一种光电探测器及其制备方法与流程

本发明涉及光电子器件领域，尤其是一种光电探测器及其制备方法。

背景技术

基于二维材料的光电探测器件在现代通信和传感系统中具有广泛应用，与此同时也得到了大量的研究和发展。特别地，线性偏振(linear polarization,LP)敏感光电探测器可被广泛用于新兴成像系统。基于LP敏感光电探测器的图像传感器能够消除多余的眩光和反射，从而实现难以识别的人造物体的可视化。另外，基于LP敏感光电探测器的图像传感器还可以通过测量偏振光的角度来进行材料的检查(应力或划痕)或低光强度下的对比度改进。因此，人们对具有固有偏振敏感性的不对称晶体结构的低维半导体产生了相当大的探索及研究兴趣。

基于外尔半金属(Weyl Semimetals)的光电探测器由于其拓扑保护的能带结构，在自供电、超宽带和高灵敏度方面有望比基于半导体的光电探测器表现出更好的性能。然而，相比于半导体基光电探测器，基于无带隙半金属的光电探测器存在较高的暗电流和超低的响应性，需要进行进一步优化。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光电探测器及其制备方法。

本发明实施例一方面所采取的技术方案是：

一种光电探测器，包括设置在衬底上的二硫化钼薄膜和外尔半金属薄膜，所述二硫化钼薄膜与所述外尔半金属薄膜之间设置有部分重叠区域，所述部分重叠区域通过范德华相互作用形成异质结，所述二硫化钼薄膜与所述外尔半金属薄膜不重叠的两端分别设置金属电极。

作为一种可选的实施方式，所述外尔半金属薄膜为多层纳米片结构。

作为一种可选的实施方式，所述外尔半金属薄膜的厚度为20nm-40nm。

作为一种可选的实施方式，所述金属电极为铬/金电极。

作为一种可选的实施方式，所述金属电极中铬的厚度为8nm-12nm，所述金属电极中金的厚度为47nm-53nm。

作为一种可选的实施方式，所述衬底包括硅衬底以及设置在所述硅衬底上的二氧化硅衬底。

本发明实施例另一方面所采取的技术方案是：

一种光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

清洗衬底；

在所述衬底上制备二氧化钼薄膜和外尔半金属薄膜；

通过干法转移将所述外尔半金属薄膜转移至所述二氧化钼薄膜上方，并与所述二氧化钼薄膜部分重叠，制得异质结；

在所述二硫化钼薄膜与所述外尔半金属薄膜不重叠的两端分别制备金属电极，完成所述光电探测器的制备。

作为一种可选的实施方式，在所述衬底上制备二氧化钼薄膜和外尔半金属薄膜，包括：

采用机械剥离法制备所述二氧化钼薄膜；

采用机械剥离法制备所述外尔半金属薄膜。

作为一种可选的实施方式，采用机械剥离法制备所述外尔半金属薄膜，包括：

将外尔半金属晶体放置于胶带上反复剥离至多层；

将胶带与剥离至多层的外尔半金属晶体转移到所述衬底上，并在80-100℃下加热5-10min后将胶带剥离，形成所述外尔半金属薄膜。

作为一种可选的实施方式，在所述二硫化钼薄膜与所述外尔半金属薄膜不重叠的两端分别制备金属电极这一步骤之前，还包括以下步骤：

在惰性气体氛围或者真空氛围下，以150-200℃的温度进行20-30min的退火处理。

本发明实施例的光电探测器及其制备方法，通过在衬底上制备二硫化钼薄膜和外尔半金属薄膜，并使二硫化钼薄膜与外尔半金属薄膜之间的部分重叠区域通过范德华相互作用形成混合维度的异质结，实现了高响应性、高探测率的光电探测器；同时利用异质结中二硫化钼薄膜与外尔半金属薄膜的电势差形成内建电场，有效地将光生载流子进行分离，抑制了外尔半金属引起的暗电流。

附图说明

图1为本发明实施例光电探测器截面的一种结构示意图；

图2为本发明实施例光电探测器的能带示意图；

图3为本发明实施例光电探测器的制备方法流程图；

图4为本发明实施例光电探测器的性能表征图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

基于外尔半金属的光电探测器由于其拓扑保护的能带结构，在自供电、超宽带和高灵敏度方面有望比基于半导体的光电探测器表现出更好的性能。然而，相比于半导体基光电探测器，基于无带隙半金属的光电探测器存在较高的暗电流和超低的响应性，需要进行进一步优化。为此，本发明实施例提出了一种光电探测器及其制备方法，通过在衬底上制备二硫化钼薄膜和外尔半金属薄膜，并使二硫化钼薄膜与外尔半金属薄膜之间的部分重叠区域通过范德华相互作用形成混合维度的异质结，实现了高响应性、高探测率的光电探测器；同时利用异质结中二硫化钼薄膜与外尔半金属薄膜的电势差形成内建电场，有效地将光生载流子进行分离，抑制了外尔半金属引起的暗电流。

如图1所示，本发明实施例提出了一种光电探测器，所述光电探测器包括设置在衬底上的二硫化钼薄膜101和外尔半金属薄膜102，所述二硫化钼薄膜101与所述外尔半金属薄膜102之间设置有部分重叠区域，所述部分重叠区域通过范德华相互作用形成异质结，所述二硫化钼薄膜101与所述外尔半金属薄膜102不重叠的两端分别设置金属电极103。

其中，外尔半金属薄膜102，外尔半金属是一种拓扑半金属材料，具有拓扑非平庸的能带结构。在本发明的实施例中，采用TaIrTe4制备所述外尔半金属薄膜102。TaIrTe4是第二类外尔半金属，具有正交结构，并且具有很强的面内不对称性。基于外尔半金属薄膜102的光电探测器由于具有拓扑保护的能带结构，在自供电、超宽带和高灵敏度方面比基于半导体的光电探测器表现出更好的性能。然而，在外尔半金属薄膜102中载流子浓度较高，从而导致了较大的暗电流，并且基于外尔半金属薄膜102的光电探测器响应性较低。

二硫化钼薄膜101，与外尔半金属薄膜102的部分重叠区域通过范德华相互作用形成异质结。

具体地，参照图2，在本发明的实施例中，TaIrTe4为p型，MoS2为n型，当p型的外尔半金属薄膜102与n型的二硫化钼薄膜101重叠形成异质结时，由于两种材料的导带和价带位置不同，形成能带异质结构。同时，由于TaIrTe4与MoS2的费米能级不同，在形成异质结后，为了实现热平衡，异质结区域的外尔半金属薄膜102中的空穴向二硫化钼薄膜101移动，二硫化钼薄膜101中的电子向外尔半金属薄膜102移动，在二硫化钼薄膜101的耗尽区内留下带正电荷的空态，使得在异质结区域，二硫化钼薄膜101的能带向上弯曲，最终二硫化钼薄膜101和外尔半金属薄膜102的费米能级在同一水平上。与此同时，在二硫化钼薄膜101和外尔半金属薄膜102的部分重叠区域会形成内建电场，光生载流子在异质结之间的势垒差异下迅速分离。电子和空穴通过内置电场传输到两端的金属电极103，从而产生光电流，实现了对光线的探测。

通过在二硫化钼薄膜101和外尔半金属薄膜102的部分重叠区域上构建异质结，使得二硫化钼薄膜101和外尔半金属薄膜102在光照条件下产生的电子和空穴在内建电场的作用下在异质结区域迅速分离，有效降低暗电流，提高了基于外尔半金属的光电探测器的光响应度和光响应性。

作为一种可选的实施方式，所述外尔半金属薄膜102为多层纳米片结构。

作为一种可选的实施方式，所述外尔半金属薄膜102的厚度为20nm-40nm。

可以理解的是，TaIrTe4在空气中易被氧化从而材料特性受到影响。通过设置厚度为20nm-40nm的多层TaIrTe4纳米片，能够使TaIrTe4在表面少层氧化的情况下保护内层不被氧化，实现了对TaIrTe4材料特性的保护。

在本发明的实施例中，二硫化钼薄膜101采用MoS2纳米片。

作为一种可选的实施方式，所述金属电极为铬/金电极(Cr/Au)。

作为一种可选的实施方式，所述金属电极中铬的厚度为8nm-12nm，所述金属电极中金的厚度为47nm-53nm。

在本发明的实施例中，通过采用Cr(8nm-12nm)/Au(47nm-53nm)电极，使得金属电极与TaIrTe4纳米片及MoS2纳米片形成欧姆接触。

作为一种可选的实施方式，所述衬底包括硅衬底104以及设置在所述硅衬底104上的二氧化硅衬底105。

其中，由于硅衬底104为高掺杂材料，具有很强的导电性，在本发明的实施例中，在硅衬底104上设置一层绝缘的二氧化硅衬底105。

基于图1的光电探测器，本发明实施例提供了一种光电探测器的制备方法，如图3所示，该制备方法包括以下步骤S101-S104：

S101、清洗衬底；

具体地，衬底包括硅衬底以及设置在所述硅衬底上的二氧化硅衬底。首先采用丙酮、乙醇以及去离子水分别清洗硅衬底，并在清洗完成后通过氮气枪吹干。然后通过等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)在硅衬底上沉积二氧化硅薄膜，形成二氧化硅衬底，完成衬底的处理。

S102、在所述衬底上制备二氧化钼薄膜和外尔半金属薄膜；

步骤S102可以进一步划分为以下步骤S1021-S1022：

步骤S1021、采用机械剥离法制备所述二氧化钼薄膜；

步骤S1022、采用机械剥离法制备所述外尔半金属薄膜。

具体地，在本发明的实施例中，采用机械剥离法制备所述外尔半金属薄膜的具体步骤如下：

(1)将外尔半金属晶体放置于胶带上反复剥离至多层；

(2)将胶带与剥离至多层的外尔半金属晶体转移到所述衬底上，并在80-100℃下加热5-10min后将胶带剥离，形成所述外尔半金属薄膜。

在本发明的实施例中，通过处理流程一样的机械剥离法制备所述二氧化钼薄膜。

S103、通过干法转移将所述外尔半金属薄膜转移至所述二氧化钼薄膜上方，并与所述二氧化钼薄膜部分重叠，制得异质结；

具体地，通过干法转移将所述外尔半金属薄膜转移至所述二氧化钼薄膜上方，并与所述二氧化钼薄膜部分重叠，通过范德华相互作用在部分重叠区域形成异质结。

S104、在所述二硫化钼薄膜与所述外尔半金属薄膜不重叠的两端分别制备金属电极，完成所述光电探测器的制备。

具体地，在制备金属电极前，先在惰性气体氛围或者真空氛围下，以150-200℃的温度对器件结构进行20-30min的退火处理。

参照图4，本发明实施例通过图3所述的一种光电探测器的制备方法(步骤S101-S104)制备的光电探测器的性能表征图。其中：

图4(a)为本发明实施例的光电探测器在不同光功率下的I-V特征曲线图。由图4(a)可知，随着光功率的增强，本发明实施例的光电探测器的光电流增强，开路电压(电流为0时的电压值)也明显增强。

图4(b)为与图4(a)相对应的光功率的光电探测器随时间变化的光开关图像。由图4(b)可知，本发明实施例的光电探测器在634nm的光照下具有光响应性能稳定、响应速度快以及灵敏度高的特点。

光响应度和探测率为表征光电探测器性能的两个重要参数，计算公式如下：

其中，R为响应度，Iph为光电流，P为光功率，S为有效光照面积(4πcm²)，D^*为探测率，A为有效面积(123μm²)，q为电荷量，Idatk为暗电流。

本发明实施例的光电探测器在635nm的光照下表现出910mA/W的光响应度、10¹³Jones的探测率和9ms的快速响应速度。

图4(c)表示在不同偏振角度的线偏振光的照射下，本发明实施例的光电探测器的光电流变化图像。根据图4(c)可知，本发明实施例的光电探测器在635nm的光照下的偏振比达到了4.1。

上述优异的性能使得本发明实施例的光电探测器在高偏振敏感光电探测器中具有广阔的应用前景。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。