一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器，涉及光探测技术领域，解决器件不具有宽光谱、快速、低噪声的响应特性问题。本发明专利技术包括二氧化硅衬底层，从下到上依次设置在二氧化硅衬底层上的第一石墨烯层、第一隔离介质层、二硫化钼层、黑磷导电层、第二隔离介质层和第二石墨烯层；所述二硫化钼层和黑磷导电层构成异质结结构；所述黑磷导电层上设置有第一引出电极和第二引出电极，第二隔离介质层和第二石墨烯层将第一引出电极和第二引出电极隔开；所述第一石墨烯层延伸出第一隔离介质层，在延伸的第一石墨烯层上设置有第一电极，所述第二石墨烯层上设置第二电极，形成平板电容结构。本发明专利技术用于实现宽光谱、超快响应的光探测器。

【技术实现步骤摘要】
一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器
一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器，用于实现宽光谱、超快响应的光探测器，属于光探测

技术介绍
传统基于IV族和III‐V族半导体材料(例如硅和砷化镓)的光探测器的适用光谱范围和探测带宽普遍受到其材料本身的能量带隙和载流子渡越时间的制约，因此实现宽光谱、超快响应的光调制器比较困难。随着科技的快速发展，对器件集成度的要求也越来越高，器件尺寸需要不断减小，基于传统材料的光探测器的器件已接近极限。近年来，对近红外激光器的研究也越来越受到关注，尤其是应用在医学方面的激光手术刀，涉及激光光波长从1μm到3μm范围变化，需要一个宽光谱的光探测器来对其激光光束质量进行有效地检测和评估。石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，在室温下具有超高的电子迁移率，是一个优良的二维导体，单层石墨烯对垂直入射光的透射率高，可达97.7％。由于石墨烯材料优异的光电特性，在光调制器、光探测器、场效应管和超级电容方面已得到广泛的研究，且其在超级电容方面的应用，已取得了实质上的突破。黑磷和二硫化钼材料都是直接带隙材料，并且能量带隙是可控的。目前基于黑磷/二硫化钼异质结在场效应管、超短脉冲激光器方面的研究得到了广泛的关注。研究表明，黑磷和二硫化钼构成的异质结结构中黑磷和二硫化钼之间的相互作用相对是比较弱的，黑磷和二硫化钼材料在光学和电学特性上可以发挥各自的优势，满足特殊光学和电子学应用需求，且黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙是可由外部电场调控的(见文献L.Huang,etal.Electric‐fieldtunablebandoffsetsinblackphosphorusandMoS2vanderWaalsp‐nheterostructure.J.Phys.Chem.Lett.,vol.6,2015)。黑磷材料的光电学特性与其层数或厚度有着密切关联，单原子层黑磷的带隙为2eV，多原子层黑磷的带隙可低至为0.3eV，因而通过控制黑磷的生长厚度来调控其带隙，可以在0.5μm～4.1μm波长范围工作。
技术实现思路
本专利技术针对上述不足之处提供了一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器，解决器件不具有宽光谱、快速、低噪声的响应特性，同时不具有与CMOS工艺兼容、体积小、易于集成和响应光谱范围可调的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器，其特征在于：包括二氧化硅衬底层，从下到上依次设置在二氧化硅衬底层上的第一石墨烯层、第一隔离介质层、二硫化钼层、黑磷导电层、第二隔离介质层和第二石墨烯层；所述二硫化钼层和黑磷导电层构成异质结结构；所述黑磷导电层上设置有第一引出电极和第二引出电极，第二隔离介质层和第二石墨烯层将第一引出电极和第二引出电极隔开；所述第一石墨烯层延伸出第一隔离介质层，在延伸的第一石墨烯层上设置有第一电极，所述第二石墨烯层上设置第二电极，形成平板电容结构。进一步，所述黑磷导电层为单层或多层。进一步，所述第一石墨烯层和第二石墨烯层为单层或多层。进一步，所述第一电极和第二电极中的一个电极连接正电极，另一个电极接地，在第一石墨烯层和第二石墨烯层之间形成垂直于黑磷/二硫化钼异质结的电场。进一步，所述第一隔离介质层和第二隔离介质层为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物绝缘材料中的一种，并将第一石墨烯层、黑磷/二硫化钼异质结和第二石墨烯层依次隔离。进一步，所述第一电极层、第二电极层、第一引出电极和第二引出电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或多种。进一步，所述第一引出电极和第二引出电极为引出电极，与外部电路相连。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：一、本专利技术的光探测器以二氧化硅作为衬底，与CMOS工艺兼容，易于集成；二、本专利技术光探测器不仅尺寸小，且黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙可由外加电场调控，能量带隙的调控范围为0.9eV到0eV范围变化，具有响应光谱范围可调，适用光谱范围宽的优点；三、本专利技术中黑磷/二硫化钼异质结结构可以大幅度增强光子的吸收和提高光生载流子的产生，且黑磷材料具有超快的载流子恢复时间(飞秒量级)和较高的载流子迁移率，可具有较高的探测带宽和较快的光响应速度；四、本专利技术中黑磷是直接带隙材料，具有更小的噪声电流，可以避免长波长杂散光产生的噪声，提高了光探测器的灵敏度。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为图1的横截面结构示意图；图中：1、二氧化硅衬底层，21、第一石墨烯层，22、第二石墨烯层，31、第一隔离介质层，32、第二隔离介质层，4、二硫化钼层，5、黑磷导电层，61、第一电极层，62、第二电极层，71、第一引出电极，72、第二引出电极。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器，包括二氧化硅衬底层1，从下到上依次设置在二氧化硅衬底层1上的第一石墨烯层21、第一隔离介质层31、二硫化钼层4、黑磷导电层5、第二隔离介质层32和第二石墨烯层22；所述二硫化钼层4和黑磷导电层5构成异质结结构；所述黑磷导电层5上设置有第一引出电极71和第二引出电极72，第二隔离介质层32和第二石墨烯层22将第一引出电极71和第二引出电极72隔开；所述第一石墨烯层21延伸出第一隔离介质层31，在延伸的第一石墨烯层21上设置有第一电极61，所述第二石墨烯层22上设置第二电极62，形成平板电容结构。第一电极61和第二电极62中的一个电极连接正电极，另一个电极接地，形成平板电容，将黑磷/二硫化钼异质结夹在中间，在第一石墨烯层21和第二石墨烯层22之间形成垂直于黑磷/二硫化钼异质的电场，通过调谐电场的强度可调谐黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙的大小，能量带隙的调控范围为0.9eV到0eV范围变化，从而改变光探测响应的光谱范围，相比于零带隙的石墨烯材料，可以避免长波长杂散光产生的噪声，提高光探测器的灵敏度。石墨烯材料对垂直入射光的透射性好，绝大部分光可进入到黑磷/二硫化钼异质结层，产生光生载流子，通过第一引出电极71和第二引出电极72和外部电路连接，可检测到由光子转化为的电流信息，实现光信号的探测功能。本专利技术光探测器结构以二氧化硅材料作为衬底，与CMOS工艺兼容，易于集成。黑磷/二硫化钼异质结结构可以大幅度增强光子的吸收和提高光生载流子的产生，且黑磷材料具有超快的载流子恢复时间(飞秒量级)和较高的载流子迁移率，可具有较高的探测带宽和较快的光响应速度。实施例1图1是本专利技术实施例中基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器结构示意图；图2是本专利技术实施例中基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器横截面结构示意图。由图1、2可见，本专利技术提供的基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器包括二氧化硅衬底层1，在二氧化硅衬底层1的中心部分上，从下到上依次设置有第一石墨烯层21、第一隔离介质层31、二硫化钼层4、黑磷导电层5、第二隔离介质层32和第二石墨烯层22；所述二硫化钼层4和黑磷导电层5构成异质结结构，所述二硫化钼层4和黑磷导电层5相重叠，并分别向两侧延伸出第一隔离介质层31连接第一引出电极71和第二引出电极72；所述第二隔离介质层32和第二石墨烯层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器，其特征在于：包括二氧化硅衬底层(1)，从下到上依次设置在二氧化硅衬底层(1)上的第一石墨烯层(21)、第一隔离介质层(31)、二硫化钼层(4)、黑磷导电层(5)、第二隔离介质层(32)和第二石墨烯层(22)；所述二硫化钼层(4)和黑磷导电层(5)构成异质结结构；所述黑磷导电层(5)上设置有第一引出电极(71)和第二引出电极(72)，第二隔离介质层(32)和第二石墨烯层(22)将第一引出电极(71)和第二引出电极(72)隔开；所述第一石墨烯层(21)延伸出第一隔离介质层(31)，在延伸的第一石墨烯层(21)上设置有第一电极(61)，所述第二石墨烯层(22)上设置第二电极(62)，形成平板电容结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器，其特征在于：包括二氧化硅衬底层(1)，从下到上依次设置在二氧化硅衬底层(1)上的第一石墨烯层(21)、第一隔离介质层(31)、二硫化钼层(4)、黑磷导电层(5)、第二隔离介质层(32)和第二石墨烯层(22)；所述二硫化钼层(4)和黑磷导电层(5)构成异质结结构；所述黑磷导电层(5)上设置有第一引出电极(71)和第二引出电极(72)，第二隔离介质层(32)和第二石墨烯层(22)将第一引出电极(71)和第二引出电极(72)隔开；所述第一石墨烯层(21)延伸出第一隔离介质层(31)，在延伸出的第一石墨烯层(21)上设置有第一电极(61)，所述第二石墨烯层(22)上设置第二电极(62)，形成平板电容结构。2.根据权利要求1所述的一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器，其特征在于：所述黑磷导电层(5)为单层或多层。3.根据权利要求1所述的一种基于黑磷/二硫化钼异质结能量带隙可调的光探测器，其特征在于：所述第一石墨烯层(21)和第二石墨烯层(22)为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆荣国，叶胜威，田朝辉，寿晓峰，陈德军，张尚剑，刘永，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51