[发明专利]非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种非对称电极二维材料/石墨烯异 质结级联光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器是光照射到器件表面而产生电信号的一种装置，在电子工业、 军事、生物传感等领域均有着广泛的应用。随着科学技术的发展和生活水平的 日益提高，对探测器质量的要求逐渐提高，而衡量光电探测器好坏的重要参数 为光吸收波段、光响应度和光响应时间。传统的基于III-V族半导体的光电探 测器由于其半导体特性在吸收带宽及响应时间等方面都受到限制。另外，随着 器件集成度的不断提高，传统的半导体器件已经逼近了其极限尺寸。器件尺寸 也成为传统光电探测器发展的制约因素。因此，研究一种具有高量子产率、快 速响应时间、高响应度和波长选择性的光电探测器对未来光电产业很重要的现 实意义。

石墨烯的宽光谱吸收、大的比表面积、快速的载流子迁移率(2.0X10⁵cm²/(V.S))、超快的光响应速度等特点，从而可以获得基于石墨烯的超敏、超 快、高性能的探测器，使其在光电探测器的应用有着巨大的潜力。但是由于石 墨烯在广泛的光谱范围内对光的吸收很弱(2.3％)，使其具有较低的光响应度， 同时光生载流子容易复合，也缺乏波长调控性。这一不足之处严重制约了石墨 烯基光电探测的光响应度，这也意味着单一的石墨烯器件发展已经遇到瓶颈。 随着石墨稀的发现，很多新型二维功能材料同样受到人们的关注，尤其是过镀 金属硫化物。这类二维材料对光具有较高的吸收，并且具有高的量子效率，据 计算显示二硫化钼光电探测器光响应度为石墨烯的10万倍。但是这种探测器 因其具有载流子迁移率很小、光吸收效率低等缺点，极大的限制了其在光电探 测等方面的应用。由此可见，单一的二维材料探测器仍然无法满足人们日益提 高的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种非对称电极二维材料/石墨烯异质结 级联光电探测器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，包括Si/SiO₂衬底， 所述Si/SiO₂衬底上设有第一电极，所述第一电极上设有二维材料层，所述二 维材料层上设有第二电极，所述二维材料层为石墨烯与二维材料交叠形成n 层异质结。

其中，所述第一电极为功函数较高的金属电极，通过磁控溅射或热蒸镀而 形成，厚度为10-100um。

其中、所述第一电极为Pt或Au。

其中、所述石墨烯与二维材料交叠所形成的n层异质结中的石墨烯由CVD 生长后转移所得，所述二维材料为过渡金属硫化物，如MoS₂，WS₂等。

其中，所述石墨稀与二维材料交叠所形成的n层异质结中n的值为3-5， 随层数的增加工艺难度增加。

其中，所述第二电极为功函数低的金属电极，如Ag等；通过磁控溅射或 热蒸镀而形成，厚度为5-20nm。

上述非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器的制备方法，包 括如下步骤：

S1、通过CVD生长单层石墨烯以及二维材料；

S2、通过热蒸镀在Si/SiO₂表面制备40nm厚的第一电极；

S3、对步骤S1所得的石墨烯、二维材料进行不同程度的掺杂后，分别利 用PMMA转移至第一电极表面，得多层异质结构；

S4、通过光刻对所得的多层异质结构进行图形化；

S5、利用在多层异质结构上表面热蒸镀蒸镀第二电极。

本发明具有以下有益效果：

(1)采用功函数不同的非对称电极，促进了由第一电极到第二电极费米 能级差的形成，可以使光生载流子产生后迅速扩散至外电路，同时由于能级差 的存在也避免了电子空穴的迅速复合，由此可以增大器件的光响应。

(2)采用石墨烯与二维材料相结合，分别利用了石墨烯的高的载流子迁移 率、超快的响应时间，以及二维材料对光的高吸收率，可以实现超快，超高响 应的光电探测器。

(3)采用n层异质结级联的形式，可以形成更多的电势梯度，为光电流的 提高起到至关重要的作用。

(4)因为采用垂直叠加，可以减小器件尺寸，更适于超高的光电集成。

附图说明