本发明专利技术公开了一种基于石墨烯‑半导体异质结的位敏感光电探测器，该探测器结构自下而上依次为金属背电极1、半导体层2和开孔绝缘层3，其中开孔绝缘层3的开孔处覆盖有石墨烯层4，且石墨烯层4的边缘伸出开孔绝缘层3的开孔，平铺于开孔绝缘层3的上表面；在平铺于开孔绝缘层3上表面的石墨烯层4上表面设置有水平X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极；覆盖在开孔绝缘层3开孔处的石墨烯层4上表面修饰有等离激元金属纳米结构6。本发明专利技术提出的位敏感光电探测器具有响应速度快、位置探测灵敏度高，能够探测微弱光信号的特点，在光电信号检测领域具有很好的应用前景。
A Bit-Sensitive Photodetector Based on Graphene-Semiconductor Heterojunction
【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯-半导体异质结的位敏感光电探测器
本专利技术涉及一种基于石墨烯-半导体异质结的位敏感光电探测器，属于光电探测领域。技术背景光电探测器作为一种将光信号转换为电信号的器件，已经被应用于光谱检测、成像、监控等诸多领域。基于垂直型光伏效应或者光电导效应的光电探测器与其他光学元件相结合，可以实现对入射光的波长、强度、偏振相位信息的探测。基于横向光伏效应的光电探测则可以实现位置敏感光电探测，因其可以精确光学测量位置距离、偏移量角度等相关物理变量，基于横向光电效应的位置敏感光电探测器，被广泛应用在光学工程、航天航空和军事等领域。目前主流商用的位置敏感探测器主要是基于硅基的PN结或者PIN结结构，光生电子空穴对在异质结耗尽层内建电场的作用下被分离，并且在半导体层表面扩散，最终被两个终端电极收集，可以通过两个电极的电流或者电压差来判断入射光斑的位置。影响位置敏感探测器的性能主要有两个因素：光吸收效率和载流子的分离及扩散长度。基于硅基的位置敏感探测器的最小探测光功率也是限制其广泛应用的一个瓶颈，例如在激光制导系统中，目标识别的有效范围直接取决于位置敏感探测器的最小可探测光功率。为了提高探测器的性能，研究人员提出了多种位置敏感光电探测器结构包括Ti/Si非晶超晶格(Appl.Phys.Lett.1986，49,1537–1539),metal–Si或metal–SiO2–Si(Appl.Phys.Lett.2009，95：263506，Opt.Express，2008，16:3798–3806.)，GaAs/AlGaAs异质结(Semicond.Sci.Technol.1989，4:837–840)，这些探测器都具备良好的线性度，快速响应等特点，但是光电响应度都较低，不适合微弱信号探测，而且工作波段主要集中在可见光波段，而工作在红外波段的探测器一般主要基于热效应探测器，需要制冷系统。为了解决这些问题，研究人员提出利用石墨烯与硅的异质结结构实现宽波段高性能的光电探测器件(Optica,2018,5(1):27-31.)，光生电子空穴对在石墨烯和硅的异质结处被内建电场分离，空穴进入石墨烯，然后横向输运被金属电极收集，由于石墨烯的电子空穴迁移率高(因此载流子的扩散长度长)，同时石墨烯可以对可见光和近红外光整个波段都响应，基于石墨烯-硅异质结的位置敏感探测器可以实现大面积工作区(8mm*8mm，甚至更大)，最小探测光功率达到17nW，同时工作波段可以拓展到近红外。但由石墨烯的本征光学特性可知，其在可见光波段的光吸收效率较低(只有2.3％)，相对传统位置敏感探测器，其最弱光电探测能力有所提高但是仍有很大提升空间，同时硅材料的光吸收位置可能与石墨烯/硅的耗尽层内建电场位置不重合，在硅材料内部光吸收产生电子空穴需要通过扩散作用输运到电极，增加了了器件的光电响应时间，降低了响应速度。针对现有器件和技术的不足，本专利技术的主要目的在于提供一种基于石墨烯-半导体异质结的位敏感光电探测器，该位敏感光电探测器中等离激元结构的局域场增强以及陷光作用，增强了石墨烯-半导体异质结形成的耗尽层内的光吸收，增加了光电响应度，进而增强了位置探测的灵敏度，同时也提高了器件可以探测的最小光信号强度，另外也还可以提高探测器的响应时间。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于石墨烯-半导体异质结的位敏感光电探测器，该位敏感光电探测器中等离激元结构的局域场增强以及陷光作用，增强了石墨烯-半导体异质结形成的耗尽层内的光吸收，增加了光电响应度，进而增强了位置探测的灵敏度，同时也提高了器件可以探测的最小光信号强度，另外也可以提高的探测器的响应时间，克服了现有位置敏感探测器的光电响应度低、不易于检测微弱光信号、同时响应时间慢的不足。技术方案：本专利技术提供了一种基于石墨烯-半导体异质结的位敏感光电探测器，该探测器结构自下而上依次为金属背电极、半导体层和开孔绝缘层，其中开孔绝缘层的开孔处覆盖有石墨烯层，且石墨烯层的边缘伸出开孔绝缘层的开孔，平铺于开孔绝缘层的上表面；在平铺于开孔绝缘层上表面的石墨烯层上表面设置有水平X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极；覆盖在开孔绝缘层开孔处的石墨烯层上表面修饰有等离激元金属纳米结构。其中：所述的金属背电极和半导体层形成欧姆接触；所述的开孔绝缘层的开孔处覆盖有石墨烯层，该开孔处的石墨烯层与半导体层直接接触，并且形成肖特基异质结。所述在平铺于开孔绝缘层上表面的石墨烯层上表面设置有X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极，石墨烯层与X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极直接接触形成欧姆接触。所述的在平铺于开孔绝缘层上表面的石墨烯层上表面设置有X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极，X轴方向的金属对电极为x轴金属对电极Vx1和x轴金属对电极Vx2，二者对称分布于开孔绝缘层开孔的两边，垂直Y轴方向的金属对电极为Y轴的金属对电极Vy1和Y轴的金属对电极Vy2，两者对称分布于开孔绝缘层开孔的两边。所述的半导体层材料为硅、锗、砷化镓或者磷化铟。所述的开孔绝缘层材料为低光吸收介质材料，包括氧化硅、氮化硅、三氧化二铝或者氟化镁。所述的开孔绝缘层的厚度为100nm～200nm，其开孔形状为正方形或者长方形，且水平X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极分别与开孔边的方向平行。所述的等离激元金属纳米结构为无序的金属纳米颗粒阵列或者周期性金属纳米结构阵列，周期性金属纳米结构阵列包括周期性纳米球阵列、周期性纳米三角板阵列、周期性纳米方块阵列、周期性纳米盘阵列、周期性纳米棒阵列或者周期性蝴蝶结阵列。所述的等离激元金属纳米结构中，金属材料为金、银、铜、铝或铂中的一种或多种组成的合金。所述的覆盖在开孔绝缘层开孔处的石墨烯层上表面修饰有等离激元金属纳米结构，是指该等离激元金属纳米结构覆盖整个开孔区域的石墨烯层。该位敏感光电探测器的工作波段为紫外-可见光波段或者近红外通讯波段，其工作波段通过改变等离激元金属纳米结构的分布和尺寸来调控。该位敏感光电探测器中的金属对电极与外部电路相连，入射光照射器件上表面，光吸收主要集中在石墨烯与半导体形成的耗尽层附近，产生电子空穴，光生空穴在内建电场的作用下，进入到石墨烯，然后向X轴方向的金属对电极和Y轴方向的金属对电极移动，最终被外电路收集，分别根据X轴方向的金属对电极和Y轴方向的金属对电极收集到的电流差值，可以反推判断入射光照的位置。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、相对于传统的位置敏感探测器，以及普通的石墨烯-硅结构的位置敏感探测器，该专利技术提供的位敏感光电探测器中的等离激元结构的局域场增强以及陷光作用，不仅增强了石墨烯-半导体异质结形成的耗尽层内的光吸收，增加了光电响应度，进而增强了位置探测的灵敏度，降低了探测器可以探测分辨的最小光信号强度，同时光生电子空穴产生的位置位于异质结的耗尽层内，光电电子空穴分离之后传输的距离短，损耗变低，也增强了光电响应度；2、该专利技术提供的位敏感光电探测器中，由于等离激元结构的局域场增强作用，导致光吸收主要集中在石墨烯与半导体形成的耗尽层内，光电电子空穴分离之后传输的距离短，也提高了的探测器的响应速度。附图说明图1为本专利技术提供的基于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于石墨烯‑半导体异质结的位敏感光电探测器，其特征在于：该探测器结构自下而上依次为金属背电极(1)、半导体层(2)和开孔绝缘层(3)，其中开孔绝缘层(3)的开孔处覆盖有石墨烯层(4)，且石墨烯层(4)的边缘伸出开孔绝缘层(3)的开孔，平铺于开孔绝缘层(3)的上表面；在平铺于开孔绝缘层(3)上表面的石墨烯层(4)上表面设置有水平X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极；覆盖在开孔绝缘层(3)开孔处的石墨烯层(4)上表面修饰有等离激元金属纳米结构(6)。
【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯-半导体异质结的位敏感光电探测器，其特征在于：该探测器结构自下而上依次为金属背电极(1)、半导体层(2)和开孔绝缘层(3)，其中开孔绝缘层(3)的开孔处覆盖有石墨烯层(4)，且石墨烯层(4)的边缘伸出开孔绝缘层(3)的开孔，平铺于开孔绝缘层(3)的上表面；在平铺于开孔绝缘层(3)上表面的石墨烯层(4)上表面设置有水平X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极；覆盖在开孔绝缘层(3)开孔处的石墨烯层(4)上表面修饰有等离激元金属纳米结构(6)。2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-半导体异质结的位敏感光电探测器，其特征在于：所述的金属背电极(1)和半导体层(2)形成欧姆接触；所述的开孔绝缘层(3)的开孔处覆盖有石墨烯层(4)，该开孔处的石墨烯层(4)与半导体层(2)直接接触，并且形成肖特基异质结。3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-半导体异质结的位敏感光电探测器，其特征在于：所述在平铺于开孔绝缘层(3)上表面的石墨烯层(4)上表面设置有X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极，石墨烯层(4)与X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极直接接触形成欧姆接触。4.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-半导体异质结的位敏感光电探测器，其特征在于：所述的在平铺于开孔绝缘层(3)上表面的石墨烯层(4)上表面设置有X轴方向的金属对电极和垂直Y轴方向的金属对电极，X轴方向的金属对电极为x轴金属对电极Vx1(4)和x轴金属对电极Vx2(7)，二者对称分布于开孔绝缘...
【专利技术属性】
技术研发人员：翟雨生，王琦龙，计吉焘，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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