[发明专利]一种基于三维狄拉克材料的隧穿型光电探测器及制备方法

说明书

本发明涉及一种基于三维狄拉克材料的隧穿型光电探测器及其制备方法，利用三维狄拉克材料作为导电沟道，表面自然钝化层作为介质层，表面量子点层收集和放大产生的光电流。本发明所述器件从下到上依次为衬底(1)、绝缘层(2)、三维狄拉克材料(3)、金属电极(4)、自然钝化层(5)、量子点材料(6)。相比石墨烯、二硫化钼等二维材料，三维狄拉克材料迁移率和吸收率更高，提高了该光电探测器响应速度和响应率，涂覆在表面的量子点材料与三维狄拉克材料形成遂穿效应，拓宽了响应光谱范围并产生光电流增益。该器件具有响应高、速度快、响应光谱宽等特点。

技术领域

本发明属于新型材料光探测器领域，主要涉及一种基于三维狄拉克材料的隧穿型光电探测器及其制备方法。

背景技术

在石墨烯广泛应用的大背景下，新型二维、三维材料的出现也引起了人们的注意，三维狄拉克材料如Cd₃As₂、Bi₂Se₃、ZrTe₅等是稳定的三维狄拉克半金属，其特性是体系的能带结构在费米能级附近呈现了能量与波矢的线性关系，形成狄拉克锥型结构，其费米面是由重叠的外尔费米子对构成的，并受到晶格对称性的保护。有研究组对ZrTe₅单晶进行了红外磁光光谱研究，针对ZrTe₅的输运和角分辨光电子能谱测量表明该材料属于三维狄拉克半金属。在零场下，红外光谱的测量发现其光电导在较宽的能量区间都表现出随频率线性增加的行为，而这种现象恰恰是三维狄拉克费米子的标志性行为。三维狄拉克半金属特别是Cd₃As₂提供了一个很好的可以进行量子相变的平台，通过坏对称性，比如时间反演和中心反演，使得可以拓扑绝缘体，外尔半导体，拓扑超导体之间进行转移。此外，Cd₃As₂还呈现出了超高的迁移率，在5k无磁场的情况下，迁移率高达9x10⁶cm²V^-1S^-1这是由于费米速率较高的三维狄拉克费米子后向散射的抑制作用,而且在室温的情况下，迁移率仍然有1.5x10⁴cm²V^-1S^-1。如此高的迁移率大大的超过了悬浮石墨烯和其他体半导体的性能，并且它还有超高的磁阻。这使得它有极大潜力成为石墨烯的替代品并且能在新的光电子器件中发挥它超好的性能。由于它有无间隙的线性分散无质量的狄拉克费米子，故它几乎囊括了所有二维狄拉克半金属的优越性能。它的无间隙使它能够在THZ波段的应用成为可能，其载流子倍增效应增强了它的内量子效率。

目前的一些隧穿结构的探测器都是基于石墨烯的，较为典型的几种比如两层石墨烯电极中间一层六方氮化硼介质层，这种是沟道包含了介质层的类型，这种器件的特点是暗电流比较低，开关比很高；第二种是两层石墨烯中间夹一层介质层，但是沟道是下层石墨烯并没有包含介质层，而上层石墨烯与介质层起到了对下层石墨烯光调制作用，这种器件增益系数很大，响应提高了很多。或者第二种类型的不是两层石墨烯比如还有石墨烯与其他材料的异质结中间夹了一层介质层，也是那层石墨烯作为沟道，介质层不在其中。并且上述的隧穿类型的器件工艺都较为复杂。

石墨烯量子点型探测器是直接在石墨烯上面涂上量子点材料，2012 年，GerasimosKonstantatos提出了将量子点和石墨烯混合，从而制备处量子点石墨烯混合光探测器，器件响应度很高，不过存在暗电流太大，响应速度慢，开关比低等缺点。量子点材料对一个特定的波长有特别强的响应，与三维狄拉克材料结合拓宽了整体响应光谱。

这种隧穿结构的光电探测器由于介质层的存在，更好的限制了光生载流子的复合，增加了载流子的寿命，大大的提升了光响应。这样的光电探测器在量子点材料与介质层的共同作用下比一般的光电探测器更能限制载流子的复合。

发明内容