TW202119607A - 光電探測器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供光電探測器，包括半導體元件、第一電極、第二電極及電流探測元件。該半導體元件包括：半導體層、第一奈米碳管、以及第二奈米碳管。該半導體層包括層疊的n型半導體層和p型半導體層。該半導體層定義第一表面及第二表面；該第一奈米碳管設置在第一表面；該第二奈米碳管設置在第二表面。該第一奈米碳管的延伸方向與第二奈米碳管的延伸方向交叉，在該第一奈米碳管以及第二奈米碳管的交叉點處，該第一奈米碳管、半導體層及第二奈米碳管的重疊區域形成一多層結構，該第一電極與第一奈米碳管電連接，該第二電極與第二奈米碳管電連接。

Description

光電探測器
本發明涉及一種光電探測器。
光電探測器是一種探測光能的器件。一般光電探測器的工作原理是基於光電效應，基於材料吸收了光輻射能量後改變了它的電學性能，從而可以探測出光的存在以及光能的大小。半導體器件被越來越多的應用到光電探測器中。
然而，受技術水準的限制，先前的光電探測器只能在單一的一種模式下工作，影響了其應用範圍。
有鑑於此，確有必要提供一種奈米尺寸的光電探測器，而且該光電探測器可以在三種不同的模式下工作。
一種光電探測器，其包括一半導體元件、一第一電極、一第二電極及一電流探測元件，所述半導體元件、第一電極、第二電極、電流探測元件相互電連接形成一回路結構，該半導體元件包括： 一半導體層，該半導體層包括一n型半導體層和一p型半導體層，且該n型半導體層和p型半導體層層疊設置，該半導體層定義一第一表面以及與該第一表面相對設置的第二表面； 一第一奈米碳管，該第一奈米碳管設置在半導體層的第一表面，並與第一表面直接接觸，該第一奈米碳管與所述第一電極電連接；以及 一第二奈米碳管，該第二奈米碳管設置在半導體層的第二表面，並與該第二表面直接接觸，該第二奈米碳管與所述第二電極電連接，所述第一奈米碳管的延伸方向與第二奈米碳管的延伸方向交叉設置，在所述第一奈米碳管以及第二奈米碳管的交叉點處，在垂直於所述半導體層的方向上，所述第一奈米碳管、半導體層以及第二奈米碳管的重疊區域形成一多層結構。
相較於先前技術，本發明提供的光電探測器中，所述半導體元件僅通過交叉設置的兩個單根的奈米碳管夾持一二維半導體層形成，兩個單根的奈米碳管作為電極使用，由於奈米碳管作為電極時的電場遮罩弱，且垂直點p-n結構洩漏電流較低，而且奈米碳管和異質結中奈米材料的摻雜可以容易被電場調控，在電場調製下奈米碳管和p-n結中材料的摻雜狀態發生變化，因此，通過調控電勢，所述半導體元件中的異質結可以在p-n結和n-n結之間變換，進而使得所述光電探測器可以實現三種不同工作模式下切換，這在未來的奈米電子學和奈米光電學中將意義重大。
下面將結合附圖及具體實施例對本發明的光電探測器作進一步的詳細說明。
請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種光電探測器10。所述光電探測器10包括一半導體元件100、一第一電極202、一第二電極204及一電流探測元件212。所述半導體元件100、第一電極202、第二電極204、電流探測元件212相互電連接形成一回路結構。
所述半導體元件100包括一第一奈米碳管102，一半導體層104，以及一第二奈米碳管106。所述半導體層104夾持在所述第一奈米碳管102和第二奈米碳管106之間。該半導體層104定義一第一表面（圖未標）以及與該第一表面相對設置的第二表面（圖未標）。該第一奈米碳管102貼合在半導體層104的第一表面，並與第一表面直接接觸。該第二奈米碳管106貼合在半導體層104的第二表面，並與該第二表面直接接觸。所述半導體層104包括一n型半導體層1042和一p型半導體層1044，該n型半導體層1042和p型半導體層1044均為二維材料，該n型半導體層1042和p型半導體層1044層疊設置形成所述半導體層104。所述二維材料是指電子僅可在兩個維度的奈米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，如奈米薄膜、超晶格、量子阱等。所述第一奈米碳管102的延伸方向與第二奈米碳管106的延伸方向交叉設置。
所述第一奈米碳管102為金屬型奈米碳管。該第一奈米碳管102可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管。第一奈米碳管102的直徑不限，可以為0.5奈米~100奈米，在某些實施例中，第一奈米碳管102的直徑可以為0.5奈米~10奈米。優選地，第一奈米碳管102為單壁奈米碳管，其直徑為0.5奈米~2奈米。本實施例中，所述第一奈米碳管102的直徑為1奈米。本實施例中，所述第一奈米碳管102為一內殼奈米碳管，該內殼奈米碳管是指雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管剝去外殼后形成的單壁奈米碳管。所述內殼奈米碳管可以從一超長雙壁奈米碳管或超長多壁奈米碳管中拉取得到，該超長雙壁奈米碳管或超長多壁奈米碳管是指雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管的長度在150微米以上。優選的，超長雙壁奈米碳管或超長多壁奈米碳管的長度為150微米-300微米。具體的，在超長雙壁奈米碳管或超長多壁奈米碳管的兩端拉伸該超長雙壁奈米碳管或超長多壁奈米碳管，使超長雙壁奈米碳管或超長多壁奈米碳管的外壁均斷裂，使該超長雙壁奈米碳管或超長多壁奈米碳管的中間部分僅剩下最內層的單壁奈米碳管，即內殼奈米碳管。該內層奈米碳管具有乾淨的表面，表面沒有雜質，因此所述第一奈米碳管102能夠與所述半導體層104很好的接觸。當然，所述第一奈米碳管102並不限定為本實施例中的內殼奈米碳管，也可以為其它的單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管。所述半導體層104的第一表面僅設置一根第一奈米碳管102。
所述半導體層104中的n型半導體層1042和p型半導體層1044層疊設置，並在垂直於該半導體層104的方向上形成一p-n結。所述半導體層104為一厚度為奈米尺寸的二維層狀結構。當半導體層104的厚度太大時，所述半導體結構100的電流調製效應會受到限制。優選的，所述半導體層104的厚度為1奈米~200奈米。所述n型半導體層1042的厚度優選為0.5奈米到100奈米。所述p型半導體層1044的厚度優選為0.5奈米到100奈米。更優選的，所述n型半導體層1042的厚度為0.5奈米到50奈米。所述p型半導體層1044的厚度為0.5奈米到50奈米。本實施例中，所述n型半導體層1042與所述第一奈米碳管102直接接觸，所述p型半導體層1044與所述第二奈米碳管106直接接觸。可以理解，在其它一些實施例中，也可以所述n型半導體層1042與所述第二奈米碳管106直接接觸，所述p型半導體層1044與所述第一奈米碳管102直接接觸。所述p型半導體層1044或n型半導體層1042的材料不限，可以為無機化合物半導體、元素半導體、有機半導體材料或這些材料摻雜後的材料。本實施例中，所述n型半導體層1042的材料為硫化鉬（MoS2 ），其厚度為16奈米；所述p型半導體層1044的材料為硒化鎢（WSe2 ），其厚度為14奈米。在另外一實施例中，所述n型半導體層1042的材料為硫化鉬（MoS2 ），其厚度為7.6奈米；所述p型半導體層1044的材料為硒化鎢（WSe2 ），其厚度為76奈米。
所述第二奈米碳管106為金屬型奈米碳管。該第二奈米碳管106可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管。第二奈米碳管106的直徑不限，可以為0.5奈米~100奈米，在某些實施例中，第二奈米碳管106的直徑可以為0.5奈米~10奈米。優選地，第二奈米碳管106為單壁奈米碳管，其直徑為0.5奈米~2奈米。本實施例中，所述第二奈米碳管106的直徑為1奈米。本實施例中，所述第二奈米碳管106也為一內殼奈米碳管。該內殼奈米碳管具有乾淨的表面，表面沒有雜質，因此所述第二奈米碳管106能夠與所述半導體層104很好的接觸。當然，所述第二奈米碳管106並不限定為本實施例中的內殼奈米碳管，也可以為其它的單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管。所述第二奈米碳管106與第一奈米碳管102的直徑可以相同也可以不同。所述半導體層104的第二表面僅設置一根第二奈米碳管106。
所述第一奈米碳管102的延伸方向與第二奈米碳管106的延伸方向交叉設置是指第一奈米碳管102的延伸方向與第二奈米碳管106的延伸方向之間形成一夾角，該夾角大於0度小於等於90度。本實施例中，所述第一奈米碳管102的延伸方向和第二奈米碳管108的延伸方向相互垂直，即夾角為90度。
請參閱圖2，在所述第一奈米碳管102以及第二奈米碳管106的交叉點處，在垂直於所述半導體層104的方向上，所述第一奈米碳管102、半導體層104以及第二奈米碳管106的重疊區域形成一多層結構108。所述多層結構108定義一橫向截面以及一縱向截面，所述橫向截面即平行於半導體層104表面的方向的截面，所述縱向截面即垂直於半導體層104的表面的方向的截面。由於第一奈米碳管102以及第二奈米碳管106相對於半導體層104的尺寸較小，且半導體層104的表面僅設置一根第一奈米碳管102和一根第二奈米碳管106，所述橫向截面的面積由第一奈米碳管102或第二奈米碳管106的直徑決定，由於第一奈米碳管102和第二奈米碳管106的直徑均為奈米級，所以該多層結構108的橫向截面的面積也為奈米級。所述縱向截面的面積由第一奈米碳管或第二奈米碳管的直徑以及半導體層104的厚度決定。由於第一奈米碳管和第二奈米碳管的直徑均為奈米級，而且半導體層104的厚度也為奈米級，所以該多層結構108的縱向截面的面積也均是奈米級。優選地，該多層結構108的橫向截面的面積為1nm2 ~100nm2 。該半導體層104的重疊區域處形成一個豎直方向的點狀p-n異質結，該p-n異質結為凡得瓦異質結。
所述光電探測器10在應用時，第一奈米碳管102和第二奈米碳管106可以看作設置在半導體層104的兩個相對表面上的電極，當光照射在半導體層104的表面時，由半導體元件100、第一電極202、第二電極204、電流探測元件212組成的回路中產生電流，電流的流動路徑為穿過多層結構108的橫截面，所述半導體元件100的有效部分為多層結構108。所述半導體元件100的整體尺寸只需確保大於多層結構108的體積即可，因此，半導體元件100可以具有較小的尺寸，只需確保其包括多層結構108。所述半導體元件100可以為一奈米級的半導體元件。故，採用該半導體元件100的光電探測器10也可以具有較小的尺寸。該光電探測器10具有較低的能耗、奈米級的尺寸以及更高的集成度。
所述第一電極202和第二電極204均由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。所述第一電極202和第二電極204也可以均為一層導電薄膜，該導電薄膜的厚度可以為2奈米-100微米。本實施例中，所述第一電極202、第二電極204為金屬Au和Ti得到的金屬複合結構，具體地，所述金屬複合結是由一層金屬Au和一層金屬Ti組成，Au設置在Ti的表面。所述金屬Ti的厚度為5奈米，金屬Au的厚度為60奈米。本實施例中，所述第一電極202與所述第一奈米碳管102電連接，設置於第一奈米碳管102的一端並貼合於第一奈米碳管102的表面；所述第二電極204與所述第二奈米碳管106電連接，設置於第二奈米碳管106的一端並貼合於第二奈米碳管106的表面。
所述光電探測器10可以對光進行定性定量探測。所述光電探測器10的定性探測光的工作原理為：當沒有光照射到光電探測器10上，第一奈米碳管102、半導體層104及第二奈米碳管106之間沒有導通，回路中不會有電流通過，電流探測元件212中探測不到電流；當光照射到光電探測器10上時，半導體層104中產生光生載流子，第一奈米碳管102和第二奈米碳管106之間形成的內建電場將光生電子空穴對分開，這樣就形成了光生電流，即迴路中產生電流，電流探測元件212中探測到電流。即，通過回路中是否有電流產生來探測光源。
所述光電探測器10的定量探測光的工作原理為：打開電源，用已知的、不同強度的光依次照射探測點，讀出電流探測元件212中探測到的電流值，一個強度的光對應一個電流值，並將不同強度的光對應的不同的電流值作相應的曲線圖，即可標識出不同強度的光對應形成電流的標準曲線。當採用未知強度的光照射探測點時，根據電流探測元件212中探測到的電流值，即可從該標準曲線上讀出光的強度值。
所述半導體元件100僅通過交叉設置的兩個單根的奈米碳管夾持一含有豎直p-n結的二維半導體層形成，兩個單根的奈米碳管作為電極使用，由於奈米碳管作為電極時的電場遮罩弱，而且奈米碳管和異質結中奈米材料的摻雜可以容易的被電場調控，在電場調製下奈米碳管和p-n結中材料的摻雜狀態會發生變化，因此，所述光電探測器10可以實現在電場調製下，使半導體層104中形成的異質結在p-n結和n-n結之間切換，進而使得該光電探測器10可以在三種不同模式下工作。因此，在實際應用時，只需要調節電場就可以以多種模式對光進行探測，實現不同性能，而不需要更換光電探測器，這是先前的光電探測器是不能實現的。例如，先前的光電感測器不能同時實現高解析度和高回應度的檢測，需要更換不同的光電探測器分別進行高解析度的檢測和高回應度的檢測。而本發明的光電探測器10僅通過調節電場就能切換不同工作模式，實現高解析度的檢測和高回應度的檢測，不需要更換光電探測器。
請參閱圖3和4，本發明第二實施例提供一種光電探測器20。本實施例中的光電探測器20與第一實施例中的光電探測器10相比，進一步包括一第三電極206及一絕緣層208，其他結構與光電探測器10相同。該半導體元件100與該第一電極202和第二電極204電連接，該第三電極206通過一絕緣層208與該半導體元件100、第一電極202及第二電極204絕緣設置。所述半導體元件100的具體結構與第一實施例提供的半導體元件100相同，在此不再重複做詳述。
所述光電探測器20中，所述第三電極206為一層狀結構，絕緣層208設置於第三電極206的表面，所述第一電極202、第二電極204、以及半導體元件100設置於絕緣層208上，並由第三電極206和絕緣層208支撐。本實施例中，所述第二奈米碳管106直接設置在絕緣層208遠離第三電極206的表面，第二奈米碳管106靠近第三電極206，第一奈米碳管102遠離第三電極210，第一奈米碳管102不會在半導體層104和第三電極206之間產生遮罩效應，因此，半導體器件200在應用時，第三電極206可以控制半導體層100，進而使得所述光電探測器20的光電性能具有可控性。
所述絕緣層208的材料為絕緣材料，例如：氮化矽、氧化矽等硬性材料或苯並環丁烯(BCB)、聚酯或丙烯酸樹脂等柔性材料。該絕緣層208的厚度為2奈米~100微米。本實施例中，所述絕緣層208的材料為氧化矽，絕緣層的厚度為50奈米。
所述第三電極206由導電材料組成，該導電材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等。該金屬材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、鈀或任意組合的合金。
本發明第二實施例所提供的光電探測器20，進一步包括一第三電極206作為半導體元件100的控制電極，所述第三電極206可以看作光電探測器20的柵極。
所述光電探測器20可進一步包括一基底210，所述第三電極206、絕緣層208、以及半導體元件100依次層疊設置於所述基底210的表面。所述基底210主要起支撐作用，所述基底210的材料為不吸光的材料。本實施例中，所述基底210的材料為矽。可以理解，所述基底210為一可選擇元件。
圖5為當光強度為0.236µW，源漏極電壓為0V，柵極電壓分別在10V、-10V、0V時，該光電探測器20的掃描光電流所對應的顯微鏡照片a、b、c。由圖a可以看出，當柵極電壓為10V時，該光電探測器20的掃描光電流表現為分隔號模式，當柵極電壓為0V時，該光電探測器20的掃描光電流表現為橫線模式，當柵極電壓為-10V時，該光電探測器20的掃描光電流表現為點模式。由此說明，所述光電探測器20可以通過調控柵極電壓實現三種工作模式的切換。
圖6分別為當柵極電壓為-10V時，所述MoS2 層的厚度為7.6nm，WSe2 的厚度為76nm的光電探測器，以及所述MoS2 層的厚度為16nm，WSe2 的厚度為14nm的光電探測器的光回應性能圖。由所述光回應性能圖可以看出，該光電探測器20的光回應度較大，尤其MoS2 層的厚度為7.6nm，WSe2 的厚度為76nm的光電探測器的光回應度可以達到216mA/W，遠遠高於現有的光電探測器。而且當柵極電壓為-10V時，該光電探測器20的外部量子效率可以達到41.7%。因此，該光電探測器具有巨大的潛力。
本發明提供的光電探測器具有以下優點：第一，所述半導體元件僅通過交叉設置的兩個單根的奈米碳管夾持一含有豎直p-n結的二維半導體層形成，兩個單根的奈米碳管作為電極使用，由於奈米碳管作為電極時的電場遮罩弱，且垂直點p-n結構洩漏電流較低，而且奈米碳管和異質結中奈米材料的摻雜可以容易被電場調控，在電場調製下奈米碳管和p-n結中材料的摻雜狀態發生變化，因此，通過調控電勢，所述半導體元件中的異質結可以在p-n結和n-n結之間變換，進而使得所述光電探測器可以實現三種不同工作模式下切換。第二，該光電探測器中的半導體元件通過交叉設置的兩個單根的奈米碳管夾持二維半導體層形成，由於兩個單根奈米碳管的直徑為奈米級，在兩個單根奈米碳管的交叉點處，該兩個交叉的單根奈米碳管和半導體層的重疊區域處可以形成一奈米尺寸的垂直點p-n異質結，所述半導體元件的整體尺寸只需確保大於該重疊區域的體積即可，因此，半導體元件的尺寸可以為奈米級。故，採用該半導體元件的光電探測器也可以具有較小的奈米尺寸，這在未來的奈米電子學和奈米光電學中將意義重大。第三，本發明中的半導體元件的電極僅為兩根單根的奈米碳管，相對於一般傳統電極，奈米碳管對光的吸收或反射可以忽略不計，因此將該半導體元件用於光電探測器會對光電探測的效率提升由很大的作用。第四，該半導體元件的內置電勢比較大，因此本發明的光電探測器在光電檢測器功耗和零偏置信噪比方面表現出色。第五，該光電探測器中的半導體元件中的垂直點p-n異質結是不同類型的半導體層垂直堆疊形成的，與橫向p-n異質結相比擴散距離更短，洩漏電流更低，具有更高的光誘導的載流子提取效率。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10；20:光電探測器 100:半導體元件 102:第一奈米碳管 104:半導體層 1042:n型半導體層 1044:p型半導體層 106:第二奈米碳管 108:多層結構 202:第一電極 204:第二電極 206:第三電極 208:絕緣層 212:電流探測元件 210:基底
圖1為本發明第一實施例提供的光電探測器的整體結構示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的光電探測器中的半導體元件的側視示意圖。
圖3為本發明第二實施例提供的光電探測器的整體結構示意圖。
圖4為本發明第一實施例提供的光電探測器中的側視示意圖。
圖5為本發明第二實施例提供的光電探測器在不同柵極電壓下的掃描光電流顯微鏡照片。
圖6為本發明第二實施例提供的光電探測器光電探測器的光回應性能圖。
無
10:光電探測器
100:半導體元件
102:第一奈米碳管
104:半導體層
1042:n型半導體層
1044:p型半導體層
106:第二奈米碳管
108:多層結構
202:第一電極
204:第二電極
206:第三電極
208:絕緣層
212:電流探測元件

Claims (10)

  1. 一種光電探測器，其包括一半導體元件、一第一電極、一第二電極及一電流探測元件，所述半導體元件、第一電極、第二電極、電流探測元件相互電連接形成一回路結構，其改良在於，該半導體元件包括： 一半導體層，該半導體層包括一n型半導體層和一p型半導體層，且該n型半導體層和p型半導體層層疊設置，該半導體層定義一第一表面以及與該第一表面相對設置的第二表面； 一第一奈米碳管，該第一奈米碳管設置在半導體層的第一表面，並與第一表面直接接觸，該第一奈米碳管與所述第一電極電連接；以及 一第二奈米碳管，該第二奈米碳管設置在半導體層的第二表面，並與該第二表面直接接觸，所述第二奈米碳管與第二電極電連接，所述第一奈米碳管的延伸方向与第二奈米碳管的延伸方向交叉设置，在所述第一奈米碳管以及第二奈米碳管的交叉點處，在垂直於所述半導體層的方向上，所述第一奈米碳管、半導體層以及第二奈米碳管的重疊區域形成一多層結構。
  2. 如請求項1所述之光電探測器，其中，所述第一奈米碳管的延伸方向垂直於所述第二奈米碳管的延伸方向。
  3. 如請求項1所述之光電探測器，其中，所述第一奈米碳管和第二奈米碳管均為內殼奈米碳管。
  4. 如請求項1所述之光電探測器，其中，所述第一奈米碳管和第二奈米碳管均為金屬型的單壁奈米碳管。
  5. 如請求項1所述之光電探測器，其中，所述n型半導體層的厚度為0.5奈米到50奈米，所述p型半導體層的厚度為0.5奈米到50奈米。
  6. 如請求項1所述之光電探測器，其中，所述n型半導體層的材料為硫化鉬，所述p型半導體層的材料為硒化鎢。
  7. 如請求項1所述之光電探測器，其中，該多層結構的橫向截面的面積為1平方奈米~100平方奈米。
  8. 如請求項1所述之光電探測器，其中，進一步包括一第三電極及一絕緣層，所述半導體元件與該第一電極和第二電極電連接，該第三電極通過所述絕緣層與該半導體元件、第一電極及第二電極絕緣設置。
  9. 如請求項8所述之光電探測器，其中，所述第三電極為一層狀結構，所述絕緣層設置於第三電極的表面，所述第二奈米碳管直接設置在所述絕緣層遠離第三電極的表面。
  10. 如請求項1所述之光電探測器，其中，進一步包括一基底，所述第三電極、絕緣層、以及半導體元件依次層疊設置於所述基底的表面。
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