TWI653749B - 光探測器 - Google Patents
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Abstract
一種光探測器，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：一半導體結構，所述半導體結構包括一P型半導體層及一N型半導體層，並定義一第一表面及與第一表面相對的第二表面；一奈米碳管，該奈米碳管設置於半導體結構的第一表面；一導電膜，該導電膜通過沉積方法形成於所述半導體結構的第二表面，使半導體結構設置於奈米碳管和導電膜之間，奈米碳管、半導體結構與導電膜相互層疊形成一多層立體結構。
Description
本發明涉及一種光探測器。
光探測器是一種探測光能的器件。一般光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探測器中。然而，受技術水準的限制，半導體器件常常為微米結構，一定程度上限制了光探測器的尺寸，影響了其應用範圍。
本發明提供了一種新型的含有範德華異質結構的光探測器。
一種光探測器，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：一半導體結構，所述半導體結構包括一P型半導體層及一N型半導體層，並定義一第一表面及與第一表面相對的第二表面；一奈米碳管，該奈米碳管設置於半導體結構的第一表面；一導電膜，該導電膜通過沉積方法形成於所述半導體結構的第二表面，使半導體結構設置於奈米碳管和導電膜之間，奈米碳管、半導體結構與導電膜相互層疊形成一多層立體結構；其中，所述第一電極與奈米碳管電連接，所述第二電極與導電膜電連接。
相較於先前技術，本發明所提供的光探測器包括一半導體元件，該半導體元件中，奈米碳管、半導體結構和導電膜構成一奈米級的異質結，故，該光
探測器可以具有較小的尺寸，同時在應用時具有較低的能耗以及更高的完整性。
10；20‧‧‧光探測器
100‧‧‧半導體元件
102‧‧‧奈米碳管
104‧‧‧半導體結構
104a‧‧‧P型半導體層
104b‧‧‧N型半導體層
106‧‧‧導電膜
110‧‧‧多層立體結構
202‧‧‧第一電極
204‧‧‧第二電極
208‧‧‧第三電極
210‧‧‧絕緣層
212‧‧‧電流探測元件
圖1為本發明第一實施例提供的光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探測器中的半導體元件的側視示意圖。
圖3為本發明另實施例提供的另一種半導體元件側視示意圖。
圖4為本發明第二實施例提供的光探測器的部分結構示意圖。
以下將結合附圖及具體實施例對本發明的光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探測器10。所述光探測器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包括一半導體結構104、一奈米碳管102及一導電膜106。所述半導體結構104設置於奈米碳管102和導電膜106之間。
請參見圖2，所述半導體結構104包括一P型半導體層104a及一N型半導體層104b。所述P型半導體層104a及N型半導體層104b層疊設置。所述半導體結構104包括一第一表面1042及一第二表面1044，第一表面1042和第二表面1044相對設置。所述半導體結構104的厚度為1~20000奈米。優選地，所述半導體結構104的厚度為1~10000奈米。
所述奈米碳管102為金屬型奈米碳管。奈米碳管102的直徑不限，可以為0.5奈米~150奈米，在某些實施例中，奈米碳管102的直徑可以為1奈米~10奈米。優選地，奈米碳管102為單壁奈米碳管，其直徑為1奈米~5奈米。本實施例中，奈米碳管102為金屬型單壁奈米碳管，其直徑為1奈米。所述奈米碳管102設置在半
導體結構104的第一表面1042，並與第一表面1042直接接觸。所述半導體結構104的第一表面1042可以僅包括一根奈米碳管102。
所述半導體結構104為一二維層狀結構。所述二維層狀結構即半導體結構104的厚度較小，半導體結構104的厚度為1奈米~20000奈米，優選地，其厚度為1奈米~10000奈米，更優選地，其厚度為1奈米~200奈米。所述半導體結構104包括一P型半導體層104a及一N型半導體層104b，所述P型半導體層104a及N型半導體層104b層疊設置。所述半導體結構104包括一第一表面1042及一第二表面1044，第一表面1042和第二表面1044相對設置。請參見圖3，所述第一表面1042可以為P型半導體層104a的表面，第二表面1044為N型半導體層104b的表面，此情況下，奈米碳管102設置在P型半導體層104a的表面，導電膜106設置在N型半導體層104b的表面。在另外的實施例中，請參見圖2，所述第一表面1042可以為N型半導體層104b的表面，第二表面1044為P型半導體層104a的表面，此情況下，奈米碳管102設置在N型半導體層104b的表面，導電膜106設置在P型半導體層104a的表面。所述P型半導體層104a或N型半導體層104b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，P型半導體層104a的材料為硒化鎢(WSe2)，其厚度為6奈米，N型半導體層104b的材料為硫化鉬(MoS2)，其厚度為2.6奈米，奈米碳管102設置在N型半導體層104b的表面，導電膜106設置在P型半導體層104a的表面。
所述導電膜106的材料為導電材料，可以為金屬、導電聚合物或ITO。導電膜106直接沉積在半導體結構104的第二表面1044。導電膜106沉積在半導體結構104的第一表面1044的具體方法不限，可以為離子濺射、磁控濺射或其他鍍膜方法。所述導電膜106的厚度不限，可以為5奈米~100微米。在一些實施例中，導電膜106的厚度為5奈米~100奈米；在另一些實施例中，導電膜106的厚度為5奈米~20奈米。優選地，所述導電膜106為一透明結構。所述導電膜106的形狀不
限，可以為長條形、線性、方形等形狀。本實施例中，所述導電膜106的材料為金屬，其形狀為長條形。
所述奈米碳管102、半導體結構104和導電膜106相互層疊形成一多層立體結構110。所述多層立體結構110定義一橫向截面及一豎向截面，所述橫向截面即平行於半導體結構104表面的方向的截面，所述縱向截面即垂直於半導體結構104的表面的方向的截面。所述橫向截面的面積由奈米碳管102的直徑和長度決定。所述縱向截面的面積由奈米碳管102的長度和多層立體結構110的厚度決定。由於奈米碳管102相對於半導體結構104和導電膜106的尺寸較小，該多層立體結構110的橫向截面和縱向截面的面積均較小，多層立體結構110的體積也很小。優選地，該多層立體結構110的橫截面的面積為0.25nm2~100000nm2。更優選地，該多層立體結構110的橫截面的面積為1nm2~10000nm2。
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，所述金屬複合結構是由一層金屬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5奈米。本實施例中，所述第一電極202與奈米碳管102電連接，設置於奈米碳管102的一端並貼合於奈米碳管102的表面，其中，Ti層設置於奈米碳管102表面，Au層設置於Ti層表面；所述第二電極204與導電膜106電連接，並設置於導電膜106的一端並貼合於導電膜106的表面，其中，Ti層設置於導電膜106表面，Au層設置於Ti層表面。
所述光探測器10可以光的定性定量探測。所述光探測器10的定性探測光的工作原理為：當沒有光照射到光探測器10上，奈米碳管102、半導體結構104及導電膜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；當光照射到光探測器10上時，半導體層中產生光生載流子，奈米碳管102和導電膜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，即回路中產生電流，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。
所述光探測器10的定量探測光的工作原理為：打開電源308，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。
所述光探測器10中，奈米碳管102和導電膜106與二維半導體結構104在多層立體結構110處形成范德華異質結構。在應用時，奈米碳管102和導電膜106可以看作設置在半導體結構104的兩個相對表面上的電極，當光照射在半導體結構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立體結構110的橫截面，所述半導體元件100的有效部分為多層立體結構110。所述半導體元件100的整體尺寸只需確保大於多層立體結構110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立體結構110。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的光探測器10也可以具有較小的尺寸。該光探測器10具有較低的能耗、奈米級的尺寸以及更高的集成度。
請參見圖4，本發明第二實施例提供一光探測器20。與第一實施例中的光探測器10相比，本實施例中的光探測器20進一步包括一第三電極208及一絕緣層210，其他結構與光探測器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208通過一絕緣層210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。
所述光探測器20中，第三電極208與絕緣層210層疊設置，所述半導體元件100設置在絕緣層210的表面，使絕緣層210位於第三電極208和半導體元件100之間。所述半導體元件100中，奈米碳管102直接設置於絕緣層210的表面，半導體結構104設置於奈米碳管102的上方，使奈米碳管102位於半導體結構104和絕緣層210之間，導電膜106位於半導體結構104的上方。本發明中，奈米碳管102直接設置在絕緣層210表面，奈米碳管102靠近第三電極208，第三電極208可以控制半導體元件100。所述絕緣層210的材料為絕緣材料，其厚度為1奈米~100微米。絕緣層210使奈米碳管102與第三電極208間隔絕緣設置。本實施例中，絕緣層的材料為氧化矽。
所述第三電極208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。本實施例中，所述第三電極208為一層狀結構，絕緣層210設置於第三電極208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210上，並由第三電極208和絕緣層210支撐。
本發明第二實施例所提供的光探測器20，進一步包括一第三電極208作為半導體元件100的控制電極，由於奈米碳管102作為底電極，直接設置在絕緣層210上，與第三電極208僅間隔一層絕緣層210，由於奈米碳管的特殊性能，可以通過第三電極調節半導體元件100中材料的電學性質，使半導體元件100工作性能得到優化，從而控制光探測器20的工作性能。所述第三電極208可以看作光探測器20的柵極。本實施例中，奈米碳管102設置在N型半導體層104b的表面，導電膜106設置在P型半導體層104a的表面，P型半導體層104a為厚度為6奈米的WSe2，N型半導體層104b為厚度為2.6奈米的MoS2。
本發明的光探測器包括一基於奈米碳管不對稱范德華異質結構，其中半導體結構為一二維結構，其被不對稱地夾在奈米碳管102和導電膜106之間，半導體結構包括一P-N結，奈米碳管和導電膜分別作為P-N結的兩個電極。奈米碳管和導電膜對2D半導體層的不對稱接觸使范德華異質結構具有更優異的光電性能。當光探測器包括一柵極時，通過控制柵極電極的電壓，可以調控奈米碳管以及半導體材料的電學性質，進而可以優化這種光探測器的性能。這種運輸特性的多樣性主要是因為，半導體元件100採用奈米碳管102作為底電極，由於奈米碳管特殊的幾何形狀和能帶結構，使奈米碳管的費米能級更容易被柵極電壓調製，因此，這種半導體元件呈現出獨特的性能。
另外，本領域技術人員還可以在本發明精神內做其他變化，這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍內。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。
Claims (10)
- 一種光探測器，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：一半導體結構，所述半導體結構包括一P型半導體層及一N型半導體層，並定義一第一表面及與第一表面相對的第二表面；一根奈米碳管，該一根奈米碳管設置於半導體結構的第一表面，並平行於該半導體結構的第一表面；一導電膜，該導電膜通過沉積方法形成於所述半導體結構的第二表面，使半導體結構設置於奈米碳管和導電膜之間，奈米碳管、半導體結構與導電膜相互層疊形成一多層立體結構；其中，所述第一電極與奈米碳管電連接，所述第二電極與導電膜電連接。
- 如請求項第1項所述之光探測器，其中，所述奈米碳管為金屬型奈米碳管。
- 如請求項第2項所述之光探測器，其中，所述奈米碳管為單壁奈米碳管。
- 如請求項第1項所述之光探測器，其中，所述多層立體結構的橫截面面積在1nm2~10000nm2之間。
- 如請求項第1項所述之光探測器，其中，所述半導體結構的厚度為1奈米~20000奈米。
- 如請求項第1項所述之光探測器，其中，所述導電膜的沉積方法包括離子濺射、磁控濺射或其它鍍膜方法。
- 如請求項第1項所述之光探測器，其中，所述半導體結構的第一表面為P型半導體層的表面，第二表面為N型半導體層的表面。
- 如請求項第1項所述之光探測器，其中，進一步包括一第三電極及一絕緣層層疊設置，所述半導體元件、一第一電極及一第二電極設置於絕緣層的表面，第三電極通過絕緣層與所述半導體元件、第一電極及第二電極絕緣設置。
- 如請求項第8項所述之光探測器，其中，所述半導體元件中的奈米碳管設置於絕緣層的表面，半導體元件中的半導體結構覆蓋所述奈米碳管設置於絕緣層的表面。
- 如請求項第8項所述之光探測器，其中，所述第一電極位於奈米碳管的一端並貼合奈米碳管表面，所述第二電極位於導電膜的一端並貼合導電膜的表面。
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