基于二维各向异性材料的片上光探测器及其制造方法技术

本公开提供了一种基于二维各向异性材料的片上光探测器及其制造方法，片上光探测器自下而上包括：重掺杂电极、薄层绝缘层、二维薄层材料和两个金属电极；二维薄层材料嵌设在薄层绝缘层和两个金属电极间；二维薄层材料为具有低面内对称性的二维材料。本公开光探测器使用的是全新的二维材料，由于材料本身的各向异性等特点，使得光探测器可以探测多角度的线偏振光，应用范围更加广泛，从根本上改变了探测器的性质。

On-chip photodetectors based on two-dimensional anisotropic materials and their fabrication methods

The present disclosure provides an on-chip Photodetector Based on two-dimensional anisotropic materials and a manufacturing method thereof. The on-chip photodetector comprises a heavily doped electrode, a thin insulating layer, a two-dimensional thin layer material and two metal electrodes from bottom to top; a two-dimensional thin layer material is embedded between a thin insulating layer and two metal electrodes; and a two-dimensional thin layer material is a two-dimensional material with low in-plane symmetry. The disclosed photodetector uses a completely new two-dimensional material. Because of the anisotropy of the material itself, the photodetector can detect multi-angle linear polarized light, and has a wider range of applications, which fundamentally changes the properties of the detector.

【技术实现步骤摘要】
基于二维各向异性材料的片上光探测器及其制造方法
本公开涉及光电探测器的制作领域，尤其涉及一种基于二维各向异性材料的片上光探测器及其制造方法。
技术介绍
2014年，曼彻斯特大学的Novoselov和Geim用机械剥离法从石墨中分离出了单层石墨烯，单层的石墨烯相比于其体材料具有更加优良的力学、热学和电学性能，并且在纳米电子学、能源、功能材料等方面都具有广阔的应用前景。自此，二维石墨烯迅速成为科研人员研究的热点，也激发了人们对二维材料领域的研究热情。通过人们不断探索，多种类石墨烯的二维材料(如：过渡金属双硫族化合物，氮化硼等)相继被制备出来。二维材料相比与其母体材料表现出更多新奇的物理化学性质，在未来的电子、信息、能源等领域具有巨大的应用潜力。光电探测器的原理是利用光照引起具有光电效应的材料及异质结产生额外的光生载流子，进而被人们探测到。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见紫外波段和可见波段主要应用于太阳能电池、工业自动控制；近红外波段主要用于射线测量和探测、光度计量；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。将二维材料应用到光探测器中可以提高探测器的光强敏感度，减少探测器的响应时间，拓展探测光范围等。将拥有面内各向异性的二维材料应用到光探测器中，可以制备出角度敏感的偏振光探测器。然而由于材料本身性能的限制，偏振光探测器的种类少，光敏感性较弱，器件响应速度较慢，各向异性不强等缺点。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种基于二维各向异性材料的片上光探测器及其制造方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种基于二维各向异性材料的片上光探测器包括：重掺杂电极、形成于重掺杂电极上的薄层绝缘层、形成于薄层绝缘层上的二维薄层材料和两个金属电极；所述二维薄层材料嵌设在所述薄层绝缘层和两个金属电极间；所述二维薄层材料为具有各向异性的二维材料。在本公开一些具体实施例中，所述的低面内对称性的二维材料为二维GeAs材料。在本公开一些具体实施例中，所述重掺杂电极为p型或n型的重掺杂硅衬底，作为所述片上光探测器的栅电极层；所述薄层绝缘层为200nm-400nm的二氧化硅，作为所述片上光探测器的栅介质层；所述两个金属电极分别为Ti/Au中任一个，作为所述片上光探测器的源电极层/漏电极层；所述Ti金属电极层的厚度为所述Au金属电极层的厚度为在本公开一些具体实施例中，所述片上光探测器的探测范围为紫外波段至中红外波段。根据本公开的另一个方面，提供了一种基于二维各向异性材料的片上光探测器的制造方法包括：步骤S1：通过化学气相输运法，在1000摄氏度以上的环境中生长二维薄层材料；步骤S2：重掺杂电极为p型或n型的重掺杂硅衬底，通过氧化工艺，氧化重掺杂硅衬底300nm厚的表层，形成薄层绝缘层；步骤S3：通过二维材料转移的方法，将少层的二维薄层材料转移到步骤S2的薄层绝缘层上；步骤S4：在步骤S3的二维薄层材料上制作两个金属电极。在本公开一些具体实施例中，还包括步骤S5：用不同波长的圆偏振光及线偏振光做入射光源，探测器件在光照下的电流变化，确定光探测器的性能。在本公开一些具体实施例中，所述步骤S1中，二维薄层材料生长前升温的温度梯度小于10℃/cm。在本公开一些具体实施例中，所述步骤S3中，将步骤S1中生长的二维薄层材料，通过机械剥离法获得少层的二维薄层材料；二维材料转移的方法为机械剥离法。在本公开一些具体实施例中，所述步骤S4包括：步骤S41：在二维材料上旋涂PMMA；步骤S42：离子束图形化刻蚀，再次用电子束蒸发的方法依次蒸镀Ti金属与Au金属；步骤S43：将器件浸泡在丙酮溶液中显影。在本公开一些具体实施例中，所述步骤S4还包括：步骤S44：电极制作完成后进行快速退火加工。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开基于二维各向异性材料的片上光探测器及其制造方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)光探测器使用的是全新的二维材料，由于材料本身的各向异性等特点，使得光探测器可以探测多角度的线偏振光，应用范围更加广泛，从根本上改变了探测器的性质。(2)二维材料的生长方法采用化学气相输运法，可以同时生产大量具有低的面内对称性的二维材料，材料制备相对简单。(3)背栅型光探测器相比于两端光探测器，可以进一步调控材料的载流子浓度，不失真的放大光信号电流。(4)硅衬底结构具有工艺成熟、低成本和大尺寸等优点。(5)本公开中光探测器制造方法的整个工艺过程，步骤简单容易操作，有节约成本和时间等优点。附图说明图1为本公开实施例基于二维各向异性材料的片上光探测器的结构示意图。图2为本公开实施例基于二维各向异性材料的片上光探测器的俯视的光学显微镜图像。图3为本公开实施例基于新型二维各向异性材料的片上光探测器制造方法的流程框图。图4为本公开实施例基于二维各向异性材料的片上光探测器在830nm波长不同功率的激光照射下的光响应情况示意图。【附图中本公开实施例主要元件符号说明】11-重掺杂电极；12-薄层绝缘层；13-二维薄层材料；14-金属电极。具体实施方式本公开提供了一种基于二维各向异性材料的片上光探测器及其制造方法，片上光探测器自下而上包括：重掺杂电极、薄层绝缘层、二维薄层材料和两个金属电极；二维薄层材料嵌设在薄层绝缘层和两个金属电极间；二维薄层材料为具有低面内对称性的二维材料。本公开光探测器使用的是全新的二维材料，由于材料本身的各向异性等特点，使得光探测器可以探测多角度的线偏振光，应用范围更加广泛，从根本上改变了探测器的性质。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于二维各向异性材料的片上光探测器。图1为本公开实施例基于二维各向异性材料的片上光探测器的结构示意图。图2为本公开实施例基于二维各向异性材料的片上光探测器的俯视的光学显微镜图像。如图1和图2所示，本公开基于二维各向异性材料的片上光探测器包括：重掺杂电极11、形成于重掺杂电极11上的薄层绝缘层12、形成于薄层绝缘层12上的二维薄层材料13和两个金属电极14；二维薄层材料13嵌设在薄层绝缘层12和两个金属电极14间；二维薄层材料13为具有各向异性的二维材料。在具体一实施例中，低面内对称性的二维材料为二维GeAs材料。具体的，重掺杂电极11为p型或n型的重掺杂硅衬底，作为片上光探测器的栅电极层，两个金属电极14分别为Ti/Au中任一个，作为片上光探测器的源电极层/漏电极层，一同构成场效应晶体管；薄层绝缘层12为200nm-400nm的二氧化硅，作为片上光探测器的栅介质层；Ti金属电极层的厚度为Au金属电极层的厚度为其中，片上光探测器的探测范围为紫外至中红外波段。在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种基于二维各向异性材料的片上光探测器的制造方法。图3为本公开实施例基于新型二维各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维各向异性材料的片上光探测器，包括：重掺杂电极、形成于重掺杂电极上的薄层绝缘层、形成于薄层绝缘层上的二维薄层材料和两个金属电极；所述二维薄层材料嵌设在所述薄层绝缘层和两个金属电极间；所述二维薄层材料为具有各向异性的二维材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维各向异性材料的片上光探测器，包括：重掺杂电极、形成于重掺杂电极上的薄层绝缘层、形成于薄层绝缘层上的二维薄层材料和两个金属电极；所述二维薄层材料嵌设在所述薄层绝缘层和两个金属电极间；所述二维薄层材料为具有各向异性的二维材料。2.根据权利要求1所述的片上光探测器，其中，所述的低面内对称性的二维材料为二维GeAs材料。3.根据权利要求1所述的片上光探测器，其中，所述重掺杂电极为p型或n型的重掺杂硅衬底，作为所述片上光探测器的栅电极层；所述薄层绝缘层为200nm-400nm的二氧化硅，作为所述片上光探测器的栅介质层；所述两个金属电极分别为Ti/Au中任一个，作为所述片上光探测器的源电极层/漏电极层；所述Ti金属电极层的厚度为所述Au金属电极层的厚度为4.根据权利要求1所述的片上光探测器，其中，所述片上光探测器的探测范围为紫外波段至中红外波段。5.一种基于二维各向异性材料的片上光探测器的制造方法，其中包括：步骤S1：通过化学气相输运法，在1000摄氏度以上的环境中生长二维薄层材料；步骤S2：重掺杂电极为p型或n型的重掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏钟鸣，周子琦，胡伟达，龙明生，王晓亭，文宏玉，李京波，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11