[發明專利]二維金屬硫屬化合物復合異質結的近紅外探測器及其制備

在審

• 申請號: 202310555742.X
• 申請日: 2023-05-17
• 公開（公告）號: CN116504867A
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 李淵;張娜;翟天佑
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L31/109
• 分類號: H01L31/109;H01L31/18;H01L31/0264
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒

本發明屬于圖像傳感器技術領域，公開了一種二維金屬硫屬化合物復合異質結的近紅外探測器及其制備，該近紅外探測器自下而上包括襯底、功能層及電極層，其中，所述功能層為二維金屬硫屬化合物基材料，在平行于表面的橫向方向以及垂直于表面的縱向方向均存在異質結；所述電極層包括獨立設置的源電極和漏電極。本發明通過設計基于二維金屬硫屬化合物的橫向?縱向復合異質結，相應得到的近紅外探測器可以有效抑制暗電流、促進光生載流子的分離、豐富載流子傳輸路徑，從而大幅提高近紅外探測器的探測性能。

技術領域

本發明屬于圖像傳感器技術領域，更具體地，涉及一種二維金屬硫屬化合物復合異質結的近紅外探測器及其制備，該二維金屬硫屬化合物復合異質結的近紅外探測器具體是基于二維金屬硫屬化合物橫向-縱向復合異質結的近紅外探測器。

背景技術

紅外輻射是波長介于可見波和微波之間的一種電磁波，人眼無法察覺。而紅外探測器是紅外探測系統中的核心元件，是將入射的紅外輻射能轉變成其他形式能量的轉換器。紅外探測技術已廣泛應用于軍事、氣象、醫學、交通、工業等領域。目前紅外探測器主流材料體系為碲鎘汞材料體系，其具有可調節的帶隙寬度和很高的量子效率。但在外延生長過程中碲鎘汞容易出現組分偏析，很難實現大規模面陣探測器的量產化，且該探測器最佳工作溫度為60-80K，隨著工作溫度的提高，器件性能急劇衰減，大面積缺陷的存在也會對器件性能帶來嚴重的損害。因此制備方法簡單、易于規模化，且在近室溫環境具有高靈敏度探測能力的紅外探測器的需求變得越來越緊迫。

新興的二維金屬硫屬化合物具有強的光-物質相互作用、隨厚度可調的光學帶隙、高載流子遷移率和強光吸收等優異特性，是高性能光電探測器的重要候選材料。與單一的二維金屬硫屬化合物不同，二維金屬硫屬化合物相關異質結形成后，在界面勢壘和內建電場的幫助下可以抑制器件暗電流，有效地分離光生載流子。現有的諸多研究成果往往是通過異質結能帶匹配以及能帶調控來改善異質結光電性能，少有關注到二維材料異質結結區的結構特點。從結構上劃分，異質結可分為橫向異質結與縱向異質結，橫向異質結具有較寬的耗盡層，從而產生較大的內建電場，有效提升光電探測器的靈敏度，但其結區面積較小，產生的光生載流子數目有限，而縱向異質結具有較大的結區面積，但其耗盡層寬度較小，內建電場強度不夠，異質結層間的載流子輸運受限。對于目前廣泛使用的二維金屬硫屬化合物異質結構而言，其在近紅外探測領域仍然難以實現高靈敏度探測。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種二維金屬硫屬化合物復合異質結的近紅外探測器及其制備，其中通過設計基于二維金屬硫屬化合物的橫向-縱向復合異質結，相應得到的近紅外探測器可以有效抑制暗電流、促進光生載流子的分離、豐富載流子傳輸路徑，從而大幅提高近紅外探測器的探測性能。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于二維金屬硫屬化合物橫向-縱向復合異質結的近紅外探測器，其特征在于，自下而上包括襯底、功能層及電極層，其中，所述功能層為二維金屬硫屬化合物基材料，在平行于表面的橫向方向以及垂直于表面的縱向方向均存在異質結；所述電極層包括獨立設置的源電極和漏電極。

作為本發明的進一步優選，所述功能層中的二維金屬硫屬化合物基材料同時包括二維金屬硫屬化合物與二維金屬硫屬化合物的氧化產物，兩者接觸形成異質結；其中，所述二維金屬硫屬化合物為二維金屬硫化合物、二維金屬硒化合物或二維金屬碲化合物；

所述二維金屬硫屬化合物的氧化產物為金屬氧化物、金屬硫氧化物、金屬硒氧化物或金屬碲氧化物。

作為本發明的進一步優選，所述二維金屬硫屬化合物的氧化產物是通過氧反應離子刻蝕、氧等離子體或臭氧等離子體對二維金屬硫屬化合物進行區域選擇性處理得到。

作為本發明的進一步優選，所述近紅外探測器包括位于同一襯底上的多個探測單元，每個探測單元在平行于表面的橫向方向以及垂直于表面的縱向方向均存在異質結，并且每個探測單元均具有一對源電極和漏電極；