[發明專利]一種范德瓦爾斯異質結型光電探測器及制備方法

有效

• 申請號: 201910028647.8
• 申請日: 2019-01-11
• 公開（公告）號: CN109817808B
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 王軍;蔡明;史佳欣;張云逵;劉德幸;牛青辰
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 成都聚蓉眾享知識產權代理有限公司 51291
• 代理人: 張輝

本發明涉及光電探測技術領域，且公開了一種范德瓦爾斯異質結型光電探測器及制備方法，包括襯底和所述襯底的頂部固定安裝有與底柵電極頂部連接的介質層。因為N型半導體MoS₂、P型有機半導體薄膜材料和石墨烯薄膜在可見光波段到近紅外波段有直接吸收保障器件寬光譜探測；而N型半導體MoS₂具有較大電阻有效抑制器件暗電流，同時N型半導體MoS₂與P型有機半導體薄膜材料形成的異質結區能夠有效分離光生載流子，從而實現器件高響應率，而表面層石墨烯作為高速透明電荷傳輸通道提高器件響應速度，從而本發明中光電器件相比已有MoS₂光電探測器具有響應波段寬、響應率高、響應速度較快等特點。

技術領域

本發明涉及光電探測技術領域，具體為一種范德瓦爾斯異質結型光電探測器及制備方法。

背景技術

多年來，塊體形式過渡金屬硫化物(TMDCs)的性質已經被廣泛的研究，而二維TMDCs的制備也從Frindt和Yoffe在1963年的開創性工作就開始了。單層二硫化鉬(MoS2)的結構和光學性質在20世紀80年代就被研究過了，但是，隨著石墨烯引發的研究熱潮，對其他二維材料的研究才得以恢復。現在無可爭議的是這些二維材料在光電探測領域有著巨大的潛力。

與傳統直接帶隙的半導體相比，TMDCs因它們的機械柔軟性和易加工性，可以在光電子學領域帶來更多的優勢。TMDCs的性質很大程度上取決于他們的厚度，例如塊體二硫化鉬有著1.3eV的間接帶隙，而單層二硫化鉬卻具有1.8eV的直接帶隙。這一改變帶來了光學性質上的變化，例如光學吸收譜和光致發光特性上的改變。在文獻中，與塊體二硫化鉬相比，單層硫化鉬發光量子效率取得了1000倍的增強，通過改變層數來調節帶隙的能力使得TMDCs可以應對不同波段的光探測，然而這些器件也有局限性，那就是吸收帶窄、可選材料較少、生產成本高，而有機半導體材料在近些年被廣泛研究與應用在提高太陽能電池效率的領域里，他們有很多優勢，比如造價低廉、使用簡單、高的光吸收率，但是由于其能帶寬度的限制，他們的吸收光譜也被限制在可見光波段。

發明內容

(一)解決的技術問題

目前關于MoS2和小分子有機物的范德瓦爾斯異質結光電探測器較少，而二硫化鉬具有高開關比的優勢，但是缺點是響應速度較慢，本發明中將二硫化鉬與高靈敏度和響應速度的有機小分子組合成范德瓦爾斯異質結有良好的互補作用，在光電子領域有較好的前景。

(二)技術方案

為實現上述的目的，本發明提供如下技術方案：一種范德瓦爾斯異質結型光電探測器及制備方法，包括襯底和所述襯底的頂部固定安裝有與底柵電極頂部連接的介質層，而所述介質層的頂部固定安裝有一側位于P型有機半導體薄膜材料內部的N型半導體MoS₂，且另一側位于P型有機半導體薄膜材料的外部，所述P型有機半導體薄膜材料的上表面固定安裝有石墨烯，所述N型半導體MoS₂和石墨烯的頂部分別固定安裝有金屬電極，從而構成了本裝置的結構。

優選的，所述N型半導體MoS₂的層數數量為單層、雙層或多層，根據生產需要選擇，且所述N型半導體MoS₂的厚度大小低于10nm，而所述P型有機半導體薄膜材料的厚度大小在5nm于20nm之間。

優選的，所述石墨烯是烯附著P型有機半導體薄膜材料的上表面，用于增加了光激發載流子的收集與傳輸速度。

優選的，所述底柵電極、介質層、N型半導體MoS₂、P型有機半導體薄膜材料、石墨烯和金屬電極共同構成場效應管結構，通過對所述底柵電極電壓的調節可以使得N型半導體MoS₂和P型有機半導體薄膜材料的勢壘高度會升高或者降低，從而使得光電流的大小發生變化。

優選的，所述N型半導體MoS₂和P型有機半導體薄膜材料組成的異質結有效分離光生載流子，用于提高探測器外量子效率。