[发明专利]可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器及其制备方法。本方法提供的可见光光探测器，包括单晶硅衬底、二氧化硅介质层、氮化硅波导层、SU8波导、连续的二硫化钼层、连续的石墨烯层、金属电极。通过利用单层二硫化钼对可见光的强吸收和石墨烯的超高电子迁移率，我们得到了在可见光波段的高响应率光探测器。通过结果分析表明，本发明的一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器得响应度可达32 A/W,可用于制作大规模集成光电系统。

技术领域

本发明涉及光电元件技术领域，特别涉及一种可见光波段的集成光电探测器及其制备方法。

背景技术

光是信息传输的重要载体，光电探测器是光通信系统中应用最为广泛的光电器件之一，传统的半导体光电探测器在应对器件系统微型化、扁平化遇到了瓶颈。近年来，随着石墨烯和类石墨烯材料的崛起，这些纳米材料的发展给新型的光电探测器开启了一扇大门。

石墨烯是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，由于它具有优良的强度、柔韧性、透明度、导电性、导热性在光电领域得到了长足的发展。类石墨烯材料-二硫化钼是有六方晶系或多层二硫化钼组成的具有三明治夹心层状结构的化合物，二硫化钼因其具有纳米尺度的二维层状结构并且单层的二硫化钼结构是直接带隙的半导体，在可见光波段对光的吸收效率能够达到5% ~ 10%，因此同样在光电器件领域得到了广泛而深度的研究。

这些二维材料可以依靠范德瓦尔茨力相互叠加在一起，构成新的混合材料，这种混合材料的优势在于它具有相对应叠加材料的各个优良的性质，例如将单层的石墨烯和单层的二硫化钼混合叠加在一起形成混合结构，这种混合结构可以充分利用石墨烯的超高电子迁移率，又可以利用单层二硫化钼对可见光的高吸收效率，从而可以制备成具有高增益、高响应的光电探测器件。另外，将石墨烯/二硫化钼结构集成于光波导结构，可以让该混合结构更好的与光耦合，从而提高其综合性能。

发明内容

本发明的目的在于通过利用单层二硫化钼对可见光的强吸收和石墨烯的超高电子迁移率，得到了在可见光波段的高响应率光探测器。

本发明的一方面提供一种可见光波段的基于氮化硅波导集成石墨烯二硫化钼的光电探测器，其特征在于，包括单晶硅衬底、二氧化硅介质层、氮化硅波导层、SU8波导、连续的二硫化钼层、连续的石墨烯层、金属电极；单晶硅衬底的表面沉积二氧化硅介质层，二氧化硅介质层的表面为氮化硅波导层，SU8波导位于氮化硅波导层的两端之上，连续的二硫化钼层平铺于氮化硅波导层之上，与二氧化硅介质层接触，连续的石墨烯层平铺于连续的二硫化钼层之上；金属电极位于氮化硅波导层两侧，与连续的石墨烯层接触。

本发明的另一方面还提供了上述技术方案所述的可见光光电探测器的制备方法，包括以下的步骤：

1)在单晶硅衬底的表面利用化学气相沉积在300摄氏度的环境中生长一层二氧化硅介质层，形成单晶硅-二氧化硅复合材料；

2)在所述步骤（1）得到的单晶硅-二氧化硅复合材料的表面利用化学气相沉积在300摄氏度的环境中生长一层氮化硅层，形成单晶硅-二氧化硅-氮化硅复合材料；

3)在所述步骤（2）得到的单晶硅-二氧化硅-氮化硅复合材料中对氮化硅进行刻蚀，得到氮化硅波导层；

4)依次将连续单层的二硫化钼、石墨烯转移至所述步骤（3）得到的氮化硅波导层上，形成薄膜和波导的组合结构；

5)在所述步骤（4）得到的组合结构上旋涂一层SU8电子胶，利用电子束光刻，制作成SU8波导；

6)在所述步骤（5）得到的结构中利用光刻技术制作出电极区域，利用电子束蒸镀，镀上钛和金电极，得到二硫化钼和石墨烯混合机构的光电探测器。

优选的，连续的二硫化钼层和连续的石墨烯层均为单层。所述连续的单层石墨烯的厚度为0.2 ～ 0.5nm。