[发明专利]基于黑磷的p-n光电检测器

说明书

本发明公开了一种基于黑磷的p‑n光电检测器，包括衬底，位于衬底上的掩埋氧化物层及位于掩埋氧化物层上的有源区结构，有源区结构包括：源极、漏极以及黑磷(BP)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的栅极。衬底是P型衬底，掩模氧化物层所用材料是SiO₂材料，厚度为50nm。应用拉伸或压缩聚二甲基硅氧烷(PDMS)，分别沿着锯齿形和扶手椅方向向黑磷(BP)引入不同的应变，放置在掩模氧化物层的顶部。黑磷(BP)层是五层的。源极和漏极接触，利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)来进行电子束光刻定义。电极材料所选为Ti和Au。可给衬底施加电压调节器件。本发明设计并模拟了基于BP的p‑n光电检测器，对不同应变方向的黑磷和能量结构进行分析，考虑了暗电流效应，系统的优化了吸收系数和响应度，响应度高达66.29A/W。

技术领域

本发明涉及一种光电子器件技术领域，特别是基于黑磷(BP)所制备的光电探测器器件。

背景技术

这些年来，与光电子技术相关的光电探测器发展很快，越来越多的材料被应用到探测器的研究中。众所周知，近红外光谱中常用的光电探测材料主要是具有较高吸收系数的Ge。然而，Ge不能覆盖整个L波段(1565-1625nm)，甚至引入面内拉伸应变。GeSn合金作为另一组替代物，通过调整Sn的含量或引入应变来调节带隙，可以将光通信波段扩展到U波段(1625-1675nm)，甚至在2000nm处也有好的响应度。然而，它们只能应用在近红外范围，都不能在整个中红外(MIR)范围内进一步延长截止波长。

近年来，包括石墨烯，过渡金属，二硫化物和黑磷(BP)在内的二维材料已被视为未来新型电子和光电器件的材料。这些材料作为二维材料，可以在中红外波段发挥出作用。对于BP，它拥有直接的带隙，有助于在超宽带频谱上实现光检测。所以在实际的实验过程中，为了进一步将带隙定制到更小的值，就需要应用到应变工程。对于BP而言，由于其超柔软性能使杨氏模量小一个数量级，因此理论上可以承受高达30％的拉伸应变，这比其他二维材料更大。通过应用水平或垂直应变，可以连续调节带隙，这将伴随着半导体-金属转变(SMT)和有效质量的相当大的变化，使得黑磷备受关注。因此，在中红外波段探测器的研究中，二维材料特别是黑磷将是研究的热点。

发明内容

现在的研究还没有给出将光学吸收边缘扩展到MIR范围的专门研究，所以，本发明的目的是提供一种基于黑磷(BP)的p-n光电检测器，通过引入应变，可连续调节带隙，提高了中红外光波段的吸收系数，提高了中红外探测器的检测性能，使得光电检测器的光谱窗可以扩展到MIR范围。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于黑磷(BP)的p-n光电检测器，包括硅衬底(1)，位于硅衬底(1)上的掩埋氧化物层(2)及位于掩埋氧化物层(2)上的有源区结构，有源区结构包括：源极(3)、漏极(4)以及黑磷(BP)层和聚二甲基硅氧烷(PDMS)层组成的层叠结构栅极(5)，其特征在于，硅衬底(1)是P型掺杂，栅极(5)中黑磷(BP)的层数为五层，分别沿着锯齿形和扶手椅方向放置在掩埋氧化物层(2)的上面，掩模氧化物层所用材料是SiO₂材料，源极(3)和漏极(4)接触，利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)来进行电子束光刻定义，电极材料所选为Ti和Au，给衬底施加电压，可以控制检测器内部电流，红外光的吸收可显著提高10％，响应度高达66.29A/W。

根据结构的特性表明，黑磷是二维材料，且本发明中所用到黑磷的层数为五层，其柔软性特别良好，可以承受30％的拉伸应变，可以对其进行不同方向的应变的引入，来观察带隙调节的效果。与单层BP层相比，五层黑磷光电探测器红外光的吸收可显着提高10％。同时，可以有效调制通道电导，实现低关断状态的可行性。所以，五层是相对合适的厚度，极大地提高了光学吸收。

制作上述本发明器件的方法，包括如下步骤：

1、利用离子注入工艺，对衬底进行P型重掺杂，然后利用热氧化工艺，在P型衬底上氧化生长一层SiO₂氧化物层，作为氧化物层。