[发明专利]基于二维层材料p‑i‑n异质结光电子器件

说明书

技术领域

本发明是关于二维层转材料p-i-n异质结光电子技术，特别是关于一种基于p-i-n异质结光雪崩单光子探测。

背景技术

微弱光电子探测器在光通信和宇宙研究及军事等方面都有重要的应用。作为一种高灵敏的光探测器，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，应用最为广泛的单光子探测器多数是使用超导整列需要在低温环境下工作。尤其是高灵敏弱光探测器在宇宙学研究和航天航空领域里着广阔的应用需求，以及高端武器平台上的导弹制导、量子通讯等，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，高灵敏单光子探测技术在工业、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、气象预报等，使得弱光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，基于二维薄膜材料异质结光探测器展现着巨大的潜力。

光伏型探测器是理想的光电探测器，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托基势垒。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

本发明目的是，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，并实现室温、高灵敏雪崩单光子探测。

为了实现上述目的，本发明技术方案是，一种基于层状材料p-i-n异质结的雪崩探测器，所述的雪崩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-i-n异质结，所述p-i-n异质结包括p-型半导体二维薄膜材料(薄膜层)，所述p-型半导体二维薄膜材料即薄膜层5叠放在一个包括确定层数的氮化硼3带隙较大本征半导体或绝缘层下，n-型半导体二维薄膜材料薄膜4叠放在上述氮化硼4上，整个异质结器件层置于所述绝缘层上，氮化硼将两半导体二维薄膜材料层分开；

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覆盖n型二维层状薄膜材料和p型二维层状薄膜材料半导体层接触，并覆盖在所述n与p二维层状薄膜材料薄膜层的各一端上；

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、ITO等；

顶栅金属电极层7在所述顶栅绝缘层上。

在一实施例中，所述半导体二维薄膜材料薄膜层为过渡金属硫族化合物、黑鳞等。

在一实施例中，所述绝缘层为二氧化硅层、PMMA层或锗片。

在一实施例中，所述中间层为带隙较大的本质层状半导体或绝缘体。

在一实施例中，所述绝缘层的厚度为300纳米。

在一实施例中，所述顶栅绝缘层为10纳米二氧化铪。

在一实施例中，所述源电极层由5nm厚的钯及50nm厚的金组成。

在一实施例中，所述漏电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。

在一实施例中，所述顶栅电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。

为了实现上述目的，本发明实施例需提供一种雪崩光电流测量系统。

所述的异质结光电探测器包括：

绝缘层，所述绝缘层为300纳米二氧化硅；

衬底绝缘层，所述绝缘层包括二氧化硅、PMMA等柔性绝缘衬底；

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、ITO等；

p-型二维薄膜材料薄膜层，所述p-型二维薄膜材料薄膜层叠放在一个确定层数的氮化硼上，n-型二维薄膜材料薄膜叠放在上述氮化硼下，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分开；