基于二维层状薄膜材料p‑g‑n异质结光电子器件

摘要

基于二维层状薄膜材料p‑g‑n异质结光电子器件，所述的光伏探测器包括在基底上设有自下到上的结构：衬底绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅、PMMA等柔性绝缘衬底；p‑型二维层状薄膜材料薄膜层，所述p‑型二维层状薄膜材料薄膜层叠放在一个确定层数的石墨烯上，n‑型二维层状薄膜材料薄膜叠放在上述石墨烯下，整个异质结器件层置于所述绝缘层上，石墨烯将两半导体层完全分隔开；所述顶栅绝缘层包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪等；顶栅金属电极层设置所述顶栅绝缘层上。所述的异质结探测器感器还包括：基底，设置在所述绝缘层下面。

权利要求

1.一种基于层状材料异质结的光伏探测器，其特征是所述的光伏探测器包括在基底上设有自下到上的结构：衬底绝缘层，所述衬底绝缘层包括二氧化硅、锗片或PMMA柔性绝缘衬底；

p-g-n异质结：p-型二维层状薄膜材料薄膜层、确定层数的石墨烯和n-型二维层状薄膜材料薄膜，所述p-型二维层状薄膜材料薄膜层叠放在一个确定层数的石墨烯上，n-型二维层状薄膜材料薄膜叠放在上述石墨烯下，整个p-g-n异质结置于所述衬底绝缘层上，石墨烯将两半导体层完全分隔开；

金属电极层，包括源电极层及漏电极层，所述源电极层、漏电极层分别设置在p-型二维层状薄膜材料和n-型二维层状薄膜材料半导体层上，并覆盖在所述二维层状薄膜材料薄膜层的一端上；

顶栅绝缘层，所述顶栅绝缘层包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪；

顶栅金属电极层设置在所述顶栅绝缘层上；异质结光伏探测器还包括基底，设置在所述衬底绝缘层下面；

设有顶栅金属电极层做在顶栅绝缘层覆盖的p-g-n异质结上；

所述二维层状薄膜材料薄膜层包含黑鳞、过渡金属硫族化合物；

所述顶栅绝缘层为10-30纳米。

2.根据权利要求1所述的异质结的光伏探测器，其特征在于，所述顶栅金属电极层的厚度为20纳米。

3.根据权利要求1所述的异质结的光伏探测器，其特征在于，所述源电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。

4.根据权利要求1所述的异质结的光伏探测器，其特征在于，所述漏电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。

说明书

基于二维层状薄膜材料p-g-n异质结光电子器件

技术领域

[0001] 本发明是关于二维层状材料p-g-n异质结光电子技术，特别是关于一种基于p-g-n异质结光电流成像。

背景技术

[0002] 光电子探测器在日常生活和军事红外制导等方面都有广泛的应用。作为一种探测器，它能将光信号转变成电学信号，进而用来探测物体的位置形状。但是，应用最为广泛的红外探测器多数是使用在低温环境下。尤其是高灵敏红外探测器在航天航空领域里的人造地球卫星探测和红外成像系统等有着广阔的应用需求，以及高端武器平台上的红外预警与制导、红外侦察、红外通讯等，是国内外重点关注与投入的研究的重中之重，对发展尖端前沿科学技术、加强国防核心力量的建设具有举足轻重的意义。同时，高灵敏红外探测技术在工业、农业、医学、交通等各个行业和部门也有广大应用需求，如电力在线检测、矿产资源勘探、地下矿井测温和测气、地貌或环境监测、农作物或环保监测、红外医学诊断、铁路车辆轴温探测、气象预报等，使得红外探测技术发展成为军民两用技术。随着对光探测器性能要求的不断提高，传统的探测器已不足以应对。在这种背景下，二维层状薄膜材料的出现，给光探测器领域带了新的曙光。以硫化钼为例，这种新兴的二维碳原子层薄膜，表现出了强光与物质相作用，光吸收很强。又因为其优异的半导体电学特性和方便的微加工技术，基于二维层状薄膜材料异质结光探测器展现着巨大的潜力。

[0003] 光伏型的光电探测器是理想的探测器，光伏型器件是由于不同掺杂类型的半导体接触形成p-n结，或者是金属跟半导体接触形成肖脱基势垒。光电响应的机理是内建电场对光生电子空穴对的分离。然而在二维层状薄膜材料中实现原子层厚度的p-n结内建电场区几乎是原子尺度。同时，半导体材料有具有比较大的带隙。对光吸收有截止波段比较短，传统的硅探测器波段集中在可见波段和近红外波段。而另外一些铟镓砷等红外探测器探测波段比较长，缺点是需要低温才能正常工作。这些探测器都有明显的局限性和缺点。

发明内容

[0004] 本发明实施例提供一种基于层状材料异质结的光电子器件，以减小探测器的体积感器的体积，并实现室温、宽波段和高灵敏探测器。

[0005] 为了实现上述目的，本发明技术方案是，一种基于层状材料异质结的光伏探测器，所述的光伏探测器包括在基底上设有自下到上的结构：衬底绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅、PMMA等柔性绝缘衬底；

[0006] p-型二维层状薄膜材料薄膜层，所述p-型二维层状薄膜材料薄膜层叠放在一个确定层数的石墨烯上，n-型二维层状薄膜材料薄膜叠放在上述石墨烯下，整个异质结器件层置于所述绝缘层上，石墨烯将两半导体层完全分隔开；

[0007] 金属电极层，包括源电极层8及漏电极层6，所述源漏电极层分别设置在p-型二维层状薄膜材料和n-型二维层状薄膜材料半导体层上，并覆盖在所述二维层状薄膜材料薄膜层的一端上；

[0008] 顶栅绝缘层2，所述顶栅绝缘层包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪等；

[0009] 顶栅金属电极层7设置所述顶栅绝缘层上。所述的异质结探测器感器还包括：基底，设置在所述绝缘层下面。

[0010] 在一实施例中，所述半导体二维层状薄膜材料薄膜层为过渡金属硫族化合物、黑鳞等。

[0011] 在一实施例中，所述绝缘层为二氧化硅层、PMMA层或锗片。

[0012] 在一实施例中，所述石墨烯为CVD石墨烯或手撕的石墨烯。

[0013] 在一实施例中，所述绝缘层的厚度为300纳米。

[0014] 在一实施例中，所述顶栅绝缘层为10纳米二氧化铪。

[0015] 在一实施例中，所述源电极层由5nm厚的钯及50nm厚的金组成。

[0016] 在一实施例中，所述漏电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。

[0017] 为了实现上述目的，本发明实施例提供一种光电流成像测量系统，所述的光电流成像系统包括：电流放大器、云台、激光光源及电流表，其中，所述的异质结光电探测器包括：

[0018] 绝缘层，所述绝缘层为300纳米二氧化硅；

[0019] 衬底绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅、PMMA等柔性绝缘衬底；

[0020] 顶栅绝缘层，所述顶栅绝缘层包括二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪等；

[0021] p-型二维层状薄膜材料薄膜层，所述p-型二维层状薄膜材料薄膜层叠放在一个确定层数的石墨烯上，n-型二维层状薄膜材料薄膜叠放在上述石墨烯下，整个异质结器件层置于所述绝缘层上，石墨烯将两半导体层完全分隔开；

[0022] 金属电极层，包括源电极层及漏电极层，所述源漏电极层分别设置在p-型二维层状薄膜材料和n-型二维层状薄膜材料半导体层上，并覆盖在所述二维层状薄膜材料薄膜层的一端上；所述顶栅金属电极层设置所述顶栅绝缘层上。在一实施例中，所述的异质结探测器感器还包括：基底，设置在所述绝缘层下面。

[0023] 光电流成像过程中，所述探测器放在云台上，入射光通过镜头聚焦在上述的探测器上，通过云台对不同区域的光进行聚焦，光强度不同产生光电流强度不同，利用所述电流放大器对光电流放大，通过不同区域的光电流对不同区域进行光电流成像。

[0024] 有益效果：本发明的异质结探测器不同于传统的探测器。首先，本发明的探测器以二维层状薄膜材料层作为光敏元件，不同于传统光探测元件，该异质结探测器可以做的非常小。其次，二维层状薄膜材料异质结中的石墨烯的无带隙能带结构可以吸收所有波段的光。从而实现宽波段光探测。本身二维层状薄膜材料如过渡金属硫化物石墨烯等对光吸收较强。最后，二维层状薄膜材料异质结可以有效抑制暗电流实现非常高的信噪比和微弱光探测。同时最重要的是探测器探测红外波段能够在室温工作。所述异质结在探测器在不加偏置电压情况下测试开光和关光时候电导的变化的光伏响应。通过改变照射光波长，获得不同波段的探测灵敏度。施加偏置电压后可以对物体做光电流成像。

附图说明

[0025] 图1为本发明实施例一的基于层状材料的光电探测器的器件结构图；

[0026] 图2为本发明实施例一的基于层状材料的光电探测器的光电流成像系统图。

具体实施方式

[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0028] 如图1所示，本发明实施例提供了一种基于层状材料异质结的光电探测器，所述的异质结的光电探测器包括：绝缘层1、2，金属电极层6、7、8及二维层状薄膜材料薄膜层3、4、5和基底层9。

[0029] 绝缘层1上放置3、4、5堆叠的异质结。源电极8和漏电极6分别设置在n-型二维层状薄膜材料薄膜层4和p-型二维层状薄膜材料薄膜层5上，高介电绝缘层2覆盖上述的异质结。顶栅电极7做在介电层2覆盖的异质结上。

[0030] 在一实施例中，源电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成，漏极层由5nm厚的钯及50nm厚的金组成。

[0031] p-g-n异质结探测器还包括：基底9，该基底9设置在绝缘层1下面，基底9可以为硅等绝缘性材料，本发明仅以硅为例进行说明。

[0032] 二维层状薄膜材料薄膜异质结层3、4、5为本发明的异质结p-g-n探测器的核心部分通过中间层石墨烯可以增加探测器的带宽和增加结区的宽度。当入射光波段在两种半导体吸收限以下后，响应主要是石墨烯对光的吸收。同时半导体结形成的内建电场有效的一直暗电流。使得器件获得较高的信噪比，在红外长波波段室温下有较高的光响应。

[0033] 本发明的异质结p-g-n探测器中的半导体二维层状薄膜材料薄膜层可以为掺杂石墨烯薄膜、过渡金属硫族化物、黑鳞、黑砷磷、氮化硼等。中间石墨烯层也可以用其他光吸收好的二维薄膜材料。本发明仅以石墨烯薄膜晶体，并非用于限定。

[0034] 本发明的p-g-n异质结光电探测器中的绝缘层9可以绝缘材料及介电材料，绝缘材料例如为二氧化硅层、PMMA层及锗片，本发明仅以二氧化硅层作为绝缘层进行说明。

[0035] 本发明的p-g-n异质结光电探测器中的绝缘层2可以绝缘材料及介电材料，绝缘材料例如为二氧化硅层、三氧化二铝、五氧化二钽等，本发明仅以二氧化铪层作为绝缘层进行说明。

[0036] 在一实施例中，绝缘层2的厚度为10纳米，本发明不以此为限。

[0037] 下面结合具体的例子简单介绍p-g-n异质结探测器的制作过程。

[0038] p-g-n异质结制作过程如下：对于二氧化硅层作为绝缘层，硅作为基底的情况，二氧化硅层及硅基底合称为氧化硅片。具体制作时，取氧化硅片一片，氧化硅片下面是硅层，上面是300nm的二氧化硅层。石墨烯和半导体薄膜材料解理在在氧化硅片表面。准备好的目标样品使用范德瓦尔斯异质结转移方法将n-type型半导体堆叠在石墨烯上，再用n-型半导体层加石墨烯结合在一起的样品堆叠在目标p-型半导体薄层。这样p-g-n异质结转移在上述的300纳米氧化硅的硅片上。用电子束曝光或者光刻的方法分别图案化源电极和漏电极。然后用ALD或磁控溅射的办法做顶栅介质层，在一实施例是用原子层沉积10纳米二氧化铪。
随后用电子束曝光方法做顶栅电极。这样完成了器件的制作。

[0039] 石墨烯薄膜的获得方法：

[0040] 1)机械剥离法：在加工完后的氧化硅片上机械剥离石墨烯薄膜，并在光学显微镜下寻找层数较薄的石墨烯薄膜晶体。

[0041] 2)CVD增长法：通过CVD增长的石墨烯薄膜晶体，然后转移到氧化硅片上。

[0042] 半导体薄膜的或的方法：

[0043] 1)机械剥离法：在加工完后的氧化硅片上机械剥离过渡金属硫化物薄膜，并在光学显微镜下寻找到层数较薄的样品薄膜晶体。

[0044] 2)CVD增长法：通过CVD生长的半导体薄膜晶体，然后转移氧化硅衬底上。

[0045] 通过掩膜法蒸镀制作金属电极层：找好特定位置的p-g-n异质结，用事先制作好的掩膜板对准异质结，将氧化硅片连同掩膜板一起放进电子束蒸镀系统中，在电子束蒸镀系统中蒸发沉积5nm厚的钛和50nm厚的金，金属源电极层，沉积5nm厚的钯和50nm厚的金，金属漏电极层。顶栅电极层蒸发沉积5nm厚的钛和50nm厚的金。

[0046] 光电流成像系统如图2所示，本发明实施例提供一种光电流成像系统。成像系统由成像目标10和云台中间安装有探测器11、电流电压源12、电流放大器13和电脑数据采集和处理系统14组成。

[0047] 相应的描述，不再赘述。

[0048] 本发明的p-g-n异质结探测器不同于传统的光电探测器。首先，本发明的传感器以二维层状薄膜材料层作为光敏单元，不同于传统光探测单元，该p-g-n异质结探测器可以做的非常小。其次，二维层状薄膜材料层异质结内建电场不同于传统宏观异质结，耗尽区很小。二维层状薄膜材料光吸收强。和块体状的材料光吸收完全不同。最后，二维层状薄膜材料异质结中石墨烯存在层可以探测到非常长的波段，并且可以实现室温红外长波探测。这使得将本发明的p-g-n异质结光探测器应用于需要高灵敏红外探测和红外制导等领域成为可能。

[0049] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0050] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0051] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0052] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0053] 本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。