基于范德华异质结的双色光电探测器及其制备方法

本发明属于半导体光电探测相关，更具体地，涉及一种基于范德华异质结的双色光电探测器及其制备方法。

背景技术：

1、光电探测技术是光学信息感知的核心，对现代信息处理与智能传感系统的高效运行起着关键支撑作用。在此基础上发展的紫外-红外双色探测技术，通过结合双波段信息，即能响应紫外波段，也能响应红外波段，显著提升了复杂环境下探测的可靠性与效率，在环境监测、火灾检测、自动驾驶等领域具有巨大的应用潜力。

2、为了能兼顾紫外波段响应和红外波段响应，传统双波段探测的技术路线主要包括分光系统、键合以及异质外延的方案。分光系统为用棱镜/滤光片/分束器等光学元件，把入射光按波长分开，各自送进紫外探测单元和红外探测单元，然而，分光系统面临系统复杂、准确度差的问题。键合方案把紫外材料芯片和红外材料芯片面对面键合在一起，做成叠层结构，该方案存在光学串扰严重的问题。异质外延方案则是在一种衬底上直接外延生长另一种波段的材料，然而，该方法面临晶格失配的问题，器件响应能力不佳。

3、在无需复杂光学元件的情况下，构建一种能够实现高灵敏度、低串扰的紫外-红外双波段光电探测器，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于范德华异质结的双色光电探测器及其制备方法，其目的在于在无需复杂光学元件的情况下实现高灵敏、低串扰的紫外-红外双波段独立探测。

2、为实现上述目的，提出了本发明。

3、按照本发明的第一个方面，提供了一种基于范德华异质结的双色光电探测器，包括：基底、氮化铝缓冲层、p型掺杂的氮化镓层及其接触电极、呈n型的二硫化钼层及其接触电极、呈p型的黑磷层及其接触电极、隔离层和保护层；

4、所述基底为透光基底且作为所述双色光电探测器的光入射面，所述氮化铝缓冲层设置在所述基底上，所述氮化镓层设置于所述氮化铝缓冲层上，所述二硫化钼层通过范德华力粘合于所述氮化镓层上形成第一范德华异质结，所述黑磷层通过范德华力粘合于所述二硫化钼层上形成第二范德华异质结，所述氮化镓层、二硫化钼层和黑磷层形成p-n-p型范德华异质结结构，氮化镓接触电极从所述氮化镓层引出，二硫化钼接触电极从所述二硫化钼层引出，黑磷接触电极从所述黑磷层引出，所述隔离层用于实现不同所述二硫化钼接触电极与所述氮化镓层之间以及所述黑磷接触电极与所述氮化镓层之间的电性隔离，所述保护层形成于所述p-n-p型范德华异质结结构的顶面以实现器件保护。

5、按照本发明的第二个方面，提供了一种基于范德华异质结的双色光电探测器的制备方法，包括：

6、步骤s1、在基底上依次沉积氮化铝缓冲层和p型掺杂的氮化镓层，随后对所得结构的表面进行清洗处理；

7、步骤s2、在所述p型掺杂的氮化镓层上沉积隔离层，在当前沉积的隔离层上开设暴露出氮化镓的第一窗口和第二窗口，在所述第一窗口形成与所述氮化镓层接触的氮化镓接触电极，基于二维材料转移工艺将二硫化钼层于所述第二窗口处与所述氮化镓层粘合以形成第一范德华异质结；

8、步骤s3、基于二维材料转移工艺将呈p型的黑磷层粘合至所述二硫化钼层上以形成第二范德华异质结，以及在所述二硫化钼层上形成二硫化钼接触电极、在所述黑磷层上形成黑磷接触电极和保护黑磷的保护层。

9、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明主要具有以下有益效果：

10、（1）利用二维材料的范德华异质集成优势：将gan与mos2、bp通过范德华力结合，无需考虑晶格匹配问题，从根本上解决了传统异质外延方案中晶格失配导致的缺陷密度大、暗电流高的问题，实现了低缺陷密度的高质量异质集成，有效保证探测响应灵敏度；

11、（2）能够实现双波段同时独立探测：p-氮化镓/硫化钼异质结形成i型能带排列，在365 nm紫外光照射下，光生电子-空穴对在p-氮化镓/硫化钼异质结界面内建电场的驱动下分离，电子注入硫化钼层，空穴留在p-氮化镓层，通过氮化镓接触电极和二硫化钼接触电极可以收集形成紫外光响应电流；黑磷/硫化钼异质结形成ii型能带排列，在1550 nm红外光照射下，光生载流子在硫化钼/黑磷界面分离，电子流向硫化钼层，空穴留在黑磷层，通过二硫化钼接触电极和黑磷接触电极可以收集形成红外光响应电流；

12、（3）能够实现双波段之间低串扰：该双色光电探测器采用背入射光路设计，紫外光从所述p-氮化镓层一侧入射，使p-氮化镓层对365 nm紫外光产生强烈的本征吸收，大幅衰减到达硫化钼层和黑磷层的紫外光强度，从而抑制紫外光对红外探测通道的光学串扰，即当前为紫外光照射时，仅产生明显的紫外光响应电流而非红外光响应电流，通过光谱重叠区域积分计算，与正入射模式相比，背入射模式下的光学串扰从约11.24%降低至1.2%。此外，引入mos2中间层作为电子收集层和空穴阻挡势垒层，在物理上阻断了红外光生载流子向紫外探测通道的扩散路径，也可有效抑制电学串扰，即当前为红外光照射时，仅产生明显的红外光响应电流而非紫外光响应电流；因此该结构和背入射的工作模式显著降低了两波段之间的串扰，为红外信号和紫外信号的独立探测提供了关键保障。

1.一种基于范德华异质结的双色光电探测器，其特征在于，包括：基底、氮化铝缓冲层、p型掺杂的氮化镓层及其接触电极、呈n型的二硫化钼层及其接触电极、呈p型的黑磷层及其接触电极、隔离层和保护层；

2. 如权利要求1所述的基于范德华异质结的双色光电探测器，其特征在于，所述氮化镓层的厚度范围为500~1000 nm，所述二硫化钼层为厚度范围为50~150 nm，所述黑磷层的厚度范围为50~150 nm。

3.如权利要求2所述的基于范德华异质结的双色光电探测器，其特征在于，所述二硫化钼层为二硫化钼纳米片，所述黑磷层为黑磷纳米片。

4.如权利要求1所述的基于范德华异质结的双色光电探测器，其特征在于，所述保护层为h-氮化硼保护层。

5.如权利要求1所述的基于范德华异质结的双色光电探测器，其特征在于，所述双色光电探测器还包括紫外光响应电流检测电路和红外光响应电流检测电路；所述紫外光响应电流检测电路的一端与所述氮化镓接触电极连接，另一端与所述二硫化钼接触电极连接以形成检测紫外光响应电流的闭合回路；所述红外光响应电流检测电路的一端与所述二硫化钼接触电极连接，另一端与所述黑磷接触电极连接以形成检测红外光响应电流的闭合回路。

6.一种基于范德华异质结的双色光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的基于范德华异质结的双色光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤s2形成第一范德华异质结和/或步骤s3中形成第二范德华异质结时，基于二维材料转移工艺将待转移材料层与目标材料层粘合以形成范德华异质结的过程包括：

8.如权利要求7所述的基于范德华异质结的双色光电探测器的制备方法，其特征在于，预先制备的待转移材料层为通过机械剥离法制备的附着于scotch胶带上的待转移材料纳米片。

9.如权利要求6所述的基于范德华异质结的双色光电探测器的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，其执行顺序为：

10.如权利要求6所述的基于范德华异质结的双色光电探测器的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，其执行顺序为：