[發明專利]一種光學Tamm態增強型石墨烯光電探測器及其制備方法

在審

• 申請號: 202011551857.4
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112652669A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 劉鋒;趙炎亮;曹峻;石溪;劉德君;何曉勇
• 申請（專利權）人: 上海師范大學
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/113;H01L31/028;H01L31/18
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 楊元焱

本發明涉及一種光學Tamm態增強型石墨烯光電探測器，該光電探測器包括自下而上依次堆疊的P型高摻硅片(1)、金屬反射鏡(2)、絕緣層(3)、光敏層和漏源電極(4)、介質保護層(5)和介質布拉格反射鏡(6)，所述的光敏層(4)為二維材料或有機光電薄膜，包括石墨烯、二硫化鉬、黑磷等、鈣鈦礦、量子點薄膜。本發明利用光學Tamm態將石墨烯的光吸收能力提升了26倍(從2.3％提升至60％)，解決了純石墨烯光電探測器光響應率低的問題(從0.6mA/W提升至30mA/W)；通過改變結構參數(金屬反射鏡材料，介質布拉格反射鏡參數)可以實現不同響應頻率和帶寬的光電探測，以滿足不同的應用需求。

技術領域：

本發明涉及光電探測技術領域，尤其是涉及一種光學Tamm態增強型石墨烯光電探測器及其制備方法。

背景技術

光探測技術無論在商用，民用(光通信系統)還是軍用(偵察，制導，通訊)領域都發揮著至關重要的作用。目前，傳統的半導體(例如：硅，鍺，硫化鎘)等仍是主流的應用于光電探測器的材料，然而一方面這種半導體光電探測器的探測頻率范圍，響應速度等受到材料本身固有能隙，遷移率的限制，另一方面大面積高品質少缺陷的半導體薄膜制備也非常困難，因此急需開發一種新型光電探測器。

石墨烯是一種新型光電材料，得益于其獨特的能帶結構和材料特性，石墨烯光電探測器具有工作范圍寬，響應速度快等優異特性。然而單層石墨烯的光吸收率很弱，僅為2.3％，導致其光電轉換效率很低。據報道，純石墨烯光電探測器的光響應率僅為0.6mA/W，這嚴重制約了石墨烯光電探測器的實際應用。目前，有兩類方法來解決這一問題：一類是通過光學模式耦合的方法來增強光與石墨烯的相互作用，例如表面等離激元模式，共振腔模式，波導模式等；還有一類是構建石墨烯半導體異質結，通過半導體實現光電轉換，石墨烯起到收集和傳輸光電子的作用，通過這類方法制備的光電探測器本質上仍屬于半導體光電探測器。純石墨烯光電探測器的光響應率受到了石墨烯吸收率的限制，難以真正被實際應用。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種光響應率高、響應速度快、工作波長和帶寬可調控的光學Tamm態增強型石墨烯光電探測器及其制備方法。

本發明利用光學Tamm態的場束縛特性(如圖3所示)來增強光與石墨烯的相互作用，從而實現了石墨烯的光吸收增強，提升了石墨烯光電探測器的光響應率。光學Tamm態是一種能夠將光場束縛在金屬和布拉格反射鏡界面處的局域態，具有場增強，可直接激發，與偏振無關的優點，可以用于提升光敏層和光之間的相互作用，增強吸收。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種光學Tamm態增強型石墨烯光電探測器，該光電探測器包括自下而上依次堆疊的P型高摻硅片、金屬反射鏡、絕緣層、光敏層和漏源電極、介質保護層和介質布拉格反射鏡，所述的光敏層為二維材料或有機光電薄膜，包括石墨烯、二硫化鉬、黑磷等、鈣鈦礦、量子點薄膜。

優選地，所述的金屬反射鏡材料包括銀或鋁。

優選地，所述的漏源電極的材料為銀。

優選地，所述的絕緣層和介質保護層均為氧化鈮薄膜。

優選地，所述的介質布拉格反射鏡是由多層高折射率介質以及低折射率介質交替堆疊而成。

優選地，所述高折射率介質為氧化鈮薄膜，折射率為2.3，所述低折射率介質為氧化硅薄膜，折射率為1.45。

優選地，所述金屬反射鏡的厚度大于100nm。

一種光學Tamm態增強型石墨烯光電探測器的制備方法，包括以下步驟：

(1)利用RCA流程清洗襯底P型高摻硅片；

(2)利用射頻磁控在P型高摻硅片上濺射金屬反射鏡；

(3)利用離子源輔助電子束蒸發在金屬反射鏡上沉積絕緣層；