[发明专利]基于二维材料/绝缘层/半导体结构的宽光谱光电探测器

说明书

本发明公开了一种基于二维材料/绝缘层/半导体结构的宽光谱光电探测器，包括栅极、半导体衬底、绝缘层、二维材料薄膜、源极与漏极，二维材料薄膜上表面水平间隔布置有漏极与源极；半导体衬底的底部设有异质结。入射光照射到器件表面时，被半导体衬底和异质结吸收，产生的少数载流子注入积累到由脉冲栅压形成的衬底深耗尽势阱中。由于二维材料的特殊性质，其通过电容耦合有效收集载流子，输出光电流的信号，实现随机、无损和高速读出；本发明可有效扩宽光电探测器的光谱响应范围，实现从紫外光、可见光到红外光的宽光谱探测，同时改变了传统电荷耦合器件的读出方式，提高系统的响应速度和可靠性。

技术领域

本发明属于图像传感器技术领域，涉及图像传感器器件结构，尤其涉及一种基于二维材料/绝缘层/半导体结构的宽光谱光电探测器。

背景技术

电荷耦合器件(CCD)图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，信号电流再经过放大和模数转换，就可以实现图像的获取、传输和处理。作为光电探测器，CCD图像阵列系统被应用于相机、扫描仪等设备的感光组件，具有良好的感光效率和成像品质，但受限于硅较宽的带隙，传统的CCD光谱探测范围被限制在可见光波段。

二维材料薄膜，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱等。二维材料薄膜是伴随着2004年曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨烯而提出的，目前已成功分离、制备的二维材料薄膜有几十种，包括黑磷、过渡金属硫化物等。二维材料薄膜的发现为突破传统CCD局限带来了机会。

石墨烯是一种新型二维材料，由单层sp²杂化碳原子构成蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料。石墨烯覆盖在半导体氧化片上可以构成简单的石墨烯场效应晶体管(FET)，制备工艺简单，易于转移到任何衬底上。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于二维材料/绝缘层/半导体结构的宽光谱光电探测器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于二维材料/绝缘层/半导体结构的宽光谱光电探测器，自下而上设有半导体衬底、绝缘层和二维材料薄膜，所述半导体衬底下表面设有栅极，所述二维材料薄膜上表面水平间隔布置有漏极与源极；所述半导体衬底的底部设有异质结；所述异质结由硅衬底与其他材料接触形成，用以增强红外吸收能力。

进一步地，所述异质结为红外吸收增强区，异质结的形成由硅衬底与多层石墨烯紧密接触形成肖特基结；或由硅与过渡金属形成金属硅化物后，硅衬底与金属硅化物接触形成异质结；或由硅材料与锗材料密切接触形成异质结。

进一步地，所述绝缘层为氧化硅、氮化硅或High-K材料中的一种，厚度为10nm～100nm。

进一步地，所述二维材料薄膜为石墨烯、黑磷、过渡金属硫化物或MXenes中的一种。

进一步地，所述半导体衬底为轻掺杂硅衬底，掺杂浓度为10¹¹cm^-3～10¹³cm^-3。

进一步地，所述栅极所用材料为镓铟合金，所述漏极和源极所用材料为铝、银、金、钛、铬或铜中的一种或合金。

进一步地，所述二维材料薄膜与绝缘层、半导体衬底形成MIS结构，二维材料薄膜作为读出层，半导体衬底与其底部的异质结共同作为吸光层。

进一步地，宽光谱探测在红外波段的性能提升，利用轻掺杂硅衬底与绝缘层之间的界面态和硅与其他材料形成的异质结共同实现；宽光谱探测在紫外波段的性能提升，通过设计绝缘层厚度减少紫外光的反射率，提高在紫外波段的透光率。