[發明專利]一種基于光學微帶天線非對稱集成的二維材料探測器

在審

• 申請號: 202010965512.7
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112242456A
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 周靖;郭尚坤;余宇;嵇兆煜;代旭;鄧杰;陳效雙;蔡清元;儲澤世;李方哲;蘭夢珂
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0232;H01Q1/22
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種基于光學微帶天線非對稱集成的二維材料探測器，其結構包括金屬反射面、介質間隔層、二維活性材料層，以及頂層源電極和金屬柵條集成的漏電極。金屬?二維活性光敏材料?金屬光探測結構的自驅動響應來自二維材料與金屬接觸之間的肖特基結，光學微帶天線的非對稱集成打破對稱性，通過光學微帶天線的高效耦合與光場局域實現二維材料接觸結區光吸收大幅增強，同時延長接觸結的邊界，而在另一電極處的二維材料的光吸收受到距離很近的金屬底面的抑制，兩個電極附近的光響應對比度高達一百多倍。在泛光照射下，光學微帶天線集成二維材料的響應率比傳統金屬光柵集成二維材料的響應率高出一個數量級以上。

技術領域

本發明涉及一種基于光學微帶天線非對稱集成的二維材料探測器，具體是指一種實現自驅動光響應增強的基于光學微帶天線非對稱集成的二維材料探測器及設計方法。

背景技術

目前光電探測器廣泛應用于光纖通信、光學成像、遙感、以及生物醫學分析系統，在日常生活中已成為必不可少的一部分。然而，在眾多光電探測器中，每個探測器必須滿足一定的要求，才能有針對性的在相關工業以及研究中應用。由于工作波段需求不同，必須仔細選擇用于制造光電探測器的半導體材料的能量帶隙來匹配相應工作波長。在過去的十年里，新興的二維層狀材料促進了對新型光電探測器的研究。不同的二維材料通常具有不同帶隙，從而覆蓋了目前傳統塊狀半導體材料所不能達到的幾乎所有感興趣的波長。二維材料超薄的厚度使其靜電調控的效果突出，局域柵壓能夠耗盡絕大多數本征載流子，抑制暗電流。另外，二維材料能夠與絕大多數襯底以及其它二維材料進行集成和堆疊，而不用考慮傳統材料晶格匹配的苛刻限制。再加上其制造工藝與目前的半導體技術兼容，二維材料在光電探測器中具有很大的應用前景。

針對基于無線傳感器網絡的室外環境監控探測、可穿戴醫療監測眾多應用，為每個設備提供電源是不切實際的，這些只適用于自驅動或超低功耗光電探測器。為了實現自驅動光探測器，提出了各種器件結構，其中研究最多的是基于pn結的光伏器件，因為它可以在不受偏壓的狀態下通過光伏效應產生自驅動的光電流。對于二維材料，由于到目前為止還沒有可靠的摻雜方法，人們或是采用二維材料異質結，或是在溝道中引入雙柵結構，對溝道的不同部分分別進行p型或n型的靜電摻雜，以獲得二維材料的pn結。前者的問題是二維材料異質結受到異質材料不同能帶結構以及界面的影響較大，情況復雜，對于載流子的輸運特性的有效控制具有一定難度。后者的問題是雙柵結構的制備工藝復雜，樣品成功率低。金屬與二維材料接觸能夠產生類似肖特基結，也能夠分離電子和空穴形成自驅動光響應。但通常的金屬-二維材料-金屬的器件結構由于具有對稱出現的金屬-二維材料結，兩端產生的自驅動光響應相互抵消，在泛光照射下沒有凈響應。引入不同的異種金屬電極來獲得不同的肖特基勢壘高度能夠獲得泛光照射下的自驅動的凈響應。然而，異種金屬結構需要額外的套刻、沉積、剝離等工藝，流程復雜且容易對二維材料造成污染和損傷，降低器件成功率。因此，發展一種簡便、可靠的具有自驅動光響應的二維材料的光電探測器具有重要意義。非對稱集成的微納光學結構能夠打破兩端金屬-二維材料結的對稱性，給我們提供了新的思路。另一方面，二維材料超薄的厚度導致其光吸收率較低；很多光被反射或者透射，沒有被吸收。因此，非對稱集成的微納光學結構在打破對稱性的同時也需要增強二維材料的光吸收。綜合以上因素，非對稱集成的光學微帶天線是一個非常有希望的候選。通過光學微帶天線與一端電極融合，利用高效耦合與光場局域實現該電極-二維材料接觸結區光吸收顯著增強，同時延長接觸結的邊界，提高光電流接收效率；而在另一電極-二維材料接觸結區，利用距離很近的金屬底面大幅抑制光吸收，實現兩個電極-二維材料接觸器的光響應的巨大差異，從而構建出具有顯著自驅動光響應的二維材料光探測器件。

發明內容

本文發明的目的在于提出了一種實現自驅動光響應增強的基于光學微帶天線非對稱集成的二維材料探測器及設計方法，突破經典的金屬-石墨烯-金屬光電探測器件在泛光照射下沒有凈的自驅動光響應，以及石墨烯光吸收率低的瓶頸問題。