[發明專利]基于石墨烯類二維材料保護層的拓撲絕緣體陣列型光電探測器及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710508556.5
• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN107425081B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發明（設計）人: 孫紅輝;池雅慶;江天;方糧
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01L31/028
• 分類號: H01L31/028;H01L31/0352;H01L31/10;H01L31/18
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 周長清;黃麗

本發明公開了一種基于石墨烯類二維材料保護層的拓撲絕緣體陣列型光電探測器及其制備方法和應用。制備過程包括（1）在襯底上生長與之摻雜類型相反的拓撲絕緣體薄膜；（2）采用濕法轉移方法獲得石墨烯類二維材料保護層/PMMA堆疊結構并將其轉移至拓撲絕緣體薄膜之上；（3）通過光刻、磁控濺射制備ITO陣列電極；（4）通過光刻、反應離子刻蝕將ITO陣列電極的陣列單元之間的拓撲絕緣體薄膜和石墨烯類二維材料刻蝕掉，得到光電探測器。本發明的方法可有效避免拓撲絕緣體直接接觸有機液體而遭受損壞，可以與傳統微納工藝兼容，縮小單元探測器尺寸，提高集成度，獲得寬光譜和超快的光電響應，有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于光電探測技術領域，涉及一種基于大面積拓撲絕緣體薄膜光電探測器的制備方法，尤其涉及一種基于石墨烯類二維材料保護層的拓撲絕緣體陣列型光電探測器及其制備方法和應用。

背景技術

隨著光電探測技術的不斷發展，傳統光電探測器正面臨著響應光譜不夠寬、響應速度不夠快、中遠紅外探測器必需在低溫環境下才能工作、光電探測材料制備工藝復雜等諸多問題。為進一步促進光電探測技術的不斷發展，國內外研究人員始終把尋找新型光電探測材料作為發展新一代光電探測器最主要的技術路線。以石墨烯（graphene）和過渡金屬硫族化物（transition metal dichalcogenides，TMDCs）為代表的低維納米材料具有新奇的電學、光學性質，特別是在新型光電探測器的研究方面已經取得了非常大的成就。例如，基于石墨烯的光電探測器達到了40GHz的超高頻響應速度、基于MoS₂、WSe₂及其不同組合制備的異質結光電探測器也獲得了高響應度、寬光譜的光電響應。但是，這些新興探測器都普遍存在著單一性能達標、制備工藝復雜、難以可控量產的技術瓶頸。因此，尋找新型光電探測材料勢在必行。

拓撲絕緣體是最近幾年發現的一種全新的物質形態，現在已經引起了巨大的研究熱潮。拓撲絕緣體具有新奇的性質。雖然與普通絕緣體一樣具有能隙，但它們的拓撲性質卻有著本質的不同。在自旋-軌道耦合作用下，其表面或與普通絕緣體的界面上會出現無能隙、自旋劈裂且具有線性色散關系的表面/界面態。這些態受時間反演對稱性的保護，其電子的自旋與動量鎖定，不會受到雜質和無序的影響，由無質量的狄拉克（Dirac）方程所描述。拓撲絕緣體在2005年其概念被提出后便迅速引起人們的關注并發展成為凝聚態物理的一個熱點領域。人們很快發現了大量的拓撲絕緣體材料，并預言了很多基于拓撲絕緣體的新奇效應，使其有望在量子計算、自旋電子、超導以及光電子方面取得實際應用。強三維拓撲絕緣體（Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Sb₂Te₃）具有約0.3eV的體能隙，遠遠大于室溫下的熱擾動，同時0.3eV的體能隙又兼具中紅外光電探測的能力，使其在寬波段、高性能光電器件方面具有巨大的應用價值。

實驗發現，拓撲絕緣體薄膜容易受到丙酮、異丙醇、顯影液等化學試劑的影響，表面晶格結構遭到破壞，拓撲絕緣體固有的優異性質遭到嚴重破壞。這一劣勢嚴重影響了拓撲絕緣體與現有微納加工工藝的兼容性，增加了拓撲絕緣體進入實際應用的難度。為了提高拓撲絕緣體與現有微納加工工藝的兼容性，必須優化工藝方法，保護拓撲絕緣體免受化學試劑的破壞，進而提高器件的整體性能和集成度。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種可有效避免拓撲絕緣體直接接觸有機液體而遭受損壞、可與傳統微納工藝兼容、縮小單元探測器尺寸、提高集成度、獲得寬光譜、超快光電響應的基于石墨烯類二維材料保護層的拓撲絕緣體陣列型光電探測器及其制備方法和應用。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：