【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电探测器研究领域，尤其涉及一种基于内建电场与载流子倍增效应协同提升紫外波段外量子效率的新运行机制及探测器的结构设计。
技术介绍
1、紫外光（10nm-400nm）是电磁波的重要组成部分，其应用涵盖了紫外制导系统、紫外成像检测系统、生物化学分析系统以及环境监测系统等众多领域，尤其在光信号传输方面，紫外光的探测在现代光电子
扮演着重要的角色。紫外光电探测器具有将入射的紫外光准确的转换为电信号的能力。近些年来，随着紫外光在医学、国防、太空等重大领域当中的应用越来越广泛，人们对更高集成、高性能、低功耗的紫外光电探测器的需求与日俱增。目前商用的紫外光电探测器大多数是硅基和三维半导体的，但这种光电探测器在室温下作业时，噪声极高，即使在外部电源提供偏压的条件下，其响应度和外量子效率依旧很低，而且在无形当中又增加了器件的尺寸和成本。相比之下，自驱动型光电探测器无需外部电源驱动，而是通过构建内建电场来实现对于入射光的探测，满足了器件小型化和低功耗的需求，同时无需考虑散热方面问题。除此之外，传统三维半导体表面存在悬挂键不利于与其他材料的集成，而二维半导体凭借其自身优异的性质，且表面无悬挂键，为高集成、高灵活性器件发展开辟了新路径。更重要的是二维半导体在原子级尺度下依然可以保持较高的光吸收率，通过简单有序的堆叠制备成的异质结可以在界面内形成内建电场，构成的二维自驱动型光电探测器很好地契合了新一代光电子纳米器件的迫切需求。然而，目前二维自驱动型光电探测器的响应度和外量子效率仍处于低水平，与成熟的三维半导体存在差距，限制了其在应用领
2、载流子倍增效应（carrier multiplication，cm）是指一个高能光子入射而激发起两对或两对以上的电子空穴对的过程。在光电探测器中，有效利用cm效应可以大大提升其光电响应，并已经被多个研究报道证实可行。然而，现阶段紫外光电探测器主要是基于三维宽带隙半导体（例如algan、ga2o3 ）而制备的，受到屏蔽库仑效应、动量守恒限制以及快速的热载流子冷却的共同限制，cm效应不但阈值高（通常高达6倍带隙）而且效率低，导致实际应用价值有限。相比之下，在二维半导体中增强的库仑相互作用和放宽的动量守恒限制能够有效降低cm效应的阈值并提升其转换效率，呈现出巨大的应用潜力，是利用cm效应提升光电探测器的光电响应的潜力材料。近些年来，这种高效的cm效应陆续在石墨烯、2h-wse2等二维材料当中被报道，相应的能量阈值接近二倍带隙，而转换效率远远高于三维半导体。此外，二维材料表面无悬挂键，层与层之间依靠范德华力堆叠的特点使得其在搭建成为异质结的过程当中无须考虑晶格失配的问题，从而避免了表面陷阱态诱导的光载流子复合等有害影响。
3、石墨烯作为典型的二维材料，具有快速光响应以及cm等优质光电特征，且零带隙特征使得其可以从太赫兹波段响应到紫外波段。尤其在紫外波段，激发的高能光子可以诱导更多步的碰撞激发级联，使得石墨烯当中的cm效应更加显著，得到更高的量子效率。然而，石墨烯原子级的厚度使其光吸收相对受限，cm效应提升其外量子效率（externalquantum efficiency，eqe）的效果不佳。
技术实现思路
1、本专利技术的是为提升目前紫外自驱动光电探测器的低性能，设计了一种首先通过搭建少层石墨烯与二维光敏半导体的异质结增强石墨烯光吸收，其次引入单侧肖特基势垒，实现在紫外光入射时激发起的二维半导体中的高能电子可以在强内建电场作用下有效转移至石墨烯当中发生cm效应，最终获得更高的光电流的模型，实现了在内建电场与cm效应协同作用下紫外波段超高外量子效率的突破，获得了高响应度、高量子效率并且低功耗的光电探测器。
2、提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器，从下至上依次包括：氧化硅/硅衬底1、源漏电极、光敏材料4，在源电极21或漏电极22的上方，光敏材料4的下方设一层石墨烯层3。
3、氧化硅/硅衬底1为p型掺杂的氧化硅/硅。
4、源漏电极的材质为金，厚度大于50nm，两个电极之间的沟道宽度小于10um。
5、铺设石墨烯层3层数范围为：2~6层。
6、光敏材料4用的是二维γ相硒化铟。
7、提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器的制备方法，其特征在于：将衬底1切成方块形状，清洗后，进行超声处理，并吹干，将光刻胶均匀旋涂在清洗过的衬底1表面；
8、绘制电极图纸，将绘制好的电极图纸导入到无掩膜光刻机当中，使用激光直写进行曝光，将曝光过的片子放入显影液中显影；
9、在显影成功的衬底上镀一层金膜，洗去残余光刻胶及残余金膜，得到源漏金电极；
10、将石墨烯3通过点对点干法转移至单侧电极上方，石墨烯34仅与一侧金属电极接触，且覆盖此侧电极沟道区域的边缘；
11、将光敏材料通过点对点干法转移至沟道区域上方，光敏材料一侧与被石墨烯覆盖的电极接触，另一侧与未被石墨烯覆盖的电极接触，形成光电探测器。
12、所述的衬底，用玻璃刀切成1cm x 1cm的方块形状，用洗洁精清洗后，依次用丙酮、乙醇、二次去离子水超声处理15~25分钟，并用氮气吹干，利用匀胶机将光刻胶均匀旋涂在清洗过的衬底表面，衬底可以为硅衬底、蓝宝石衬底及云母衬底。通过电脑操作cad软件绘制电极图纸；清洗残余光刻胶及残余金膜使用丙酮溶液；将机械剥离好的少层石墨烯在光学显微镜下点对点干法转移至单侧电极上方；将机械剥离好的二维γ相硒化铟在光学显微镜下点对点干法转移至沟道区域上方。
13、本专利技术为了突破石墨烯光吸收的瓶颈，我们首先构建石墨烯与其他二维半导体的异质结，引入光吸收层增强其光吸收能力，随后构建单侧肖特基势垒，利用强内建电场实现高能电子有效转移至石墨烯并完成cm过程，实现高的光电流响应，最终获得高eqe的二维自驱动紫外光电探测器。
14、为提升二维半导体基自驱动紫外光电探测器的外量子效率，本专利技术设计了一种利用优化厚度的二维半导体作为有效光吸收层（本文以γ相硒化铟为例）增强石墨烯光吸收能力的范德华异质结，随后集成金电极与γ相硒化铟界面内形成的单侧肖特基结，构建强内建电场实现高能电子转移至石墨烯当中进行cm过程的紫外光电探测器，可实现在紫外光入射时，硒化铟作为光吸收层，其内部的电子被激发至导带以上的高能能级，由于石墨烯可以与inse形成完美的欧姆接触，au与inse形成肖特基接触，引入单侧肖特基势垒，基于此构建的强内建电场能更高效的将产生的高能电子转移至石墨烯当中发生碰撞激发级联，此时石墨烯当中的带间碰撞级联与转移的高能电子的级联弛豫共同进行，产生cm效应，获得更高的光电流，从而实现这种转移倍增。在cm效应和强内建电场的协同作用下，我们的自驱动型光电探测器表现出468ma/w的高响应度和1.87×1012jones的高比探测率。此外，在紫外光区实现了光伏器件eqe大于100%的超高量子效率，360nm本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器，从下至上依次包括：氧化硅/硅衬底、源漏电极、光敏材料，其特征在于：在源电极或漏电极的上方，光敏材料的下方设一层石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器，其特征在于：氧化硅/硅衬底为p型掺杂的氧化硅/硅。
3.根据权利要求1或2所述的提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器，其特征在于：源漏电极是材质为金，厚度大于50nm，两个电极之间的沟道宽度小于10um。
4.根据权利要求1、2或3所述的提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器，其特征在于：铺设石墨烯层数范围为：2~6层。
5.根据权利要求4所述的提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器，其特征在于：光敏材料用的是二维γ相硒化铟。
6.提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器的制备方法，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器的制备方法，其特征在于：步骤1）所述的氧化硅/硅衬底为1cmx1cm的方块形状；所述的
...【技术特征摘要】
1.提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器，从下至上依次包括：氧化硅/硅衬底、源漏电极、光敏材料，其特征在于：在源电极或漏电极的上方，光敏材料的下方设一层石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器，其特征在于：氧化硅/硅衬底为p型掺杂的氧化硅/硅。
3.根据权利要求1或2所述的提升外量子效率的二维半导体基自驱动紫外探测器，其特征在于：源漏电极是材质为金，厚度大于50nm，两个电极之间的沟道宽度小于10um。
4.根据权利要求1、2或3所述的提升外量子效率的二...
【专利技术属性】
技术研发人员：李远征，刘为振，潘佳钰，辛巍，徐海阳，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：
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