一种双波段薄膜光探测器及其制备方法技术

本发明专利技术属于微纳制造与光电子器件领域，并公开了一种双波段薄膜光探测器，包括基底薄片、第一电极层、第一WSe2层、石墨烯层、第一MoS2层、第二电极层、介质层、第二WSe2层、第三电极层、第二MoS2层和第四电极层,第一电极层设置在基底薄片上；第一WSe2层铺设在基底薄片和第一电极层上；石墨烯层设置在第一WSe2层上；第一MoS2层设置在石墨烯层上；第二电极层设置在第一MoS2层上；介质层铺设在第一MoS2层和第二电极层上；第二WSe2层设置在介质层上；第三电极层和第二MoS2层设置在第二WSe2层上；第四电极层设置在第二MoS2层上。本发明专利技术所采用的载流子迁移率高，在可见光波段的光吸收特性好。

【技术实现步骤摘要】
一种双波段薄膜光探测器及其制备方法
本专利技术属于微纳制造与光电子器件领域，更具体地，涉及一种双波段薄膜光探测器及其制备方法。
技术介绍
光电探测器在国民经济以及军事等各个领域有广泛的用途。基于不同波段探测的光电探测器，对不同领域的探测有着重要作用。在可见光以及近红外波段，光电探测器主要应用于射线测量和探测、工业自动控制、光度测量等方面；在红外波段，其主要的用途有导弹制导、红外成像、红外遥感等；在紫外波段，主要用途有紫外制导、紫外告警、紫外通讯、紫外对抗等军事化应用。传统的基于IV族和II1-V族半导体(例如硅和砷化镓)的光探测器的波谱范围和探测带宽受到其能带和载流子渡越时间的限制，难以实现超快宽带吸收的光探测器，不适用于某些对器件性能要求更加严格的应用场合。同时，传统基于IV族和II1-V族半导体的器件尺寸已经接近其极限，难以满足逐渐提高的器件集成度要求。另一方面，二维层状原子晶体材料通常体现出其相应的体材料中所没有的性质，典型代表如MoS2和WSe2,为直接带隙半导体材料，具有一定的能带带隙和极高的载流子迁移率，并且在可见光区具有很强的光吸收特性。石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料，和硅接触可以形成肖特基结，制备工艺简单，在光电探测领域有广泛应用。然而，基于单一的二维材料的光探测器的性能有待提高。目前有些直接采用以石墨烯为代表的材料构建的光探测器，体现出独特的零带隙能带结构和近弹道输运的电学性质，传统半导体光探测器相比，具有探测波谱范围宽、超快响应速度和高截止频率的工作特性。然而其缺陷在于器件的光响应度低，光生载流子的提取难。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种双波段薄膜光探测器及其制备方法，该双波段薄膜光探测器利用二维材料异质结解决单一的二维材料的光探测器响应率受限、探测波段有限等一系列问题。既能保证器件具有快速宽带响应特性，同时采用纵向垂直器件结构，又可以提高器件的单片集成度，该制备方法工艺简单。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，包括基底薄片、第一电极层、第一WSe2层、石墨烯层、第一MoS2层、第二电极层、介质层、第二WSe2层、第三电极层、第二MoS2层和第四电极层，其中，所述第一电极层设置在所述基底薄片的上表面上；所述第一WSe2层同时铺设在所述基底薄片的上表面和所述第一电极层的上表面上，且所述第一电极层上表面包裹一层石墨烯薄膜；所述石墨烯层设置在所述第一WSe2层的上表面上；所述第一MoS2层设置在所述石墨烯层的上表面上，并且其上端具有缺口；所述第二电极层设置在所述第一MoS2层的缺口处，两者之间设置有石墨烯薄膜，而且两者的上表面平齐；所述介质层同时铺设在所述第一MoS2层和所述第二电极层的上表面上；所述第二WSe2层设置在所述介质层的上表面上；所述第三电极层和第二MoS2层并排设置在所述第二WSe2层的上表面上，并且两者之间存在间隙；所述第四电极层设置在所述第二MoS2层的上表面上。优选地,所述基底薄片为硅片、玻璃片、PET塑料片或PDMS片。优选地,所述第一电极层～第四电极层的材料选自金、铂、银或铜，厚度分别为10-200nm。优选地,第一WSe2层上表面的石墨烯层替换为黑磷层。优选地,所述第一WSe2层和第二WSe2层的厚度分别为5-300nm。优选地,，所述第一MoS2层和第二MoS2层的厚度分别为5-300nm。优选地,所述介质层的材料选自SiO2、Si3N4或Al2O3，其厚度为30-200nm。按照本专利技术的另一个方面,还提供了一种双波段薄膜光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在基底薄片的上表面涂布光刻胶，然后采用光刻工艺去除部分光刻胶，以在基底薄片上为形成第一电极层预留位置；2)通过镀膜工艺在步骤1)所预留的位置镀上第一电极层；3)去除基底薄片上剩下的光刻胶；4)在第一电极层的上表面覆盖石墨烯薄膜；5)制备第一WSe2层，而且使第一WSe2层覆盖第一电极层的上表面和基底薄片的上表面；6)采用化学气相沉积法在一铜箔上生长一层石墨烯，然后将这层石墨烯转移到第一WSe2的上表面上形成石墨烯层；7)在石墨烯层上制备第一MoS2层，其中第一MoS2层的上端存在缺口；8)在第一MoS2的缺口处的表面覆盖石墨烯薄膜，然后在缺口处的表面旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺去除部分光刻胶，在去除光刻胶的部位镀上第二电极层，并使第二电极层的上表面与第一MoS2层的上表面平齐；9)利用磁控溅射工艺镀上一层介质层，并且介质层同时铺设在第二电极层和第一MoS2层的上表面；10)在介质层的上表面制备第二WSe2层；11)在第二WSe2层的上表面上制备第二MoS2层；12)在第二WSe2层的上表面旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺去除部分光刻胶，在去除光刻胶的部位镀上第三电极层，并且使第三电极层与第二MoS2层之间存在间隙，然后再去除剩余的光刻胶；13)在第二MoS2层的上表面旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺去除部分光刻胶，在去除光刻胶的部位镀上第四电极层，然后再去除剩余的光刻胶，从而形成所述双波段薄膜光探测器。优选地,步骤4)中第一电极层表面的石墨烯薄膜采用转移方法形成，转移的具体步骤如下：采用化学气相沉积的方法在一铜箔基底上制备石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4～5h以腐蚀去除铜箔基底，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；然后将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到第一电极层的表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯。优选地,所述刻蚀溶液由CuSO4和HCl分别加入水中形成，并且三者的比例为CuSO4：HCl：H2O＝1g：5ml：5ml。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术所采用的WSe2和MoS2层的载流子迁移率高，在可见光波段的光吸收特性好。采用纵向垂直的WSe2/石墨烯/MoS2异质结结构可提高器件响应度，可解决基于单一的二维材料的光探测器光响应度低、光生载流子提取难等问题。本专利技术的制备方法所采用的技术制备工艺相对简单，具有快速实现、宽光谱光探测等巨大潜力。附图说明图1是本专利技术中双波段光探测器的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。实施例11)选择硅片、玻璃或PET塑料作为基底薄片1，清洗干净，在其表面旋涂光刻胶，通过光刻工艺，图1中电极位置的光刻胶被曝光后洗去，形成凹槽。2)利用电子束蒸发工艺在上述样品表面沉积第一电极层2，其厚度为10nm。3)将上述样品使用丙酮浸泡，去除剩下的光刻胶。4)采用化学气相沉积法在一铜箔上制备石墨烯薄膜，其可为单层或数层，并转移至步骤(2)所得的第一电极层2的表面；其中石墨烯薄膜的转移方法为：将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，包括基底薄片、第一电极层、第一WSe2层、石墨烯层、第一MoS2层、第二电极层、介质层、第二WSe2层、第三电极层、第二MoS2层和第四电极层，其中，所述第一电极层设置在所述基底薄片的上表面上；所述第一WSe2层同时铺设在所述基底薄片的上表面和所述第一电极层的上表面上，且所述第一电极层上表面包裹一层石墨烯薄膜；所述石墨烯层设置在所述第一WSe2层的上表面上；所述第一MoS2层设置在所述石墨烯层的上表面上，并且其上端具有缺口；所述第二电极层设置在所述第一MoS2层的缺口处，两者之间设置有石墨烯薄膜，而且两者的上表面平齐；所述介质层同时铺设在所述第一MoS2层和所述第二电极层的上表面上；所述第二WSe2层设置在所述介质层的上表面上；所述第三电极层和第二MoS2层并排设置在所述第二WSe2层的上表面上，并且两者之间存在间隙；所述第四电极层设置在所述第二MoS2层的上表面上。

【技术特征摘要】
1.一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，包括基底薄片、第一电极层、第一WSe2层、石墨烯层、第一MoS2层、第二电极层、介质层、第二WSe2层、第三电极层、第二MoS2层和第四电极层，其中，所述第一电极层设置在所述基底薄片的上表面上；所述第一WSe2层同时铺设在所述基底薄片的上表面和所述第一电极层的上表面上，且所述第一电极层上表面包裹一层石墨烯薄膜；所述石墨烯层设置在所述第一WSe2层的上表面上；所述第一MoS2层设置在所述石墨烯层的上表面上，并且其上端具有缺口；所述第二电极层设置在所述第一MoS2层的缺口处，两者之间设置有石墨烯薄膜，而且两者的上表面平齐；所述介质层同时铺设在所述第一MoS2层和所述第二电极层的上表面上；所述第二WSe2层设置在所述介质层的上表面上；所述第三电极层和第二MoS2层并排设置在所述第二WSe2层的上表面上，并且两者之间存在间隙；所述第四电极层设置在所述第二MoS2层的上表面上。2.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述基底薄片为硅片、玻璃片、PET塑料片或PDMS片。3.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述第一电极层～第四电极层的材料选自金、铂、银或铜，厚度分别为10-200nm。4.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，第一WSe2层上表面的石墨烯层替换为黑磷层。5.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述第一WSe2层和第二WSe2层的厚度分别为5-300nm。6.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述第一MoS2层和第二MoS2层的厚度分别为5-300nm。7.根据权利要求1所述的一种双波段薄膜光探测器，其特征在于，所述介质层的材料选自SiO2、Si3N4或Al2O3，其厚度为30-200nm。8.一种双波段薄膜光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在基底薄片的上表面涂布光刻胶，然后采用光刻工艺去除部分光刻胶，以在基底薄片上为形成第一电...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖广兰，孙博，吴悠妮，史铁林，谭先华，刘智勇，汤自荣，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42