[发明专利]一种双栅结构的二维半导体光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开一种双栅结构的二维半导体光电探测器及其制备方法。所述的探测器结构自下而上包括：衬底电极层、衬底介电层、透明二维介电层、二维半导体层、透明二维介电层、透明二维导体层；所述二维介电层上设置有第一金属电极层和第二金属电极层，其中第一金属电极层分布在所述二维半导体层的两侧作为源极和漏极，第二金属电极层与透明二维导体层接触；所述透明二维介电层和透明二维导体层覆盖住二维半导体层；所述的衬底电极层为P型硅衬底；当衬底电极层和所述的第二金属电极层极性相反时，所述二维半导体层将在垂直方向形成一个均匀的PN结。本发明提供的探测器制备简单，具有低暗电流、大光电流、高探测度和线性光响应的特点。

技术领域

本发明涉及二维半导体光电探测器件的设计和制备，具体指一种利用双栅结构在二维半导体的垂直方向产生PN结，从而促进光生电子-空穴对分离的光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器是一种将光信号转换成电信号的光电子器件，在光通信、光电显示、成像、环境监测、宇宙探索及国防军事等方面都有重要的应用。尤其是针对弱光的高灵敏探测器在高精密工业界有着广泛的应用前景。

传统的光电探测器大多是以传统半导体材料设计，包括IV族的硅光电探测器、锗光电探测器，III-V族的铟镓砷光电探测器等。信息技术的发展要求器件尺寸越来越小以满足高度集成化的要求。传统半导体材料厚度减薄时，材料迁移率会迅速下降；尺寸缩小时，不同材料界面间的晶格失配会严重影响器件的性能；另外传统半导体材料非常脆弱，不适用于透明、柔性、可弯曲的探测器。随着对光探测器性能要求的不断提高，传统的探测器已不足以应对。二维层状材料只有原子级薄的厚度，具有良好的柔性、透光性、易于加工等特点。其表面不存在悬挂键,层间是依靠范德瓦耳斯力结合,可以用机械剥离的方法获得薄层样品。同时用二维材料制作异质结可以不受传统异质结界面必须晶格匹配的限制,还能够任意角度堆叠。并且其迁移率远高于相同厚度的传统材料。原子层厚度的二维材料掺杂可以通过栅压静电掺杂，不需要传统材料的原子替换掺杂。二维材料为光电探测领域提供了新途径。

普通的二维材料半导体光电探测器通过栅压调节二维材料的载流子浓度和能带结构来发挥探测能力。响应机制主要有光电导效应、光伏效应、光热电效应和辐射热效应等。基于光电导型的探测器，例如场效应晶体管，可以产生较大的增益，光响应率较高，但是响应时间一般比较长，而且其信噪比较大，很难探测弱光。基于光伏型的探测器，例如PN结型，其响应速度比较快，但是没有额外的增益机制，其电流小，导致光信号小，探测度低。另外，对于光电探测器，线性响应是最优的。当探测器是线性响应时，光电流和光强能够很好的对应起来，在光探测时能够非常方便的识别光强。最广泛的线性光电探测器是PN结结构，但该结构没有增益，光响应过低，在一定的光强下产生的光电流很小，信号小；场效应晶体管有增益，但光响应不是线性的。但没有增益。同时，由于局域态的影响，一般器件的噪声比较大。

发明内容

本发明为了改善现有光电探测器的不足，提出了一种双栅结构的二维半导体光电探测器及其制备方法，制备的探测器能够实现线性光响应、高增益、高探测度、低噪声等性能，拓宽了二维半导体在光电探测领域的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种双栅结构的二维半导体光电探测器，所述的探测器的结构自下而上分别为：衬底电极层、衬底介电层、第一透明二维介电层、二维半导体层、第二透明二维介电层和透明二维导体层；所述衬底电极层作为底栅电极；二维半导体层作为器件工作的载流子沟道，其两端分别连接一个第一金属电极层作为源极和漏极；在透明二维导体层的一端连接第二金属电极层作为顶栅电极；当底栅和顶栅所加电压的极性相反时，在静电场的作用下，二维半导体层中的电子和空穴会分别向上下两个界面聚集，从而在二维半导体层中形成一个垂直的PN同质结。

所述衬底电极层和衬底介电层选用硅/二氧化硅衬底，其中二氧化硅的厚度为280～300纳米。

所述的第一透明二维介电层、第二透明二维介电层均为氮化硼薄层，厚度均为15～30纳米。