[發明專利]一種增強可見光和近紅外波段光吸收的二維材料光電探測器

有效

• 申請號: 201710845729.2
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107634106B
• 公開（公告）日: 2019-10-08
• 發明（設計）人: 張永哲;李景峰;嚴輝;劉北云;游聰婭;龐瑋;王光耀;楊炎翰;申高亮;鄧文杰;陳永鋒
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/028;H01L31/0392;H01L31/09
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種增強可見光和近紅外波段光吸收的二維材料光電探測器，屬于光電探測器領域。包括P型硅襯底、表面具有鈦金的氧化硅光柵、單層的二維材料，兩側的金屬電極；所述襯底為高摻雜的P型硅；所述表面有金屬層的氧化硅光柵為亞波長結構的超材料，所述單層定點轉移的單層二維材料；在光照下，在金屬層表面形成局域的表面激元。在可見光和近紅外波段會產生強烈的局域表面激元共振；二維材料可以充分吸收局域表面激元共振所產生的電場增強而增益的能量；所述電極用以連接外接直流電源可以提供源極與漏極之間的偏壓，將增益的電子形成光電流，從而產生光響應，實現其光電探測的功能。

技術領域

本發明屬于光電探測器領域，特別涉及一種增強可見光和近紅外波段光吸收的二維材料光電探測器。

背景技術

二維材料是隨著石墨烯的發現而提出的，石墨烯是種碳的同位素，是目前發現的最薄的材料，其厚度僅為0.34nm。是碳原子以SP²軌道雜化構成的六邊形二維單原子層晶體結構。2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆(Andre Geim)和克斯特亞·諾沃消洛夫(Konstantin Novoselov)首次通過機械剝離的方法制備出單層的石墨烯結構，石墨烯具有超強的力學性質，超快的電子遷移率，良好的導電性，使其得到學術界廣泛關注與研究。之后，過渡族金屬硫族化合物(TMDs)、氮化硼、黑磷、硅烯、鍺烯、硼烯等二維材料相繼被發現，二維材料形成了一個龐大的家族。

以石墨烯為例，單層石墨烯和雙層石墨烯的能帶結構中，導帶和價帶相交于迪拉克點，故其能帶為零帶隙。層數多于兩層，也就是寡層石墨烯(FLG,3～10層)中，可以認為每一層石墨烯都是受到鄰近層極小擾動的二維電子氣，在光學上等效為幾乎互相沒有作用的單層石墨烯的疊加。單層石墨烯和雙層石墨烯光吸收過程的機理為：當光能量足夠強時，電子躍遷速率大于帶間弛豫速率，導帶底被電子填滿，同時價帶頂被空穴填滿，吸收過程達到飽和，故導致其對垂直入射光的吸收率僅為2.3％。純石墨烯光電探測器件幾乎沒有光響應(僅為10-20mA/W)。使石墨烯器件的應用被限制，故提高石墨烯的吸收率可有效提高石墨烯光電探測器的光響應。而其他二維材料由于其結構是單層，導致它們對光線的吸收受到限制，所以提高它們的光吸收率進而增加二維材料光電探測器的光響應也是十分必要的。

超材料是2001年首次提出，它具有左手定則，負折射率等優點，在特定的幾何結構下可以對特定波段的光進行完美的吸收。本發明正是利用超材料吸收體來提高二維材料對光的吸收率，從而提高二維材料光電探測器的光響應。

現有化學方式處理二維材料表面，增強二維材料光電探測器的光響應的方法。由于一些化學試劑保存條件要求苛刻，導致化學方法有很大缺陷，無法長期保持效果。且受到負載物帶寬限制，無法調控二維材料的光吸收，也就無法改變二維材料光電探測器的響應譜寬，本結構與現有的化學方法增強二維材料光電探測器光響應相比較，具有長期有效，不易受外界環境影響，更穩定。以石墨烯為例，單層石墨烯吸收譜超級寬，可以從紫外到遠紅外波段，通過設計不同的超材料結構可以調控石墨烯對不同波段的吸收，增大了光電探測器的應用范圍，增強其實用性。

發明內容

針對現有上述本征石墨烯等二維材料光吸收光低，本征二維材料光電探測器光響應度低等困難與不足，本發明提供了一種增強可見光和近紅外波段光吸收的二維材料光電探測器。

一種增強可見光和近紅外波段光吸收的二維材料光電探測器，其特征在于，該光電探測器結構包括P型硅襯底，P型硅襯底的上表面為氧化硅層，在氧化硅層表面的中間部分為氧化硅光柵，氧化硅光柵結構的表面依次蒸鍍有鈦層和金層的、氧化硅光柵上表面為二維材料，在二維材料上表面的兩側蒸鍍沉積的金屬電極，分別形成源漏電極。

本發明采用高摻雜的P型硅作為襯底材料，用以連接金屬電極，形成歐姆接觸。