[發明專利]一種基于范德瓦爾斯異質結的光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201810431706.1
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN110459548B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 徐飛;熊毅豐;陳錦輝
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李媛媛

本發明公開了一種基于范德瓦爾斯異質結的光電探測器及其制備方法。該光電探測器包括光纖、范德瓦爾斯異質結結構、一對光纖側壁金屬電極以及一對光纖端面金屬電極，光纖側壁金屬電極和光纖端面金屬電極相連；范德瓦爾斯異質結結構位于光纖的端面，從下到上依次為二硫化鎢薄膜、二硫化鉬薄膜和石墨烯薄膜；一對光纖端面金屬電極分別連接范德瓦爾斯異質結結構兩端的石墨烯薄膜。本發明制備的光電探測器可以實現可見到近紅外波段弱光探測功能，以及全波段的強光探測功能，同時具有較好的穩定性和抗干擾能力，在光通訊、光傳感領域具有廣泛應用前景。

技術領域

本發明涉及光電子技術領域，具體涉及光電探測器領域。更具體而言，涉及一種全新的超高響應度、高速響應、超寬帶光電探測器及其制備方法。

背景技術

光電探測器是將光信號轉化為電信號的器件，當光電探測器受到光輻照時，會引起其電導率的變化從而利用電學方法檢測出來。光電探測器在軍事以及國民經濟的各個領域均有廣泛的運用，其中超高靈敏度的光電探測器在現代光通訊、環境檢測、生物醫學研究等研究領域有突出貢獻。光電探測器可以分為兩種類型，一種是光子型探測器，探測器中的半導體材料直接吸收光子產生電導率的變化，這是一種有選擇性響應波長的探測器件，比如光電管、光電導探測器、光伏性探測器等；一種是熱探測器，探測器中的探測元件吸收光輻射的能量而造成溫度的升高，造成物理參量的改變而被檢測出來，這是一種無波長選擇性的探測器件，比如熱釋電探測器、熱敏電阻等。光子型探測器具有高的探測率和光響應度，對于弱光強度的入射光具有獨特的優勢，但是其探測的波長范圍由于受到半導體材料帶隙的限制通常較窄。熱探測器具有寬的光譜響應范圍，但是其探測率和響應度較低，因此適合于強光強度的入射光的探測。但是，由于光子型探測器和熱探測器物理機理的不同，傳統探測器很難兼顧高的響應度與寬的響應波長范圍。

石墨烯二維材料作為一種零帶隙半導體材料，自其發現以來得到世界范圍的廣泛關注。本征單層石墨烯具有高達200000cm²/(V·s)的電子遷移率，高達5300W/mK的熱導率，遠高于傳統的半導體材料。此外石墨烯還具有高的機械強度、良好的彎曲性能、易于與其他材料結合，使得石墨烯能夠與很多結構進行良好地集成。在光電探測器方面，石墨烯可以用于制備高速的寬帶光電探測器，其良好的熱導率及電子遷移率使得探測器的響應速度很快，其零帶隙的性質使得探測器響應的波長范圍很寬，但是由于本征石墨烯的光吸收率很小(單層石墨烯對于可見、近紅外波段的垂直入射光只有2.3％吸收率)，而且電子空穴復合率高、壽命低，導致了其光電增益很小，從而極大限制了器件的光響應度；此外，石墨烯的零帶隙導致其無法存在開或關的狀態，因此限制了其應用。具有一定寬度的帶隙的過渡金屬二硫化物(TMDCs)、黑磷(BP)等類石墨烯二維材料自石墨烯之后被陸續發現，它們以其良好的光電性能，被廣泛的運用在光電二極管、光電晶體管、光電探測器的領域。在光電探測器方面，這些類石墨烯二維材料光電探測器具有良好的開關性能。但是，一方面，受限于電子遷移率以及缺陷的影響，其響應度往往難以做到極高，響應速度也較為緩慢；另一方面，受限于二維半導體材料本身帶隙的限制，其探測波長范圍往往較小，局限在可見光波段。

將石墨烯與一種類石墨烯二維材料結合形成范德瓦爾斯異質結，可以增強類石墨烯二維材料的載流子遷移率，從而大幅提高探測器的光響應度，但是響應速度依然較慢，探測波長范圍依然較小。將多種不同的類石墨烯二維材料結合形成范德瓦爾斯異質結，由于它們具有不同的功函數，可以形成一個內建的電場來加速電子、空穴分離和復合的速度，從而提高響應速度以及光響應度；由于它們之間存在不同二維材料的層間的電子躍遷，可以降低入射光子所需的能量，從而擴展探測波長范圍，但是其光響應度依舊相對較小。

發明內容

本發明的目的在于將石墨烯與多種不同的類石墨烯二維材料結合形成范德瓦爾斯異質結，提供一種基于范德瓦爾斯異質結的高響應度、高速響應、寬帶光電探測器。本發明的另一個目的是提供一種該光電探測器的制備方法。

本發明的光電探測器采用的技術方案是：