[發(fā)明專利]基于二維各向異性材料的片上光探測器及其制造方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811036994.7
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN109216497A
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏鐘鳴;周子琦;胡偉達(dá);龍明生;王曉亭;文宏玉;李京波
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所;中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: H01L31/113
• 分類號: H01L31/113;H01L31/18;H01L31/032
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 李坤

本公開提供了一種基于二維各向異性材料的片上光探測器及其制造方法，片上光探測器自下而上包括：重?fù)诫s電極、薄層絕緣層、二維薄層材料和兩個金屬電極；二維薄層材料嵌設(shè)在薄層絕緣層和兩個金屬電極間；二維薄層材料為具有低面內(nèi)對稱性的二維材料。本公開光探測器使用的是全新的二維材料，由于材料本身的各向異性等特點(diǎn)，使得光探測器可以探測多角度的線偏振光，應(yīng)用范圍更加廣泛，從根本上改變了探測器的性質(zhì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及光電探測器的制作領(lǐng)域，尤其涉及一種基于二維各向異性材料的片上光探測器及其制造方法。

背景技術(shù)

2014年，曼徹斯特大學(xué)的Novoselov和Geim用機(jī)械剝離法從石墨中分離出了單層石墨烯，單層的石墨烯相比于其體材料具有更加優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能，并且在納米電子學(xué)、能源、功能材料等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。自此，二維石墨烯迅速成為科研人員研究的熱點(diǎn)，也激發(fā)了人們對二維材料領(lǐng)域的研究熱情。通過人們不斷探索，多種類石墨烯的二維材料(如：過渡金屬雙硫族化合物，氮化硼等)相繼被制備出來。二維材料相比與其母體材料表現(xiàn)出更多新奇的物理化學(xué)性質(zhì)，在未來的電子、信息、能源等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

光電探測器的原理是利用光照引起具有光電效應(yīng)的材料及異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生額外的光生載流子，進(jìn)而被人們探測到。光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域有廣泛用途。在可見紫外波段和可見波段主要應(yīng)用于太陽能電池、工業(yè)自動控制；近紅外波段主要用于射線測量和探測、光度計(jì)量；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。將二維材料應(yīng)用到光探測器中可以提高探測器的光強(qiáng)敏感度，減少探測器的響應(yīng)時間，拓展探測光范圍等。將擁有面內(nèi)各向異性的二維材料應(yīng)用到光探測器中，可以制備出角度敏感的偏振光探測器。然而由于材料本身性能的限制，偏振光探測器的種類少，光敏感性較弱，器件響應(yīng)速度較慢，各向異性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本公開提供了一種基于二維各向異性材料的片上光探測器及其制造方法，以至少部分解決以上所提出的技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本公開的一個方面，提供了一種基于二維各向異性材料的片上光探測器包括：重?fù)诫s電極、形成于重?fù)诫s電極上的薄層絕緣層、形成于薄層絕緣層上的二維薄層材料和兩個金屬電極；所述二維薄層材料嵌設(shè)在所述薄層絕緣層和兩個金屬電極間；所述二維薄層材料為具有各向異性的二維材料。

在本公開一些具體實(shí)施例中，所述的低面內(nèi)對稱性的二維材料為二維GeAs材料。

在本公開一些具體實(shí)施例中，所述重?fù)诫s電極為p型或n型的重?fù)诫s硅襯底，作為所述片上光探測器的柵電極層；所述薄層絕緣層為200nm-400nm的二氧化硅，作為所述片上光探測器的柵介質(zhì)層；所述兩個金屬電極分別為Ti/Au中任一個，作為所述片上光探測器的源電極層/漏電極層；所述Ti金屬電極層的厚度為所述Au金屬電極層的厚度為

在本公開一些具體實(shí)施例中，所述片上光探測器的探測范圍為紫外波段至中紅外波段。

根據(jù)本公開的另一個方面，提供了一種基于二維各向異性材料的片上光探測器的制造方法包括：步驟S1：通過化學(xué)氣相輸運(yùn)法，在1000攝氏度以上的環(huán)境中生長二維薄層材料；步驟S2：重?fù)诫s電極為p型或n型的重?fù)诫s硅襯底，通過氧化工藝，氧化重?fù)诫s硅襯底300nm厚的表層，形成薄層絕緣層；步驟S3：通過二維材料轉(zhuǎn)移的方法，將少層的二維薄層材料轉(zhuǎn)移到步驟S2的薄層絕緣層上；步驟S4：在步驟S3的二維薄層材料上制作兩個金屬電極。

在本公開一些具體實(shí)施例中，還包括步驟S5：用不同波長的圓偏振光及線偏振光做入射光源，探測器件在光照下的電流變化，確定光探測器的性能。

在本公開一些具體實(shí)施例中，所述步驟S1中，二維薄層材料生長前升溫的溫度梯度小于10℃/cm。