TWI703747B - 半導體結構、光電器件、光探測器及光譜儀 - Google Patents

半導體結構、光電器件、光探測器及光譜儀 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種半導體結構，其包括：一半導體層，該半導體層具有第一表面和與第一表面相對的第二表面；至少一根金屬型奈米碳管，該至少一根金屬型奈米碳管設置於所述半導體層的第一表面；至少一石墨烯層，該至少一石墨烯層設置於所述半導體層的第二表面，使所述半導體層設置於所述至少一根金屬型奈米碳管和所述至少一石墨烯層之間，所述至少一根金屬型奈米碳管與所述至少一石墨烯層縱橫交叉設置，而形成至少一個交叉層迭區域，在每一個交叉層迭區域，所述金屬型奈米碳管、所述半導體層及所述石墨烯層相互層迭形成一多層立體結構。本發明還涉及一種光電器件、一種光探測器及一種光譜儀。

Description

半導體結構、光電器件、光探測器及光譜儀
本發明涉及一種基於混合維度異質結構的半導體結構、光電器件、光探測器及光譜儀。
近年來，凡德瓦異質結是最近兩年的新興研究領域。凡德瓦異質結通過將具有不同性質(電學以及光學等)的二維材料堆到一起，可以實現對組合而成的“新”材料的性質進行人工調控；由於層間弱的凡德瓦作用力，相鄰的層間不再受晶格必須相匹配的限制；並且，由於沒有成分過渡，所形成的異質結具有原子級陡峭的載流子(勢場)梯度；由於以過渡金屬雙硫族化物為代表的非石墨烯二維層狀材料通常可以形成二類能帶關係，是以以它們為基礎搭建的異質結具有非常強的載流子分離能力；此外，由於超薄的厚度以及特殊的二維結構，使其具有強的閘極回應能力，以及與傳統微電子加工工藝和柔性基底相容的特性。
本發明提供了新型的基於混合維度異質結構的半導體結構以及其相關應用。
一種半導體結構，其包括：一半導體層，該半導體層具有第一表面和與第一表面相對的第二表面；至少一根金屬型奈米碳管，該至少一根金屬型奈米碳管設置於所述半導體層的第一表面；至少一石墨烯層，該至少一石墨烯層設置於所述半導體層的第二表面，使所述半導體層設置於所述至少一根金屬型奈米碳管和所述至少一石墨烯層之間，所述至少一根金屬型奈米碳管與所述至少一石墨烯層縱橫交叉設置，而形成至少一個交叉層迭區域，在每一個交叉層迭區域，所述金屬型奈米碳管、所述半導體層及所述石墨烯層相互層迭形成一多層立體結構。
一種光電器件，其包括：一閘極，該閘極為一層狀結構；一絕緣層，該絕緣層設置於所述閘極的表面；至少一根金屬型奈米碳管，該至少一根金屬型奈米碳管設置於所述絕緣層遠離所述閘極的表面；一半導體層，所述半導體層覆蓋所述至少一根金屬型奈米碳管，並設置於所述絕緣層的表面；至少一石墨烯層，該至少一石墨烯層設置於所述半導體層的表面，使所述半導體層位於所述至少一根金屬型奈米碳管與所述至少一石墨烯層之間，其中，所述至少一根金屬型奈米碳管與所述至少一石墨烯層縱橫交叉設置，而形成至少一個交叉層迭區域，在每一個交叉層迭區域，所述金屬型奈米碳管、所述半導體層、所述石墨烯層三者相互層迭形成一多層立體結構；至少一第一電極，所述至少一第一電極分別與所述至少一根金屬型奈米碳管電連接；至少一第二電極，所述至少一第二電極與所述至少一石墨烯層電連接。
一種光探測器，其包括一光電器件、至少一電流探測組件及至少一電源，其中，所述光電器件為上述光電器件，所述光電器件中，每一多層立體結構均與一第一電極、一第二電極相連接，與同一多層立體結構相連接的第一電極、第二電極連接同一電流探測組件和電源，且連接同一第一電極和第二電極的電流探測組件和電源在同一回路上。
一種光譜儀，其包括至少一光探測器，其中，所述光探測器為上述光探測器。
與先前技術相比，本發明將金屬型奈米碳管、半導體層及石墨烯層垂直疊加在一起而得到一混合維度異質結構的半導體結構及其光電器件，該半導體結構及光電器件在未來的奈米電子學和奈米光電子學領域具有巨大的應用潛力。此外，該半導體結構及光電器件可應用於光探測器及光譜儀中，在外加電場的作用下，該光探測器及光譜儀的解析度和回應度可以調控，並且能夠實現高精度、高靈敏度及高精度。
100，400:半導體結構
102，402:半導體層
104，404:金屬型奈米碳管
106，406:石墨烯層
108，408:多層立體結構
200，500:光電器件
202，502:閘極
204，504:第一電極
206，506:第二電極
208，508:絕緣層
300，600:光探測器
302，602:電流探測組件
304,604:電源
圖1為本發明第一實施例提供的半導體結構的整體結構示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的半導體結構的立體結構示意圖。
圖3為本發明第一實施例提供的半導體結構的掃描電鏡照片。
圖4為本發明第一實施例提供的半導體結構的側視示意圖。
圖5為本發明第一實施例提供的光電器件的立體結構示意圖。
圖6為本發明第一實施例提供的光電器件在閘極電壓不同時的輸出特徵曲線。
圖7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8為本發明第一實施例提供的光探測器，在閘極電壓與偏壓為零時，波長為520奈米雷射照射下的掃描光電流顯微鏡圖像。
圖9為本發明第一實施例提供的光探測器，其中的金屬型奈米碳管-WSe2層迭區域和WSe2-石墨烯層層迭區域的光電流映射圖。
圖10為本發明第一實施例提供的光探測器，在不同外加電場下的3×3掃描光電流顯微鏡圖像。
圖11為本發明第一實施例提供的光探測器，分別在高解析度模式和低解析度模式下，其光生電流和短路電流與雷射能量的關係圖。
圖12為本發明第一實施例提供的光譜測量系統(圖(a))及光探測器在高解析度模式下測得的光電流分佈圖(圖(b))。
圖13為本發明第一實施例採用的雙光干涉系統(圖(a))及光探測器在高解析度模式下測得的光電流分佈圖(圖(b))。
圖14為本發明第二實施例提供的半導體結構的整體結構示意圖。
圖15為本發明第二實施例提供的半導體結構的側視示意圖。
圖16為本發明第二實施例提供的光電器件的立體結構示意圖。
圖17為本發明第二實施例提供的光探測器的整體結構示意圖。
圖18為本發明第二實施例提供的光探測器，在高解析度模式下，波長為520奈米雷射照射下的掃描光電流顯微鏡圖像。
以下將結合圖式及具體實施例詳細說明本發明技術方案所提供的半導體結構、光電器件、光探測器及光譜儀。
本發明提供一種半導體結構，其具體包括：一半導體層，該半導體層具有第一表面和與第一表面相對的第二表面；至少一根金屬型奈米碳管，該至少一根金屬型奈米碳管設置於所述半導體層的第一表面；至少一石墨烯層，該至少一石墨烯層設置於所述半導體層的第二表面；所述半導體層設置於所述至少一根金屬型奈米碳管和所述至少一石墨烯層之間，所述至少一根金屬型奈米碳管與所述至少一石墨烯層縱橫交叉設置，而形成至少一個交叉層迭區域，在每一個交叉層迭區域，所述金屬型奈米碳管、所述半導體層及所述石墨烯層相互層迭形成一多層立體結構。
所述半導體層為一二維結構，所述二維結構是指該半導體層的厚度較薄，半導體層的厚度為1奈米~200奈米，優選地，其厚度為1奈米~100奈米。所述半導體層可為N型半導體，亦可為P型半導體。所述半導體層可以僅包括一種材料。所述半導體層的材料不限，可為無機化合物半導體、元素半導體或有機半導體材料，如：砷化鎵、碳化矽、多晶矽、單晶矽或萘等。在一些實施例中，半導體層的材料為過渡金屬硫化物材料。在另一些實施例中，半導體層的材料為硫化鉬(MoS2)，為N型半導體材料。
所述金屬型奈米碳管的直徑不限，可為0.5奈米~150奈米。所述金屬型奈米碳管可為單壁金屬型奈米碳管或者多壁金屬型奈米碳管。所述金屬型奈米碳管的數量可為一根或者多根。當所述金屬型奈米碳管的數量為多根時，所述多根金屬型奈米碳管間隔設置於所述半導體層的第一表面，且所述多根金屬型奈米碳管之間的間距不限。所述多根金屬型奈米碳管在所述半導體層的第一表面上的延伸方向可以相交，亦可以平行，只需保證所述多根金屬型奈米碳管在所述半導體層的第一表面間隔不接觸即可，優選地，所述多根金屬型奈米碳管的延伸方向相互平行。
所述石墨烯層為一連續的層狀結構。所述石墨烯層中石墨烯的層數不限，可為一層或者多層。所述石墨烯層的厚度不限，然所述石墨烯層的厚度越厚，所述石墨烯層的導電性及透光性越低，優選地，所述石墨烯層的厚度為1奈米~100奈米，所述石墨烯層的形狀不限，可為長條形、方形等形狀。所述石墨烯層的數量可為一個或者複數。當所述石墨烯層的數量為複數時，所述複數石墨烯層間隔設置於所述半導體層的第二表面，且所述複數石墨烯層之間的間距不限。
在每一個交叉層迭區域，所述金屬型奈米碳管、所述半導體層、所述石墨烯層相互層迭形成一多層立體結構，所述金屬型奈米碳管和所述石墨 烯層與所述半導體層在多層立體結構處形成混合維度的凡德瓦異質結構。所述金屬型奈米碳管與半導體層的第一表面接觸，所述石墨烯層與半導體層的第二表面接觸，所述金屬型奈米碳管和所述石墨烯層對二維半導體層的不對稱接觸使凡德瓦異質結具有更優異的輸運性能。當該半導體結構用在電晶體上時，凡德瓦異質結構在相對的源極-汲極偏置處顯示出不對稱的輸出特性。運輸特性的多樣性主要歸因於奈米碳管費米能級易被調製和器件的不對稱接觸，同時奈米碳管電極適用於電子型或者空穴型導電。可調節器件功能以及側向器件尺寸的限制使得這種不對稱凡德瓦異質結構的半導體結構具有獨特性，在未來的奈米電子學和奈米光電子學領域具有巨大的潛力。
當所述半導體結構中，所述金屬型奈米碳管與所述石墨烯層中的至少一個的數量大於一時，所述至少一根金屬型奈米碳管與所述至少一石墨烯層縱橫交叉設置，形成複數交叉層迭區域，每一個交叉層迭區域均存在一個混合維度的凡德瓦異質結構，從而形成一凡德瓦異質結構陣列，該異質結構陣列可用于製備奈米電晶體陣列、光探測器陣列等器件，在滿足實際應用的同時，可以大大縮小器件的體積。
本發明還提供了採用上述半導體結構的光電器件、光探測器及光譜儀。
所述光電器件包括所述半導體結構、一閘極、至少一第一電極、至少一第二電極，所述閘極通過一絕緣層與所述半導體結構、所述至少一第一電極、所述至少一第二電極絕緣設置，所述半導體結構分別與所述至少一第一電極、至少一第二電極電連接。
所述光電器件中，閘極與絕緣層層迭設置，所述半導體結構設置於絕緣層的表面，使絕緣層位於閘極和半導體結構之間。所述半導體結構中，所述至少一根金屬型奈米碳管直接設置於絕緣層遠離閘極的表面，所述半導體 層覆蓋所述至少`一根金屬型奈米碳管並設置於所述絕緣層的表面，使所述至少一根金屬型奈米碳管位於半導體層和絕緣層之間，所述至少一石墨烯層設置於半導體層遠離絕緣層的表面。所述第一電極的數量與所述金屬型奈米碳管的數量相同，所述至少一第一電極分別與所述至少一根金屬型奈米碳管電連接。所述第二電極的數量與所述石墨烯層的數量相同，所述至少一第二電極分別與所述至少一石墨層電連接。
其中，所述閘極為一層狀結構，該層狀結構的表面設置有一絕緣層。所述閘極的材料為導體材料或半導體材料，該導體材料可選擇為金屬、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物以及導電奈米碳管等，該金屬材料可為鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉬(Mo)、金(Au)、鈦(Ti)、鈀(Ba)或任意組合的合金。該半導體材料可為無機化合物半導體、元素半導體或有機半導體材料，如：砷化鎵、碳化矽、多晶矽、單晶矽或萘等。所述閘極的厚度不限。所述絕緣層的材料為絕緣材料，其厚度為1奈米~100微米。
所述第一電極和第二電極均由導電材料組成，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。該金屬材料可為鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鉬(Mo)、金(Au)、鈦(Ti)、鈀(Ba)或任意組合的合金。所述第一電極和第二電極亦可為一層導電薄膜，該導電薄膜的厚度為2微米-100微米。
所述至少一根金屬型奈米碳管靠近閘極，所述至少一石墨烯層遠離閘極，所述至少一石墨烯層不會在半導體層和閘極之間產生遮罩效應，是以，該光電器件在應用時，所述閘極可以控制其中的半導體結構。
所述至少一石墨烯層與所述至少一根金屬型奈米碳管縱橫交叉設置，形成至少一個交叉層迭區域，在每個交叉層迭區域，所述石墨烯層、所述金屬型奈米碳管與所述半導體層形成一凡德瓦異質結構。每一個凡德瓦異質結 構與閘極及其相對應的第一電極、第二電極構成一個子光電器件，當存在複數子光電器件時，所述光電器件為由複數子光電器件構成的光電器件陣列。
所述光探測器包括所述光電器件、至少一電流探測組件至少一電源。所述光電器件中，所述至少一石墨烯層與所述至少一根金屬型奈米碳管縱橫交叉設置，形成至少一個交叉層迭區域，在每個交叉層迭區域，所述石墨烯層、所述金屬型奈米碳管與所述半導體層形成一混合維度的凡德瓦異質結構。 所述電流探測組件的數量和所述電源的數量均與凡德瓦異質結構的數量一致。 以凡德瓦異質結構為基礎，與同一凡德瓦異質結構相對應的第一電極、第二電極連接同一電流探測組件和電源，且連接同一第一電極和第二電極的電流探測組件和電源在同一回路上。
所述電流探測組件用於探測第一電極和第二電極與電流探測組件形成的回路中是否有電流流過。電流探測組件可為一電流表。所述電源用於向第一電極和第二電極提供電壓，即在第一電極和第二電極之間形成偏壓。
所述光探測器可以光的定性定量探測。所述光探測器的定性探測光的工作原理為：當沒有光照射到光探測器上，金屬型奈米碳管、半導體層及石墨烯層之間沒有導通，回路中不會有電流通過，電流探測組件中探測不到電流；當光照射到光探測器上時，半導體層中產生光生載流子，金屬型奈米碳管和石墨烯層之間形成的內建電場將光生電子空穴對分開，如是就形成了光生電流，即回路中產生電流，電流探測組件中探測到電流。即，通過回路中是否有電流產生來探測光源。
所述光探測器的定量探測光的工作原理為：用已知的、不同強度的光依次照射探測點，讀出電流探測組件中探測到的電流值，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，根據電流探測組件中探測到的電流值，即可從該標準曲線上讀出光的強度值。
所述光譜儀包括一入射狹縫、一準直組件、一色散組件、一聚焦組件及至少一所述光探測器。
請一併參閱圖1、圖2，本發明第一實施例提供一種半導體結構100，其具體包括一半導體層102，該半導體層102具有第一表面和與第一表面相對的第二表面；一根金屬型奈米碳管104，該金屬型奈米碳管104設置於所述半導體層102的第一表面；一石墨烯層106，該石墨烯層106設置於所述半導體層102的第二表面，使所述半導體層102設置於所述金屬型奈米碳管104和所述石墨烯層106之間。
本實施例中，所述半導體層102的材料為硒化鎢(WSe2)，為P型半導體材料，其厚度為5.21奈米。所述金屬型奈米碳管104由一根多壁金屬型奈米碳管去掉外壁而製備得到，其具體製備方法將在後續內容展開，在此不作詳述，如是製備得到的金屬型奈米碳管的外表面超級乾淨，有利於該金屬型奈米碳管104與所述半導體層102疊加在一起，該金屬型奈米碳管104的直徑為1.19奈米。所述石墨烯層106的厚度為3.56奈米。
請一併參閱圖3，為本實施例提供的半導體結構100的掃描電鏡照片，圖中中間的虛線代表為半導體層遮住的金屬型奈米碳管，虛線框所圍住的區域為後續將該半導體結構100用於光探測器時的雷射掃描照射區域。
請一併參閱圖4，所述金屬型奈米碳管104、所述半導體層102、所述石墨烯層106相互層迭形成一多層立體結構108，所述金屬型奈米碳管104和所述石墨烯層106與所述半導體層102在多層立體結構108處形成混合維度的凡德瓦異質結構。
以下對步驟S11~S14作詳細敘述。
步驟S11，提供一根金屬型奈米碳管，將所述金屬型奈米碳管設置於一第一支撐體的表面。
所述金屬型奈米碳管可直接由化學氣相沉積法製備得到，或由一多壁金屬型奈米碳管去掉外壁而製備得到，本實施例中，所述金屬型奈米碳管由去掉一根多壁金屬型奈米碳管的外壁而製備得到。所述去掉多壁金屬型奈米碳管的外壁具體包括以下步驟：步驟S111，提供一根多壁金屬型奈米碳管。
該多壁金屬型奈米碳管採用化學氣相沉積法製備得到。
步驟S112，分割所述多壁金屬型奈米碳管的外壁，使所述多壁金屬型奈米碳管的外壁一分為二。
該步驟在光學顯微鏡下操作，分割所述多壁金屬型奈米碳管外壁的方法不限，例如可以採用雷射光束切割外壁，本實施例中，輕輕晃動該多壁 金屬型奈米碳管使該多壁金屬型奈米碳管的外壁一分為二。進一步地，在分割所述多壁金屬型奈米碳管的外壁之前，在外壁的外表面沉積一些奈米顆粒，所述奈米顆粒的材料不限，可以是二氧化鈦(TiO2)奈米顆粒、硫(S)奈米顆粒等，奈米顆粒的存在有利於觀察到外壁及觀察到外壁是否被脫掉。
步驟S113，提供二鎢尖，使二鎢尖分別扎取所述多壁金屬型奈米碳管的外壁的兩端，並作反向運動，從而脫掉外壁。
該步驟在光學顯微鏡下操作，採用鎢尖去掉多壁金屬型奈米碳管外壁後，即可以得到本實施例所需要的金屬型奈米碳管，該金屬型奈米碳管的外表面超級乾淨，有利於該金屬型奈米碳管與所述半導體層迭加在一起。本實施例中，製備得到的金屬型奈米碳管的直徑為1.19奈米。
待製備得到所述金屬型奈米碳管後，將所述金屬型奈米碳管轉移至第一支撐體表面。所述第一支撐體的材料和厚度不限，可以根據實際應用而具體選擇。本實施例中，在光學顯微鏡下，採用二鎢尖紮取所製備的金屬型奈米碳管的兩端，輕輕抬起所述金屬型奈米碳管，並將所述金屬型奈米碳管放至第一支撐體的表面。
步驟S12，提供一半導體層，所述半導體層設置於一第二支撐體的表面。
本實施例中，所述半導體層的材料為WSe2，所述半導體層採用機械剝離法製備得到。具體包括WSe2單晶採用膠帶多次對撕，使得到的片狀WSe2的厚度越來越薄，直到得到奈米厚度的WSe2層。將帶有WSe2層的膠帶覆蓋在第二支撐體的表面，使WSe2層與第二支撐體接觸，揭下膠帶，使至少部分WSe2層留在第二支撐體的表面。
第二支撐體起支撐和保護所述半導體層的作用，該第二支撐體的材料和厚度不限。
步驟S13，在所述半導體層遠離所述第二支撐體的表面形成一石墨烯層。
所述石墨烯層的製備方法不限，可以採用機械剝離、化學氣相沉積等方法而製備得到。轉移所述石墨烯層至所述半導體層表面，轉移的方法不限，只要保證製備得到的石墨烯層能夠轉移至所述半導體層的表面即可。
本實施例中，所述石墨烯層採用機械剝離法製備得到，該石墨烯層的厚度為3.56奈米。將石墨烯層轉移至半導體層遠離第二支撐體的表面，具體包括以下步驟： 步驟S131，提供一石墨烯層，所述石墨烯層設置於一基體的表面。
所述基體起支撐和保護石墨烯層的作用，該基體的材料和厚度不限。
步驟S132，在所述石墨烯層遠離基體的表面形成一粘性膜，將石墨烯層轉移至所述粘性膜的表面，得到一粘附有石墨烯層的粘性膜。
所述粘性膜具有在一種條件(如光照、加熱等)下粘性增加，而在另一種條件(如去光照、降溫冷卻等)下其粘性下降的特性。利用該粘性膜的這一性質，可以先增加該粘性膜的粘性，使石墨烯層與粘性膜之間的結合力大於石墨烯層與基體之間的結合力，然後撕下所述粘性膜，將石墨烯層粘附至該粘性膜的表面。
所述粘性膜的材料不限，只要具有上述特性即可。本實施例中，所述粘性膜選用聚乙烯醇(PVA)，PVA在加熱的條件下粘性增加，而在降溫冷卻時粘性下降，而且PVA易溶于水，可以通過水溶去除PVA。
步驟S133，將粘附有石墨烯層的粘性膜轉移至所述半導體層的表面，所述石墨烯層位於所述粘性膜與半導體層之間，對粘性膜進行降粘處理，去除粘性膜，使石墨烯層轉移至所述半導體層的表面。
待粘附有石墨烯層的粘性膜轉移至所述半導體層的表面後，降低該粘性膜的粘性，使石墨烯層與粘性膜之間的結合力小於石墨烯層與半導體層之間的結合力，然後撕下該粘性膜，將石墨烯層轉移至所述半導體遠離所述第二支撐體的表面，而且石墨烯層表面乾淨、無殘留。
本實施例中，待粘附有石墨烯層的PVA膜轉移至所述半導體層的表面後，將PVA膜、石墨烯層、半導體層、第二支撐體形成的四層結構置於水中浸泡，使PVA溶解在水中，從而去除PVA膜。
步驟S14，將形成的石墨烯層-半導體層結構轉移至所述第一支撐體的表面，所述半導體層與所述第一支撐體的表面接觸並覆蓋所述金屬型奈米碳管，所述金屬型奈米碳管、所述半導體層、所述石墨烯層相互層迭而形成一多層立體結構。
同樣地，採用上述步驟S13中轉移石墨烯層的方法將形成的石墨烯層-半導體層結構轉移至所述第一支撐體的表面，在此不作詳述。
進一步地，待製備得到所述半導體結構100後，對該半導體結構100進行退火處理。退火步驟在真空環境下進行，退火溫度為300~400攝氏度。 經過退火處理之後，可以除去該半導體結構100表面的一些雜質，還可以使石墨烯層、半導體層及金屬型奈米碳管之間的結合力更強。
請一併參閱圖5，本發明第一實施例提供一種採用所述半導體結構100的光電器件200，其具體包括所述半導體結構100、一閘極202、一第一電極204、一第二電極206，所述閘極202通過一絕緣層208與所述半導體結構100、所述第一電極204、所述第二電極206絕緣設置，所述半導體結構100分別與所述第一電極204、第二電極206電連接。
所述光電器件200中，閘極202與絕緣層208層迭設置，所述半導體結構100設置於絕緣層208的表面，使絕緣層208位於閘極202和半導體結構100之 間。所述半導體結構100中，所述金屬型奈米碳管104直接設置於絕緣層208遠離閘極202的表面，所述半導體層102覆蓋所述金屬型奈米碳管104並設置於所述絕緣層208的表面，使金屬型奈米碳管104位於半導體層102和絕緣層208之間，石墨烯層106設置於半導體層102遠離絕緣層208的表面。
本實施例中，所述閘極202為一矽片。所述絕緣層208為形成於矽片表面的氧化矽，該氧化矽的厚度為300奈米。所述第一電極204、第二電極206為由金屬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設置於Ti的表面。所述金屬Ti的厚度為10奈米，金屬Au的厚度為50奈米。所述第一電極204設置於金屬型奈米碳管104的一端並貼合於金屬型奈米碳管104的表面，其中，Ti層設置於所述金屬型奈米碳管104的表面，Au層設置於Ti層表面；所述第二電極設置於石墨烯層106的一端並貼合於石墨烯層106的表面，其中，Ti設置於所述石墨烯層106的表面，Au層設置於Ti層表面。
所述光電器件200中，所述金屬型奈米碳管104和石墨烯層106與半導體層102之間形成異質結構，即多層立體結構108內部形成異質結。該光電器件200在應用時，可為一電晶體。第一電極204為汲極，第二電極206為源極，通過在閘極202上施加不同的電壓來改變所述異質結勢壘的高度，從而可以控制流經半導體層102溝道的電流大小。本實施例中，所述半導體層為WSe2，其為P型半導體，第一電極204和第二電極206之間的偏壓一定，當閘極電壓為正時，多層立體結構108內部形成肖特基結勢壘增高，第一電極204和第二電極206之間幾乎沒有電流通過，實現關狀態；當閘極202的電壓為負時，異質結的勢壘降低，第一電極204和第二電極206之間導通產生電流，實現開的狀態。請一併參閱圖6，該電晶體的開關比可達104。而且，從圖中可以看出，偏壓為正時的第一電極204和第二電極206之間的電流，大於偏壓為負時的電流，這是由 二維石墨烯層和一維金屬型奈米碳管與WSe2層之間的不對稱接觸造成的。這種不對稱傳輸特性表明石墨烯的費米能級高於金屬型奈米碳管的費米能級。
請一併參閱圖7，本發明第一實施例還提供一種光探測器300，其包括所述光電器件200、一電流探測組件302及一電源304。其中，圖7中，所述光電器件200中的閘極202及絕緣層208未在圖中顯示。
所述光探測器300中，所述電流探測組件302與所述第一電極204、第二電極206電連接。所述電源304與所述第一電極204、第二電極206電連接。 所述第一電極204、所述電流探測組件302、所述電源304、所述第二電極206形成一回路。
本實施例中，所述半導體層102為WSe2，其為P型半導體。在閘極電壓(VG)和偏壓(VDS)設為零時，採用一波長為520奈米的雷射(雷射能量為24μW，光斑尺寸為1μm)照射該光探測器300，在掃描光電流顯微鏡下得到該光探測器300的掃描光電流顯微鏡圖像，如圖8所示，其中，掃描照射區域為圖3中虛線框所圍住的區域。從圖8中可以看出，經光照射後，該光探測器300中有三個區域感應產生光電流：第一區域為金屬型奈米碳管、WSe2、石墨烯層三者相互層迭區域，即多層立體結構108，該區域產生的光電流為負；第二區域為金屬型奈米碳管、WSe2兩者層迭區域，在該區域的金屬型奈米碳管-WSe2肖特基結處，內建電場的方向從奈米碳管指向WSe2，是以該區域產生的光電流為正；第三區域為WSe2、石墨烯層兩者相互層迭區域，在該區域的WSe2-石墨烯接觸面，內建電場的方向從石墨烯層指向WSe2，是以該區域產生的光電流為負。金屬型奈米碳管和石墨烯的費米能級均高於WSe2的費米能級，而石墨烯的費米能級高於金屬型奈米碳管的費米能級，是以，在多層立體結構108處，感應生成的光電流由石墨烯流向金屬型奈米碳管。
分別在第二區域和第三區域上選取二點，即圖8中星號標出的位置，在不同的閘極電壓和偏壓下，分別對選取的兩點進行同樣的雷射照射，得到金屬型奈米碳管-WSe2層迭區域(圖a)和WSe2-石墨烯層迭區域(圖b)的光電流映射圖，如圖9所示。其中，當閘極電壓為負，偏壓為正時，所述金屬型奈米碳管-WSe2層迭區域對光照射更為敏感，能夠產生較大的光電流，而WSe2-石墨烯層迭區域對光照射較不敏感，產生的光電流較小；當閘極電壓和偏壓同時為負時，WSe2-石墨烯層迭區域產生的光電流大，而金屬型奈米碳管-WSe2層迭區域產生的光電流較小。金屬型奈米碳管-WSe2層迭區域和WSe2-石墨烯層迭區域的光電特性有很大的不同，可以通過施加閘極電壓和偏壓來調控兩層迭區域的光電特性，進而調控該光探測器300的性能。
光探測器的解析度和回應度與光探測器的光回應區域的面積有關，光回應區域的面積大，則光探測器的解析度低，光回應電流大，回應度大；光回應區域的面積小，則光探測器的解析度高，光回應電流小，回應度小。本實施例中，對所述光探測器300，施加不同的閘極電壓和偏壓，在掃描光電流顯微鏡下，採用雷射照射該光探測器300，得到不同外加電場下的3×3掃描光電流顯微鏡圖像，如圖10所示。從圖中可以看出，隨著閘極電壓從-20V變化至30V，偏壓從-0.2V變化至0.2V，所述光探測器300的掃描光電流顯微鏡圖像隨之發生變化，即隨著閘極電壓和偏壓的變化，所述光探測器300的光回應區域亦隨之發生變化。 此外，通過施加不同的閘極電壓和偏壓，所述光探測器300可以呈現兩種相對的工作模式，即低解析度模式和高解析度模式。當閘極電壓為-20V、偏壓為-0.2V時，所述光探測器300中的光回應區域為WSe2與石墨烯層層迭的區域，此時，光回應面積大，回應度大，而解析度低。當閘極電壓為30V、偏壓為-0.2V時，所述光探測器300中的光回應區域為金屬型奈米碳管、WSe2與石墨烯層三者層迭的區域，此時，光回應面積小，回應度小，而解析度高。通過調節閘極電壓和偏 壓的大小，可以調控光探測器300中的感光面積，進而可以調控光探測器的解析度和光回應度。本發明實施例中半導體層的材料為WSe2，其為P型半導體，在閘極電壓為正、偏壓為負時，可以實現高解析度；可以理解地，當半導體層的材料為N型半導體時，結論相反，在閘極電壓為負、偏壓為正時，可以實現高解析度。
請一併參閱圖11，為分別在高解析度模式(VG=30V,VDS=-0.2V)和低解析度模式(VG=-20V,VDS=-0.2V，插圖)下，光生電流和短路電流與雷射能量的關係圖，從圖中可以看出，高解析度模式下，所述光探測器的光回應度為2.47mA/W，低解析度模式下，所述光探測器的光回應度為10.9mA/W。
所述光探測器300可以應用在光譜儀中，用於檢測光譜譜線的強度分佈。請一併參閱圖12，圖a上圖為一個光譜測量系統，雷射光束經透射光柵分散、柱面透鏡聚焦後，在焦平面上形成複數明亮條紋，如圖a下圖所示；將所述光探測器300的工作模式設為高解析度模式(VG=30V,VDS=-0.2V)，使該光探測器300在焦平面上線形移動掃描該複數明亮條紋，其測量得到光電流與位置之間的關係如圖b所示，該光探測器300的信噪比大於5000，具有較高的靈敏度和解析度。
此外，通過調節閘極電壓和偏壓，所述光探測器300可以獲得極高的解析度，可以用於精細光譜結構的檢測。請一併參閱圖13，圖a為一個雙光干涉系統，波長為343奈米的雷射光束經反光鏡1反射後，經透鏡1、透鏡2，並經分束器分成兩光束，然後兩光束分別被反射鏡2、反光鏡3反射後彙聚而相互干涉形成明暗條紋。該光學系統可以用於製造一維光柵結構，圖a插圖為採用上述光學系統而製備的光柵結構，其週期為334奈米。本實施例中，採用高解析度模式(VG=30V,VDS=-0.2V)下的光探測器300線形掃描上述雙光干涉系統 形成的明暗條紋，其測量得到光電流分佈如圖b所示，經正弦擬合後，計算得到該明暗條紋的週期為340.5奈米，誤差小於1.95%。
本發明第一實施例還提供一種採用所述光探測器300的光譜儀，所述光譜儀包括一入射狹縫、一準直組件、一色散組件、一聚焦組件及至少一所述光探測器300。在閘極電壓和偏壓的調控下，所述光譜儀能夠實現高精度、高靈敏度及高解析度。
請一併參閱圖14、圖15，本發明第二實施例提供一種半導體結構400，所述半導體結構400與本發明第一實施例提供的半導體結構100的結構基本相同，其區別在於，所述半導體結構400包括兩根金屬型奈米碳管404。
所述兩根金屬型奈米碳管404平行且間隔設置於所述半導體層402的第一表面，所述兩根金屬型奈米碳管404之間的間距為3.3微米。所述兩根金屬型奈米碳管404分別與所述石墨烯層406縱橫交叉而形成二交叉層迭區域，在每一個交叉層迭區域，所述金屬型奈米碳管404、所述半導體層402及所述石墨烯層406相互層迭形成一多層立體結構408，在多層立體結構408處，所述金屬型奈米碳管404和所述石墨烯層406與所述半導體層402形成一凡德瓦異質結構。
請一併參閱圖16，本發明第二實施例提供一種採用所述半導體結構400的光電器件500，其具體包括所述半導體結構400、一閘極502、二第一電極504、一第二電極506，所述閘極502通過一絕緣層508與所述半導體結構400、所述第一電極504、所述第二電極506絕緣設置，所述半導體結構400分別與所述第一電極504、所述第二電極506電連接。
所述光電器件500中，閘極502與絕緣層508層迭設置，所述半導體結構400設置於絕緣層508的表面，使絕緣層508位於閘極502和半導體結構400之間。所述半導體結構400中，所述兩根金屬型奈米碳管404直接設置於絕 緣層508遠離閘極502的表面，所述半導體層400覆蓋所述兩根金屬型奈米碳管404並設置於所述絕緣層508的表面，所述石墨烯層406設置於半導體層400遠離絕緣層508的表面。所述二第一電極504分別與所述兩根金屬型奈米碳管404電連接，所述第二電極506分別與所述石墨層406電連接。
所述閘極502、絕緣層508及第一電極502、第二電極506分別與本發明第一實施例提供的閘極202、絕緣層208及第一電極202、第二電極206相同，在此不再重複敘述。
請一併參閱圖17，本發明第二實施例還提供一種光探測器600，其具體包括所述光電器件500、二電流探測組件602、二電源604。其中，所述光電器件500中閘極及絕緣層未在圖17中顯示。所述電流探測組件602、電源604分別與本發明第一實施例提供的電流探測組件302、電源304相同，在此不再重複敘述。
本實施例中，所述石墨烯層406與所述兩根金屬型奈米碳管404縱橫交叉設置而形成二金屬型奈米碳管-WSe2-石墨烯層層迭區域。將所述光探測器600的工作模式設為第一實施例中的高解析度模式，即將所述光探測器600的閘極電壓設為30V，偏壓設為0.2V，採用雷射照射所述光探測器600，得到高分辨模式下的掃描光電流顯微鏡圖像，如圖18所示，在高解析度模式下，光回應區域局限於金屬型奈米碳管-WSe2-石墨烯層層迭區域，只有所述金屬型奈米碳管-WSe2-石墨烯層層迭區域能產生光電流，而光電流強度的差異可能是由兩根金屬型奈米碳管的手性不同造成的。
此外，本發明第二實施例還提供一種採用所述光探測器600的光譜儀。
本發明將金屬型奈米碳管、半導體層及石墨烯層垂直疊加在一起而得到一混合維度的凡德瓦異質結構，所述金屬型奈米碳管和所述石墨烯層對 二維半導體層的不對稱接觸使該凡德瓦異質結構具有更優異的輸運性能。將所述凡德瓦異質結構用於光探測器時，奈米材料與二維半導體層的不對稱接觸賦予了光探測器新的性能。本發明提供的光探測器具有三個光回應區域，即金屬型-半導體層層迭區域、金屬型奈米碳管-半導體層-石墨烯層層迭區域、半導體層-石墨烯層層迭區域，通過調節光感測器中的閘極電壓和偏壓的大小，來調控感光區域，從而可以調控光感測器的解析度和光回應度。所述光探測器具有高解析度工作模式和低解析度工作模式，可以根據實際應用而調節閘極電壓和偏壓，以獲得所需要的工作模式。此外，本發明提供的光探測器可以應用在光譜儀中，以用於對精細光譜結構的測量，在高分辨工作模式下，能夠檢測到週期為334奈米的明暗干涉條紋，具有高靈敏度、高解析度及高精度。
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。
100:半導體結構
102:半導體層
104:金屬型奈米碳管
106:石墨烯層

Claims (10)

  1. 一種半導體結構，其包括：一半導體層，該半導體層具有第一表面和與第一表面相對的第二表面；至少一根金屬型奈米碳管，該至少一根金屬型奈米碳管設置於所述半導體層的第一表面；至少一石墨烯層，該至少一石墨烯層設置於所述半導體層的第二表面，使所述半導體層設置於所述至少一根金屬型奈米碳管和所述至少一石墨烯層之間，所述至少一根金屬型奈米碳管與所述至少一石墨烯層縱橫交叉設置，而形成至少一個交叉層迭區域，在每一個交叉層迭區域，所述金屬型奈米碳管、所述半導體層及所述石墨烯層相互層迭形成一多層立體結構。
  2. 如請求項1所述的半導體結構，其中，所述半導體層的厚度為1奈米~200奈米。
  3. 如請求項1所述的半導體結構，其中，所述金屬型奈米碳管由去掉多壁金屬型奈米碳管的外壁而製備得到。
  4. 如請求項1所述的半導體結構，其中，所述半導體結構包括一根金屬型奈米碳管和一石墨烯層。
  5. 如請求項1所述的半導體結構，其中，所述半導體結構包括多根金屬型奈米碳管，所述多根金屬型奈米碳管的延伸方向相互平行。
  6. 如請求項1所述的半導體結構，其中，所述半導體結構包括多根金屬型奈米碳管，所述多根金屬型奈米碳管間隔設置於所述半導體層的第一表面。
  7. 如請求項1所述的半導體結構，其中，所述半導體結構包括複數石墨烯層，所述複數石墨烯層間隔設置於所述半導體層的第二表面。
  8. 一種光電器件，其包括：一閘極，該閘極為一層狀結構；一絕緣層，該絕緣層設置於所述閘極的表面；至少一根金屬型奈米碳管，該至少一根金屬 型奈米碳管設置於所述絕緣層遠離所述閘極的表面；一半導體層，所述半導體層覆蓋所述至少一根金屬型奈米碳管，並設置於所述絕緣層的表面；至少一石墨烯層，該至少一石墨烯層設置於所述半導體層的表面，使所述半導體層位於所述至少一根金屬型奈米碳管與所述至少一石墨烯層之間，其中，所述至少一根金屬型奈米碳管與所述至少一石墨烯層縱橫交叉設置，而形成至少一個交叉層迭區域，在每一個交叉層迭區域，所述金屬型奈米碳管、所述半導體層、所述石墨烯層三者相互層迭形成一多層立體結構；至少一第一電極，所述至少一第一電極分別與所述至少一根金屬型奈米碳管電連接；至少一第二電極，所述至少一第二電極與所述至少一石墨烯層電連接。
  9. 一種光探測器，其包括一光電器件、至少一電流探測組件及至少一電源，其中，所述光電器件為如請求項8所述的光電器件，所述光電器件中，每一多層立體結構均與一第一電極、一第二電極相連接，與同一多層立體結構相連接的第一電極、第二電極連接同一電流探測組件和電源，且連接同一第一電極和第二電極的電流探測組件和電源在同一回路上。
  10. 一種光譜儀，其包括一入射狹縫、一準直組件、一色散組件、一聚焦組件以及至少一光探測器，其中，所述光探測器為如請求項9所述的光探測器。
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