆盖在本征高阻硅衬底上，厚度为300nm，

所述的铊镍硒纳米片为机械剥离的单分子层，厚度为10nm，

所述的源、漏电极为金属复合电极，下层金属为铬以作为粘附层，厚度是5nm，上层金属为金，厚度是70nm，

所述引线电极厚度为200～400nm。

2.如权利要求1所述的铊镍硒非对称结构光电探测器，其特征在于：所述的源、漏电极整体大小为220μm×140μm。

3.如权利要求1所述的铊镍硒非对称结构光电探测器，其特征在于：所述石墨烯层厚度为2nm。