[發明專利]基于BP材料的光電探測器及其制備方法

在審

• 申請號: 201811546472.1
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109786483A
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 劉艷;黃炎;闞楊若穎
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L31/0304
• 分類號: H01L31/0304;H01L31/09
• 代理公司: 西安文盛專利代理有限公司 61100
• 代理人: 佘文英

本發明公開了一種基于BP材料的光電探測器，包括：襯底層、鈍化層、吸收層及LSPR效應層；LSPR效應層、吸收層和鈍化層在襯底層上依次由上至下豎直分布，其特征在于：LSPR層采用金屬Al材料、吸收層采用二維黑磷材料、鈍化層采用二氧化硅材料及襯底層采用Si材料，器件的源漏采用金，從而在光學吸收層Al與黑磷界面形成強烈的LSPR效應。本發明光電探測器具有超強吸收的結構，可增強光吸收和響應度能力，為有效提高BP光電探測性能鋪平了道路。

技術領域

本發明屬于光電子器件技術領域，具體涉及基于納米級等離子體光柵結構的20層黑磷光電探測器。

背景技術

近年來，原子級超薄的二維材料，例如過渡金屬二硫屬化物(TMDCs)，石墨烯和黑磷(BP)由于其獨特的物理性質而受到了廣泛關注。由于它們的厚度很薄，它們具有新穎的光學，電學，機械和熱學性質。二維材料成為一種新的材料，可以在超緊湊的尺寸中實現新穎的光子和電子特性。在這些二維材料中，因為層狀黑磷在電子和光電子學中具有廣闊的應用前景，目前正在被深入的研究。與其他二維材料相比，黑磷表現出更強的層間相互作用，更高的載流子遷移率和更窄的帶隙。此外，黑磷具有直接帶隙，從單層到塊狀，其帶隙范圍為0.3eV至2eV。因此，多層黑磷可以允許在整個可見光譜，如中紅外(MIR)和遠紅外(FIR)的寬光譜中進行光檢測。最近黑磷已經實現了很多有前景的應用，包括場效應晶體管，異質結p-n二極管，光電器件和光電探測器。

然而，基于二維材料的光學電子器件由于其固有的原子級薄的厚度而表現出有限的光吸收。為了增強二維材料的光與物質間的相互作用，已經提出了幾種光捕獲策略，如集成波導，衍射光柵，折疊配置，直接耦合諧振器和等離子體納米結構。例如，Wang的研究小組展示了一種高響應性的石墨烯/硅異質結構波導光電探測器。波導可以吸收瞬逝光，從而產生高吸收。根據Seungbum Rim的研究，引入了薄膜太陽能電池的有效光捕獲配置，通過利用V形光捕獲配置，其顯著增加光電流產生效率，實現52％的吸收光子轉換成光電流的效率。在這些方法中，由于工藝方便和小的器件占用面積，等離子體納米結構對光增強非常有潛力。通過引入等離子體納米結構，由這種納米結構吸收的入射光可以在共振波長下有效地轉換成等離子體振蕩，這導致局部電場的顯著增強。局部表面等離子體共振(LSPR)將在金屬納米結構中被激發，這是一種在吸收光譜中產生強吸收峰的效應，以及圍繞納米結構的局部電場的強烈增強。當光束照射金屬納米結構時，如果入射光子頻率與金屬納米結構的振動頻率匹配，則納米結構將對光子能量具有強吸收效應，并且將發生局部表面等離子體共振。等離子體納米結構可以有效地利用LSPR特性，由此可以開發出一種新方法來實現超薄二維材料的吸收增強。

已知等離子體納米結構通?？煞譃樵S多不同的形狀，例如納米顆粒，納米級光柵，多孔薄膜等。以前的工作已經證明了不同形狀的等離子體納米結構對作為活性層的二維材料的光物質相互作用的影響。例如，通過將石墨烯與金納米顆粒耦合來表征等離子共振增強多色光電探測器。該光電探測器的外部量子效率可提高至1500％。對比幾種不同的等離子體納米結構，包括納米顆粒和光柵。在這些納米結構中，光柵結構表現出最佳性能。因此，在我們的研究中，等離子體納米結構選擇光柵結構。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于BP材料的光電探測器及其制備方法，本發明光電探測器具有超吸收結構，可增強光吸收和響應度能力，為有效提高黑磷光電探測性能提升了希望。

本發明技術原理