基于二維層狀薄膜材料p-g-n異質(zhì)結(jié)光電子器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明是關(guān)于二維層狀材料p-g-n異質(zhì)結(jié)光電子技術(shù)，特別是關(guān)于一種基于p-g-n異質(zhì)結(jié)光電流成像。
【背景技術(shù)】
[0002]光電子探測器在日常生活和軍事紅外制導等方面都有廣泛的應(yīng)用。作為一種探測器，它能將光信號轉(zhuǎn)變成電學信號，進而用來探測物體的位置形狀。但是，應(yīng)用最為廣泛的紅外探測器多數(shù)是使用在低溫環(huán)境下。尤其是高靈敏紅外探測器在航天航空領(lǐng)域里的人造地球衛(wèi)星探測和紅外成像系統(tǒng)等有著廣闊的應(yīng)用需求，以及高端武器平臺上的紅外預警與制導、紅外偵察、紅外通訊等，是國內(nèi)外重點關(guān)注與投入的研究的重中之重，對發(fā)展尖端前沿科學技術(shù)、加強國防核心力量的建設(shè)具有舉足輕重的意義。同時，高靈敏紅外探測技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、交通等各個行業(yè)和部門也有廣大應(yīng)用需求，如電力在線檢測、礦產(chǎn)資源勘探、地下礦井測溫和測氣、地貌或環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)作物或環(huán)保監(jiān)測、紅外醫(yī)學診斷、鐵路車輛軸溫探測、氣象預報等，使得紅外探測技術(shù)發(fā)展成為軍民兩用技術(shù)。隨著對光探測器性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的探測器已不足以應(yīng)對。在這種背景下，二維層狀薄膜材料的出現(xiàn)，給光探測器領(lǐng)域帶了新的曙光。以硫化鉬為例，這種新興的二維碳原子層薄膜，表現(xiàn)出了強光與物質(zhì)相作用，光吸收很強。又因為其優(yōu)異的半導體電學特性和方便的微加工技術(shù)，基于二維層狀薄膜材料異質(zhì)結(jié)光探測器展現(xiàn)著巨大的潛力。
[0003]光伏型的光電探測器是理想的探測器，光伏型器件是由于不同摻雜類型的半導體接觸形成p-n結(jié)，或者是金屬跟半導體接觸形成肖脫基勢皇。光電響應(yīng)的機理是內(nèi)建電場對光生電子空穴對的分離。然而在二維層狀薄膜材料中實現(xiàn)原子層厚度的p-n結(jié)內(nèi)建電場區(qū)幾乎是原子尺度。同時，半導體材料有具有比較大的帶隙。對光吸收有截止波段比較短，傳統(tǒng)的硅探測器波段集中在可見波段和近紅外波段。而另外一些銦鎵砷等紅外探測器探測波段比較長，缺點是需要低溫才能正常工作。這些探測器都有明顯的局限性和缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明實施例提供一種基于層狀材料異質(zhì)結(jié)的光電子器件，以減小探測器的體積感器的體積，并實現(xiàn)室溫、寬波段和高靈敏探測器。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案是，一種基于層狀材料異質(zhì)結(jié)的光伏探測器，所述的光伏探測器包括在基底上設(shè)有自下到上的結(jié)構(gòu):襯底絕緣層，所述絕緣層包括二氧化硅、PMMA等柔性絕緣襯底；
[0006]ρ-型二維層狀薄膜材料薄膜層，所述ρ-型二維層狀薄膜材料薄膜層疊放在一個確定層數(shù)的石墨烯上，η-型二維層狀薄膜材料薄膜疊放在上述石墨烯下，整個異質(zhì)結(jié)器件層置于所述絕緣層上，石墨烯將兩半導體層完全分隔開；
[0007]金屬電極層，包括源電極層8及漏電極層6，所述源漏電極層分別設(shè)置在ρ-型二維層狀薄膜材料和η-型二維層狀薄膜材料半導體層上，并覆蓋在所述二維層狀薄膜材料薄膜層的一端上；
[0008]頂柵絕緣層2，所述頂柵絕緣層包括二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鉿等；
[0009]頂柵金屬電極層7設(shè)置所述頂柵絕緣層上。所述的異質(zhì)結(jié)探測器感器還包括:基底，設(shè)置在所述絕緣層下面。
[0010]在一實施例中，所述半導體二維層狀薄膜材料薄膜層為過渡金屬硫族化合物、黑鱗等。
[0011 ]在一實施例中，所述絕緣層為二氧化硅層、PMMA層或鍺片。
[0012]在一實施例中，所述石墨烯為CVD石墨烯或手撕的石墨烯。
[0013]在一實施例中，所述絕緣層的厚度為300納米。
[0014]在一實施例中，所述頂柵絕緣層為10納米二氧化鉿。
[0015]在一實施例中，所述源電極層由5nm厚的鈀及50nm厚的金組成。
[0016]在一實施例中，所述漏電極層由5nm厚的鈦及50nm厚的金組成。
[0017]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供一種光電流成像測量系統(tǒng)，所述的光電流成像系統(tǒng)包括:電流放大器、云臺、激光光源及電流表，其中，所述的異質(zhì)結(jié)光電探測器包括:
[0018]絕緣層，所述絕緣層為300納米二氧化硅；
[0019]襯底絕緣層，所述絕緣層包括二氧化硅、PMMA等柔性絕緣襯底；
[0020 ]頂柵絕緣層，所述頂柵絕緣層包括二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鉿等；
[0021]ρ-型二維層狀薄膜材料薄膜層，所述ρ-型二維層狀薄膜材料薄膜層疊放在一個確定層數(shù)的石墨烯上，η-型二維層狀薄膜材料薄膜疊放在上述石墨烯下，整個異質(zhì)結(jié)器件層置于所述絕緣層上，石墨烯將兩半導體層完全分隔開；
[0022]金屬電極層，包括源電極層及漏電極層，所述源漏電極層分別設(shè)置在ρ-型二維層狀薄膜材料和η-型二維層狀薄膜材料半導體層上，并覆蓋在所述二維層狀薄膜材料薄膜層的一端上;所述頂柵金屬電極層設(shè)置所述頂柵絕緣層上。在一實施例中，所述的異質(zhì)結(jié)探測器感器還包括:基底，設(shè)置在所述絕緣層下面。
[0023]光電流成像過程中，所述探測器放在云臺上，入射光通過鏡頭聚焦在上述的探測器上，通過云臺對不同區(qū)域的光進行聚焦，光強度不同產(chǎn)生光電流強度不同，利用所述電流放大器對光電流放大，通過不同區(qū)域的光電流對不同區(qū)域進行光電流成像。
[0024]有益效果:本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)探測器不同于傳統(tǒng)的探測器。首先，本發(fā)明的探測器以二維層狀薄膜材料層作為光敏元件，不同于傳統(tǒng)光探測元件，該異質(zhì)結(jié)探測器可以做的非常小。其次，二維層狀薄膜材料異質(zhì)結(jié)中的石墨烯的無帶隙能帶結(jié)構(gòu)可以吸收所有波段的光。從而實現(xiàn)寬波段光探測。本身二維層狀薄膜材料如過渡金屬硫化物石墨烯等對光吸收較強。最后，二維層狀薄膜材料異質(zhì)結(jié)可以有效抑制暗電流實現(xiàn)非常高的信噪比和微弱光探測。同時最重要的是探測器探測紅外波段能夠在室溫工作。所述異質(zhì)結(jié)在探測器在不加偏置電壓情況下測試開光和關(guān)光時候電導的變化的光伏響應(yīng)。通過改變照射光波長，獲得不同波段的探測靈敏度。施加偏置電壓后可以對物體做光電流成像。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明實施例一的基于層狀材料的光電探測器的器件結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實施例一的基于層狀材料的光電探測器的光電流成像系統(tǒng)圖。
【具體實施方式】
[0027]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一種基于層狀材料異質(zhì)結(jié)的光電探測器，所述的異質(zhì)結(jié)的光電探測器包括:絕緣層1、2，金屬電極層6、7、8及二維層狀薄膜材料薄膜層3、4、5和基底層9。
[0029]絕緣層1上放置3、4、5堆疊的異質(zhì)結(jié)。源電極8和漏電極6分別設(shè)置在η-型二維層狀薄膜材料薄膜層4和ρ-型二維層狀薄膜材料薄膜層5上，高介電絕緣層2覆蓋上述的異質(zhì)結(jié)。頂柵電極7做在介電層2覆蓋的異質(zhì)結(jié)上。
[°03°] 在一實施例中，源電極層由5nm厚的鈦及50nm厚的金組成，漏極層由5nm厚的鈀及50nm厚的金組成。
[0031 ] p-g-n異質(zhì)結(jié)探測器還包括:基底9，該基底9設(shè)置在絕緣層1下面，基底9可以為硅等絕緣性材料，本發(fā)明僅以硅為例進行說明。
[0032]二維層狀薄膜材料薄膜異質(zhì)結(jié)層3、4、5為本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)p-g-n探測器的核心部分通過中間層石墨烯可以增加探測器的帶寬和增加結(jié)區(qū)的寬度。當入射光波段在兩種半導體吸收限以下后，響應(yīng)主要是石墨烯對光的吸收。同時半導體結(jié)形成的內(nèi)建電場有效的一直暗電流。使得器件獲得較高的信噪比，在紅外長波波段室溫下有較高的光響應(yīng)。
[0033]本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)p-g-n探測器中的半導體二維層狀薄膜材料薄膜層可以為摻雜石墨烯薄膜、過渡金屬硫族化物、黑鱗、黑砷磷、氮化硼等。中間石墨烯層也可以用其他光吸收好的二維薄膜材料。本發(fā)明僅