一种自驱动的宽光谱光电探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种自驱动的宽光谱光电探测器及其制备方法。

背景技术

高性能光电探测器是包括光发射、光波导、光电接收器和电子电路在内的光电集成系统的关键部件，是现代通信和成像系统的核心；其中，能够在宽光谱范围内工作的光电探测器，对于应对无人驾驶车辆、军事侦察和目标跟踪等许多场景是非常重要的。目前，Ga

由于二维材料具有强的光-物质相互作用和易于集成的优势，因此在自驱动光电探测器中具有很大的潜力。非对称接触是构建自驱动光电探测器的一种常见的方法，通过使用具有大功函数差异的金属电极，在二维材料的两端建立肖特基势垒，在界面处形成同向的能带弯曲，从而在沟道中形成强的内建电场促使光生载流子发生分离，这样响应机制为光伏(PV)效应。但是，这些具有非对称接触的自驱动光电探测器通常基于大带隙过渡金属硫族化物(TMDCs)，其限制了自驱动光电探测器仅可工作于可见光谱的探测范围。

随着窄带隙二维材料研究的深入，如黑磷(BP)、黑砷(b-As)和碲(Te)，使得基于这些材料制备的光电探测器的探测范围进一步扩展到了红外光谱，但这一类红外光电探测器通常需要外部电源进行驱动产生光电流。如Chen等人

因此，如何基于窄带隙二维材料构建非对称的接触提供强内建电场，使其能够在可见光到红外光的宽光谱范围内自驱动工作，就成为研究重点。

[1]NATURE COMMUNICATIONS|8:1672|DOI:10.1038/s41467-017-01978-3

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种自驱动的宽光谱光电探测器及其制备方法。该探测器中，窄带隙二维半导体的一侧与金属接触，另一侧与二维半金属接触，从而在窄带隙二维半导体两侧分别构建良好的非对称肖特基和欧姆接触。该结构在无须外部供电条件下实现了从可见光到红外光谱的宽探测光谱范围和高光探性能，并且同时降低了暗电流，具有高响应度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种自驱动的宽光谱光电探测器，其特征在于，所述宽光谱光电探测器包括绝缘衬底，位于衬底表面的窄带隙二维半导体层，所述窄带隙二维半导体层表面一侧设置金属层，另一侧设置二维半金属层；

所述二维半金属层材料的功函数与窄带隙二维半导体层材料的费米能级相接近，使其在二维半金属层和窄带隙二维半导体层的界面处形成欧姆接触。

进一步地，绝缘衬底材料优选为二氧化硅。

进一步地，所述窄带隙二维半导体的材料优选为黑磷；二维半金属层材料优选为二碲化钨；金属层材料优选为Cr/Au的复合电极。

进一步地，所述二维半金属层的厚度为5-15nm，窄带隙二维半导体层的厚度为5-15nm。

本发明还提供一种上述宽光谱光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：通过二维转移平台，利用聚碳酸亚丙酯薄膜在衬底表面无损转移窄带隙二维半导体；

步骤2：将二维半金属层采用无损转移至步骤1中窄带隙二维半导体层表面的一侧；

步骤3：在窄带隙二维半导体层表面的另一侧结合光刻和电子束曝光EBL，制备金属层，即可得到所需的宽光谱光电探测器。

本发明的机理为：

若在窄带隙二维半导体材料的两侧均设置金属电极，因为窄带隙二维半导体材料的费米能级位置较高，且带隙较窄，采用双金属电极通常形成对称的肖特基接触，难以形成强的单边内建电场驱动光生载流子的自发分离。

本发明光电探测器通过选择特定的电极材料，在窄带隙二维半导体两侧同时构建良好的非对称肖特基接触和欧姆接触，即金属层与窄带隙二维半导体的接触界面为肖特基接触，二维半金属和窄带隙二维半导体界面形成欧姆接触；结构在窄带隙二维半导体材料沟道内形成电势差，并产生内建电场，内建电场促进光生电子、空穴的分离；同时，窄带隙二维半导体为可见光和红外波段的光敏材料，从而保证器件在零偏置下实现从可见光到红外波段的宽光谱光电探测。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明光电探测器能够实现从可见光到红外光的宽光谱探测范围，并且具有自驱动的优势；同时，因为固有的耗尽区的存在，器件在零偏置下的暗电流较小，可达10

2、本发明光电探测器的制备工艺简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明自驱动宽光谱光电探测器中除衬底外的结构示意图；

图2为本发明自驱动宽光谱光电探测器中窄带隙二维半导体、金属电极和二位半金属在能带对齐前的能带示意图。

图3为本发明自驱动宽光谱光电探测器的能带示意图。

图4为现有技术中对称电极的光电探测器的能带示意图。

图5为本发明自驱动宽光谱光电探测器在零偏置电压下，不同波长激光辐照条件下的光电流。

图6为本发明自驱动宽光谱光电探测器在零偏置条件下，不同波长激光辐照下的光响应率图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

一种自驱动的宽光谱光电探测器，宽光谱光电探测器的衬底为SiO

为了方便测试使用，金属层作为金属电极中的源极，同时在二维半金属二碲化钨侧引出面积更大的金属电极，作为漏极。

自驱动的宽光谱光电探测器具体制备方法为：

步骤1.衬底选择，

选用厚度0.5毫米的重掺杂的SiO

步骤2.二维半导体转移制备，

用胶带将窄带隙二维半导黑磷和二维半金属二碲化钨晶体机械剥离，通过二维转移平台，利用聚碳酸亚丙酯薄膜先将窄带隙二维半导黑磷无损转移至衬底表面，再将二碲化钨无损转移至黑磷表面的一侧；

步骤3.电极制备，

利用电子束曝光制备源极、漏极电极图形；利用热蒸发技术制备金属电极，铬/金(5/50nm)；结合lift-off方法，剥离金属膜，获得源极、漏极电极，沟道宽度为3微米，即可得到宽光谱光电探测器。

本实施例制备的光电探测器的能带示意图如图3所示；在暗态和激光辐照条件下的输出曲线图如图4所示；在零偏置条件下，激光辐照下的光电流如图5所示，光响应率如图6所示。

图2为本发明自驱动宽光谱光电探测器中窄带隙二维半导体、金属电极和二位半金属在能带对齐前的能带示意图。在能带对齐之前，因为金属的功函数远大于窄带隙二维半导体的费米能级，在其界面处形成肖特基势垒；而在另外一侧，因为二维半金属的功函数与窄带隙二维半导体的费米能级基本一致，形成欧姆接触。

图3为本发明自驱动宽光谱光电探测器的能带示意图。从图中可以看出，窄带隙二维半导体与金属接触时，因为金属的功函数远大于窄带隙二维半导体的费米能级，能带向上发生弯曲，形成肖特基势垒；窄带隙二维半导体与二维半金属接触时，因为二维半金属的功函数与窄带隙二维半导体的费米能级基本一致，形成欧姆接触。零偏置下，黑磷在激光辐照下产生的光生载流子被内建电场分离，电子向二碲化钨移动，空穴向金属电极移动。

图4为现有技术中对称电极的光电探测器的能带示意图。窄带隙二维半导体与对称的金属接触时，因为金属的功函数远大于窄带隙二维半导体的费米能级，两端的能带同时向上发生弯曲，形成对称的肖特基势垒。零偏置下，因为两端势垒的存在，黑磷在激光辐照下产生的光生载流子无法被自发分离，无法形成有效的光电流。

图5和图6为本发明自驱动宽光谱光电探测器在零偏置电压下，不同波长激光辐照条件下的光电流和光响应率图。图5中，在光辐照条件下，本实施例制备的非对称接触的光电探测器在从可见光到红外的宽光谱范围内展现出自供电探测的能力，在零偏置电压下具有明显的光电流。如图所示，在零偏置电压下，532nm光照条件下的光电流最大，其次是在红外1550nm光照下的光电流，808nm光照下的光电流最弱，但是从可见到红外的宽光谱中，光电探测器均能实现探测。

图6中，在光辐照条件下，零偏置电压下，本实施例制备的非对称接触的光电探测器展现出优异的宽光谱光电探测的能力，如图所示，零偏置电压下，532nm光照条件下的光响应率最高，优于红外1550nm光照下的光响应率，808nm光照下的光响应率最弱。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。