[發明專利]可見光波段的集成石墨烯二硫化鉬的光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201710537913.0
• 申請日: 2017-07-04
• 公開（公告）號: CN107316915B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 陳鈺杰;張天佑;吳澤儒;張彥峰;余思遠
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L31/113
• 分類號: H01L31/113;H01L31/0232;H01L31/032;H01L31/18
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 林瑞云

本發明涉及一種可見光波段的集成石墨烯二硫化鉬的光電探測器及其制備方法。本方法提供的可見光光探測器，包括單晶硅襯底、二氧化硅介質層、氮化硅波導層、SU8波導、連續的二硫化鉬層、連續的石墨烯層、金屬電極。通過利用單層二硫化鉬對可見光的強吸收和石墨烯的超高電子遷移率，我們得到了在可見光波段的高響應率光探測器。通過結果分析表明，本發明的一種可見光波段的集成石墨烯二硫化鉬的光電探測器得響應度可達32 A/W,可用于制作大規模集成光電系統。

技術領域

本發明涉及光電元件技術領域，特別涉及一種可見光波段的集成光電探測器及其制備方法。

背景技術

光是信息傳輸的重要載體，光電探測器是光通信系統中應用最為廣泛的光電器件之一，傳統的半導體光電探測器在應對器件系統微型化、扁平化遇到了瓶頸。近年來，隨著石墨烯和類石墨烯材料的崛起，這些納米材料的發展給新型的光電探測器開啟了一扇大門。

石墨烯是一種只有一個原子層厚度的準二維材料，由于它具有優良的強度、柔韌性、透明度、導電性、導熱性在光電領域得到了長足的發展。類石墨烯材料-二硫化鉬是有六方晶系或多層二硫化鉬組成的具有三明治夾心層狀結構的化合物，二硫化鉬因其具有納米尺度的二維層狀結構并且單層的二硫化鉬結構是直接帶隙的半導體，在可見光波段對光的吸收效率能夠達到5% ~ 10%，因此同樣在光電器件領域得到了廣泛而深度的研究。

這些二維材料可以依靠范德瓦爾茨力相互疊加在一起，構成新的混合材料，這種混合材料的優勢在于它具有相對應疊加材料的各個優良的性質，例如將單層的石墨烯和單層的二硫化鉬混合疊加在一起形成混合結構，這種混合結構可以充分利用石墨烯的超高電子遷移率，又可以利用單層二硫化鉬對可見光的高吸收效率，從而可以制備成具有高增益、高響應的光電探測器件。另外，將石墨烯/二硫化鉬結構集成于光波導結構，可以讓該混合結構更好的與光耦合，從而提高其綜合性能。

發明內容

本發明的目的在于通過利用單層二硫化鉬對可見光的強吸收和石墨烯的超高電子遷移率，得到了在可見光波段的高響應率光探測器。

本發明的一方面提供一種可見光波段的基于氮化硅波導集成石墨烯二硫化鉬的光電探測器，其特征在于，包括單晶硅襯底、二氧化硅介質層、氮化硅波導層、SU8波導、連續的二硫化鉬層、連續的石墨烯層、金屬電極；單晶硅襯底的表面沉積二氧化硅介質層，二氧化硅介質層的表面為氮化硅波導層，SU8波導位于氮化硅波導層的兩端之上，連續的二硫化鉬層平鋪于氮化硅波導層之上，與二氧化硅介質層接觸，連續的石墨烯層平鋪于連續的二硫化鉬層之上；金屬電極位于氮化硅波導層兩側，與連續的石墨烯層接觸。

本發明的另一方面還提供了上述技術方案所述的可見光光電探測器的制備方法，包括以下的步驟：

1)在單晶硅襯底的表面利用化學氣相沉積在300攝氏度的環境中生長一層二氧化硅介質層，形成單晶硅-二氧化硅復合材料；

2)在所述步驟（1）得到的單晶硅-二氧化硅復合材料的表面利用化學氣相沉積在300攝氏度的環境中生長一層氮化硅層，形成單晶硅-二氧化硅-氮化硅復合材料；

3)在所述步驟（2）得到的單晶硅-二氧化硅-氮化硅復合材料中對氮化硅進行刻蝕，得到氮化硅波導層；

4)依次將連續單層的二硫化鉬、石墨烯轉移至所述步驟（3）得到的氮化硅波導層上，形成薄膜和波導的組合結構；

5)在所述步驟（4）得到的組合結構上旋涂一層SU8電子膠，利用電子束光刻，制作成SU8波導；

6)在所述步驟（5）得到的結構中利用光刻技術制作出電極區域，利用電子束蒸鍍，鍍上鈦和金電極，得到二硫化鉬和石墨烯混合機構的光電探測器。

優選的，連續的二硫化鉬層和連續的石墨烯層均為單層。所述連續的單層石墨烯的厚度為0.2 ～ 0.5nm。