[发明专利]一种非对称电极石墨烯/二维材料异质结级联光电探测器

说明书

本发明公开了一种非对称电极石墨烯/二维材料异质结级联光电探测器，属于光电技术领域。该结构由衬底、功函数不同的两个电极、以及两电极之间的多层异质结构成。由于非对称电极和不同费米能级的石墨烯/二维材料异质结的存在，可以形成大的电势梯度差，当光入射后光生载流子迅速扩散到外电路形成光电流，避免了载流子的复合。该器件充分利用了石墨稀与二维材料的性质，提高了探测器的光响应度，同时由于电势梯度差的存在增加了载流子的移动速率，提升了响应速度。

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种石墨烯与二维材料复合的光电探测器。

技术背景

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、军事中均有广泛应用。随着科学技术的发展，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，随着器件集成度的逐渐提高，器件尺寸也成为制约传统光电探测器发展的因素。因此研究一种具有高响应、快速响应的光电探测器对未来光电产业具有重要的意义。

石墨烯的宽光谱吸收、极高的载流子迁移率(2.0X 10⁵cm²/(V.S))、超快的光响应速度等特点，使其在光电探测器的应用有着巨大的潜力。但是由于石墨烯对光的吸收很弱(2.3％)，使其具有较低的光响应度。这一不足之处使石墨烯基光电探测的性能大大的受限。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。但是这种探测器具有载流子迁移率很小、响应时间长的等缺点。由此可见单一的二维材料探测器也无法满足人们日益提高的需求。

发明内容

本发明针对现有光电探测器的技术缺点，旨在提供一种石墨烯与二维材料复合的光电探测器，在利用石墨烯光电探测器优点的同时解决了对光吸收弱等问题。进而实现超快、高响应的光电探测器。

本发明通过以下技术方案实现：

一种非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，包括从下至上依次设置的衬底、第一电极、二维材料/石墨烯异质结、第二电极，其特征在于，所述二维材料/石墨烯异质结为石墨烯与二维材料交错层叠构成的n层异质结。

进一步地，所述二维材料为过渡金属硫化物，如MoS₂，WS₂等。

进一步地，所述n层异质结中，n的值为3-5，且从底层到顶层的费米能级逐层递减。

进一步地，所述光电探测器制成后，能够通过退火增加异质结界面耦合，进一步提高器件的载流子传输性能。

进一步地，所述衬底为双层结构的复合衬底，其中上层为二氧化硅，下层为硅。

进一步地，所述第一电极为功函数高于等于5.1的金属电极，材料为Pt、Au等；所述第二电极为功函数低于等于4.26的金属电极，材料为Ag等。

进一步地，所述第一电极、第二电极通过磁控溅射或热蒸镀方式制成，第一电极的厚度为10-100um，第二电极的厚度为5-20nm。

进一步地，所述退火条件为：在管式加热炉内通入惰性气体，设置炉内温度为400℃-600℃，压强1pa-10pa，对材料加热3h-5h。

本发明通过石墨稀与二维材料交叠形成n层异质结，当光照射到物质表面时，光生载流子由于n层异质结所形成的能级梯度迅速扩散到外电路形成光电流。本发明优点包括：