[发明专利]一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于范德瓦尔斯异质结的光电探测器及其制备方法。该光电探测器包括光纤、范德瓦尔斯异质结结构、一对光纤侧壁金属电极以及一对光纤端面金属电极，光纤侧壁金属电极和光纤端面金属电极相连；范德瓦尔斯异质结结构位于光纤的端面，从下到上依次为二硫化钨薄膜、二硫化钼薄膜和石墨烯薄膜；一对光纤端面金属电极分别连接范德瓦尔斯异质结结构两端的石墨烯薄膜。本发明制备的光电探测器可以实现可见到近红外波段弱光探测功能，以及全波段的强光探测功能，同时具有较好的稳定性和抗干扰能力，在光通讯、光传感领域具有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及光电探测器领域。更具体而言，涉及一种全新的超高响应度、高速响应、超宽带光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器是将光信号转化为电信号的器件，当光电探测器受到光辐照时，会引起其电导率的变化从而利用电学方法检测出来。光电探测器在军事以及国民经济的各个领域均有广泛的运用，其中超高灵敏度的光电探测器在现代光通讯、环境检测、生物医学研究等研究领域有突出贡献。光电探测器可以分为两种类型，一种是光子型探测器，探测器中的半导体材料直接吸收光子产生电导率的变化，这是一种有选择性响应波长的探测器件，比如光电管、光电导探测器、光伏性探测器等；一种是热探测器，探测器中的探测元件吸收光辐射的能量而造成温度的升高，造成物理参量的改变而被检测出来，这是一种无波长选择性的探测器件，比如热释电探测器、热敏电阻等。光子型探测器具有高的探测率和光响应度，对于弱光强度的入射光具有独特的优势，但是其探测的波长范围由于受到半导体材料带隙的限制通常较窄。热探测器具有宽的光谱响应范围，但是其探测率和响应度较低，因此适合于强光强度的入射光的探测。但是，由于光子型探测器和热探测器物理机理的不同，传统探测器很难兼顾高的响应度与宽的响应波长范围。

石墨烯二维材料作为一种零带隙半导体材料，自其发现以来得到世界范围的广泛关注。本征单层石墨烯具有高达200000cm²/(V·s)的电子迁移率，高达5300W/mK的热导率，远高于传统的半导体材料。此外石墨烯还具有高的机械强度、良好的弯曲性能、易于与其他材料结合，使得石墨烯能够与很多结构进行良好地集成。在光电探测器方面，石墨烯可以用于制备高速的宽带光电探测器，其良好的热导率及电子迁移率使得探测器的响应速度很快，其零带隙的性质使得探测器响应的波长范围很宽，但是由于本征石墨烯的光吸收率很小(单层石墨烯对于可见、近红外波段的垂直入射光只有2.3％吸收率)，而且电子空穴复合率高、寿命低，导致了其光电增益很小，从而极大限制了器件的光响应度；此外，石墨烯的零带隙导致其无法存在开或关的状态，因此限制了其应用。具有一定宽度的带隙的过渡金属二硫化物(TMDCs)、黑磷(BP)等类石墨烯二维材料自石墨烯之后被陆续发现，它们以其良好的光电性能，被广泛的运用在光电二极管、光电晶体管、光电探测器的领域。在光电探测器方面，这些类石墨烯二维材料光电探测器具有良好的开关性能。但是，一方面，受限于电子迁移率以及缺陷的影响，其响应度往往难以做到极高，响应速度也较为缓慢；另一方面，受限于二维半导体材料本身带隙的限制，其探测波长范围往往较小，局限在可见光波段。

将石墨烯与一种类石墨烯二维材料结合形成范德瓦尔斯异质结，可以增强类石墨烯二维材料的载流子迁移率，从而大幅提高探测器的光响应度，但是响应速度依然较慢，探测波长范围依然较小。将多种不同的类石墨烯二维材料结合形成范德瓦尔斯异质结，由于它们具有不同的功函数，可以形成一个内建的电场来加速电子、空穴分离和复合的速度，从而提高响应速度以及光响应度；由于它们之间存在不同二维材料的层间的电子跃迁，可以降低入射光子所需的能量，从而扩展探测波长范围，但是其光响应度依旧相对较小。

发明内容

本发明的目的在于将石墨烯与多种不同的类石墨烯二维材料结合形成范德瓦尔斯异质结，提供一种基于范德瓦尔斯异质结的高响应度、高速响应、宽带光电探测器。本发明的另一个目的是提供一种该光电探测器的制备方法。

本发明的光电探测器采用的技术方案是：