[实用新型]一种范德瓦尔斯非对称势垒结构的红外探测器

说明书

本专利公开了一种范德瓦尔斯非对称势垒结构的红外探测器。所述探测器结构包括衬底、介质层、石墨烯层、二硫化钼层、黑磷层和金属源、漏电极。器件制备步骤是将机械剥离的石墨烯、二硫化钼和黑磷依次转移到具有介质层的衬底上，运用电子束曝光和热蒸发等工艺分别在黑磷和石墨烯上制作金属源、漏电极，形成了垂直结构的范德瓦尔斯单载流子红外光电探测器。利用二维材料丰富的能带结构和独特的物理特性，设计了多子阻挡的非对称势垒能带结构，可以对暗电流进行有效的抑制，进而实现了中波红外的室温黑体探测、偏振探测和红外成像。该探测器具有室温工作、多子阻挡、中波红外响应、灵敏度高、响应快及黑体探测等特点。

技术领域

本专利涉及一种范德瓦尔斯非对称势垒结构的红外探测器，具体指一种中波红外的单载流子光电探测器。

背景技术

单载流子光电探测器是为了解决红外探测器暗电流大的问题而提出的，使红外探测器实现在高温下工作。单载流子光电探测器的阻挡层需要严格考虑能带匹配和晶格匹配。在导带或价带存在较大的势垒来阻挡多数载流子，在另一个能带上设计了接近零的势垒，以使该能带上的载流子能够自由移动。因此，暗电流如表面泄漏电流和多子暗电流被势垒阻挡，而光电流没有被抑制。然而，传统材料外延生长不可避免地存在晶格失配和界面缺陷，严重阻碍了高性能单载流子光电探测器的发展。

为了解决上述问题，我们使用二维材料构造了非对称势垒结构的红外光电探测器。二维材料具有丰富的、可调的能带结构，可以满足能带设计的需求，并且表面自然钝化，避免了漏电流的产生。同时，不同的二维材料可以随意地堆叠，形成晶格匹配的范德华尔斯结，是设计新型光电探测器的理想材料。

本专利提出了一种范德瓦尔斯非对称势垒结构的红外探测器。该单载流子光电探测器使用黑磷作为窄带隙的吸收层，二硫化钼作为多子势垒层，高迁移率的石墨烯作为接触层。三个材料形成典型的空穴阻挡的能带结构，导带几乎没有势垒，然而在价带存在一个大的空穴势垒，可以阻挡石墨烯端空穴的注入，有效抑制了暗电流。单载流子光电探测器实现了截止波长为3.8微米的中波红外响应，室温黑体探测率达到2.3×10¹⁰cm Hz^1/2W^-1，并且实现了室温黑体偏振探测和室温红外成像。同时器件的响应速率达到了73微秒的快速响应。

发明内容

本专利提出了一种范德瓦尔斯非对称势垒结构的红外探测器，实现了在室温黑体探测、偏振探测和红外成像等领域的应用。

上述专利将单载流子势垒结构引入二维材料探测器，该探测器基于能带结构的优化设计，利用势垒层对多子的阻挡，从而降低暗电流，可实现器件的高灵敏、高速率的室温黑体探测。

本专利指一种范德瓦尔斯非对称势垒结构的红外探测器及制备方法，其特征在于，器件结构包括：

-衬底1，

-介质层2，

-石墨烯层3，

-二硫化钼层4，

-源极5，

-漏极6，

-黑磷层7。

其中衬底1为P型重掺杂的Si衬底；

其中介质层2为SiO₂，厚度为280±10纳米；

其中石墨烯层3的厚度是5～10纳米；

其中二硫化钼层4厚度是10～20纳米；

其中金属源极5为Cr和Au电极，Cr在石墨烯层上厚度约为15纳米，Au 在Cr上厚度为75纳米；

其中漏极6为Cr和Au电极，Cr在黑磷层上厚度约为15纳米，Au在Cr上厚度为75纳米；

其中黑磷层7厚度是40～150纳米。