基于黑磷/二硫化钼异质结的光探测器的制造方法
【技术领域】
[0001]—种基于黑磷/ 二硫化钼异质结的光探测器，用于实现宽光谱、超快响应的光探测器，属于光探测技术领域。
【背景技术】
[0002]传统基于IV族和II1-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IwiI到3μπι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。
[0003]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。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(见文献 L.K.Li，et a 1.BI a c k phosphorus field-effecttransistors.Nature Nanotechnology ,vo 1.9,2014)，因而通过控制黑磷的生长厚度来调控其带隙，可以在0.5μπι?4.Um波长范围工作。实验证明，黑磷材料具有超快的载流子恢复时间(见文南犬Y.W.Wang，et al.Ultrafast recovery time and broadband saturableabsorpt1n properties of black phosphorus suspens1n.Applied Physics Letters,vol.107，2015)，且多原子层黑磷材料相对容易制备得到，从可见光到中红外光波段，其损伤阈值较高，有潜力对高功率激光脉冲进行有效检测。
【发明内容】
[0004]本发明针对上述不足之处提供了一种基于黑磷/二硫化钼异质结的光探测器，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。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]—种基于黑磷/ 二硫化钼异质结的光探测器，其特征在于:包括二氧化硅衬底层，二氧化硅衬底层上设置的二硫化钼层，在二硫化钼层的上表面覆盖设置的黑磷导电层，黑磷导电层和二硫化钼构成异质结结构，所述黑磷导电层上设置有第一电极层和第二电极层。
[0007]进一步，所述黑磷导电层为单层或多层。
[0008]进一步，所述第一电极层和第二电极层的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或多种，并作为引出电极，与外部电路相连。
[0009]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0010]—、本发明的光探测器以二氧化硅作为衬底，与CMOS工艺兼容，易于集成；
[0011]二、本发明光探测器不仅尺寸小，且工作范围可在0.5μπι?4.Uim波长范围工作，涵盖了现有医疗激光手术刀的波长范围，可在激光医疗方面发挥重要作用；
[0012]三、本发明中黑磷/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)和较高的载流子迀移率，可具有较高的探测带宽和较快的光响应速度；
[0013]四、本发明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】
[0014]图1为本发明的结构示意图；
[0015]图1:1-二氧化硅衬底层、2-二硫化钼层、3-黑磷导电层、4-第一电极层、5、第二电极层。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0017]—种基于黑磷/二硫化钼异质结的光探测器，包括二氧化硅衬底层I，二氧化硅衬底层I上设置的二硫化钼层2，在二硫化钼层2的上表面覆盖设置的黑磷导电层3，黑磷导电层3和二硫化钼2构成异质结结构，所述黑磷导电层3上设置有第一电极层4和第二电极层5。所述黑磷导电层3为单层或多层。所述第一电极层4和第二电极层5的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或多种，并作为引出电极，与外部电路相连。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，通过控制黑磷材料的层数，黑磷/二硫化钼异质结的能量带隙可被人为调控，黑磷材料的能量带隙可低至0.3eV，可以响应0.5μηι?4.Ιμπι范围的光波长，相比于零带隙的石墨烯，黑磷材料具有一定的禁带宽度，避免了对较长波长光的响应，因而具有更小的噪声电流。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)和较高的载流子迀移率，可具有较高的探测带宽和较快的光响应速度。
[0018]实施例1
[0019]图1是本发明实施例中基于黑磷/二硫化钼异质结的光探测器结构示意图。
[0020]由图1可见，本发明提供的基于黑磷/二硫化钼异质结的光探测器包括二氧化硅衬底层I，二氧化硅衬底层I上设置的二硫化钼层2，在二硫化钼层2的上表面覆盖设置的黑磷导电层3，黑磷导电层3和二硫化钼2构成异质结结构，黑磷导电层3上设置有第一电极层4和第二电极层5，第一电极层4和第二电极层5相对称设置在黑磷导电层3上。
[0021]实施例中所述黑磷导电层3为单层或多层。
[0022]实施例中所述第一电极层4和第二电极层5的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或多种，并作为引出电极，与外部电路相连。
[0023]本发明实施例光探测器以二氧化硅材料作为衬底，与CMOS工艺兼容，易于集成;相比于传统基于IV族和II1-V族半导体材料的光探测器，本发明的光探测器具有更小的尺寸，且工作范围可在0.5μπι?4.Ιμπι波长范围工作，涵盖了现有医疗激光手术刀的波长范围，可在激光医疗方面发挥重要作用；黑磷/ 二硫化钼异质结结构可以大幅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)和较高的载流子迀移率，可具有较高的探测带宽和较快的光响应速度;相比于基于石墨烯的光探测器，石墨烯是零带隙材料，黑磷是直接带隙材料，基于黑磷/ 二硫化钼异质结的光探测器具有更小的噪声电流。
[0024]二硫化钼的优点之一是电子在平面薄片中的运行速度，即电子迀移率。二硫化钼的电子迀移速率大约是lOOcmVvs(即每平方厘米每伏秒通过100个电子)，这远低于晶体硅的电子迀移速率1400cm2/VS，但是比非晶硅和其他超薄半导体的迀移速度更好。二硫化钼还有其他令人向往的特性，即直接带隙，这一特性使该材料把电子转变成光子，反之亦然。二硫化钼这种材料的结构特征，电子在其内部移动时，碰到较大的金属原子后会在其结构内发生弹离，从而会降低迀移速度。
[0025]黑磷二维晶体的电子转移速率为1000cm2/VS，且通过黑磷材料的层数，其能量带隙(能量带隙是指半导体材料中导带的最低点和价带的最高点的能量之差，当入射光的能量高于带隙能时，可以激发产生光生伏特效应，即将光信号转化为对应的电流信号)是可调谐的，但黑磷单晶在空气中不稳定。
[0026]黑磷和二硫化钼构成的异质结的材料能量带隙是可以通过外加电场作用改变的，即是可调谐的(通过电场作用改变材料的带隙能)，黑磷/ 二硫化钼异质结能量带隙可调谐的范围为0.9eV到OeV，即可针对不同探测光波长，通过调谐其能量带隙值来降低背景噪声；又由于黑磷和二硫化钼材料本身都具有较高的电子迀移率，因而基于黑磷/二硫化钼异质结材料的光探测器响应速度快。
【主权项】
1.一种基于黑磷/ 二硫化钼异质结的光探测器，其特征在于:包括二氧化硅衬底层(I)，二氧化硅衬底层(I)上设置的二硫化钼层(2)，在二硫化钼层(2)的上表面覆盖设置的黑磷导电层(3)，黑磷导电层(3)和二硫化钼(2)构成异质结结构，所述黑磷导电层(3)上设置有第一电极层(4)和第二电极层(5)。2.根据权利要求1所述的一种基于黑磷/二硫化钼异质结的光探测器，其特征在于:所述黑磷导电层(3)为单层或多层。3.根据权利要求1所述的一种基于黑磷/二硫化钼异质结的光探测器，其特征在于:所述第一电极层(4)和第二电极层(5)的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的一种或多种，并作为引出电极，与外部电路相连。
【专利摘要】本发明公开了一种基于黑磷/二硫化钼异质结的光探测器，属于光探测技术领域，解决器件不具有宽光谱、快速、低噪声的响应特性，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。本发明包括二氧化硅衬底层，二氧化硅衬底层上设置的二硫化钼层，在二硫化钼层的上表面覆盖设置的黑磷导电层，黑磷导电层和二硫化钼构成异质结结构，所述黑磷导电层上设置有第一电极层和第二电极层。本发明用于实现宽光谱、超快响应的光探测器。
【IPC分类】H01L31/0264, H01L31/109
【公开号】CN105679876
【申请号】CN201610155951
【发明人】陆荣国, 叶胜威, 田朝辉, 寿晓峰, 陈德军, 张尚剑, 刘永
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年3月18日