[发明专利]一种异质结中长波红外探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种异质结中长波红外探测器及其制备方法，所述探测器包括Si衬底、WSsubgt;2/subgt;/石墨烯量子点异质结和金电极，Si衬底上生长WSsubgt;2/subgt;/石墨烯量子点异质结，金电极设置在WSsubgt;2/subgt;/石墨烯量子点异质结上，制备步骤如下：一、在Si衬底上磁控溅射沉积WSsubgt;2/subgt;薄膜；二、制备WSsubgt;2/subgt;/石墨烯量子点异质结；三、利用磁控溅射技术在异质结表面沉积Au电极。本发明的探测器为光电导型器件，通过合成WSsubgt;2/subgt;/石墨烯量子点异质结使材料的带隙处于中长波红外波段，当入射光子能量大于异质结禁带宽度，材料中光生载流子可以实现跃迁，整个材料体系的电导率增大，从而实现器件在中长波红外波段的响应，材料制备工艺简单，便于工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于红外光电成像探测技术领域，涉及一种红外探测器及其制备方法，具体涉及一种基于二硫化钨/石墨烯量子点异质结红外探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器是将光子能量转换为电信号的传感器。由红外探测成像的机理可知，任何温度高于绝对零度的物体都会由内部分子热运动不停向外界发射红外辐射，红外成像正是通过目标和背景的温差来成像。红外成像探测属于被动探测的一种，相比雷达探测具有隐蔽性强和抗干扰能力强的优点，相比可见光探测具有全天候和探测距离远的优点。此外，由于红外探测系统体积小、质量轻、功耗低，因此相比雷达更有利于装载红外探测器的预警卫星和无人预警机的发展和运用。红外探测技术在天基预警卫星、预警飞机、无人侦察机、警戒舰艇以及红外制导导弹等武器中发挥着十分重要的作用。红外探测技术从总的发展趋势看，红外线列及面阵的元数愈来愈多，其性能已接近背景限，抗辐照能力也得到很大加强。探测波段也已从短波红外、中波红外一直覆盖到长波红外。探测手段也从单色探测发展到多色探测。

能实现红外探测的材料主要包括HgCdTe （MCT）、红外量子阱 （QWIP）和锑化物II型超晶格（InAs/Ga(In)Sb）。虽然经过多年的努力，基于碲镉汞（MCT）材料和AlGaAs/GaAsIII-V族量子阱材料的红外探测器和红外焦平面器件在长波红外波段的性能有了很大改善。但是，受材料本身和器件物理机制的限制，到目前为止，在应用方面仍然存在一些难以克服的问题。MCT材料主要表现在组分均匀性差，器件漏电流大，工作温度低（一般在77K），尤其是在探测波长大于10μm的红外波段，器件性能指标急剧下降。后者存在的主要问题，一是受量子禁戒作用影响，器件量子效率低（一般小于20%，而HgCdTe器件量子效率为70～80%），二是器件工作温度低（一般小于65K）。所以基于上述两种材料体系的长波红外探测器和红外焦平面器件都面临着器件暗电流大、积分时间短、工作温度低的物理性能制约，以致成为限制它们在相关武器装备系统中应用的最大障碍。

近年来，以InAs/GaSb为代表的II类超晶格红外探测器发展十分迅速，II类超晶格是一种典型的能带工程材料，在一些重要参数如 R₀A、量子效率及噪声等效温差方面与第二代HgCdTe红外探测器性能相当。尽管InAs/Ga(In)Sb II型超晶格红外探测器已获得了长足发展，其长波红外探测性能已接近标准碲镉汞探测器，但是与理论预测值相比仍有差距，主要体现为较大的暗电流，以及由此导致的工作温度低，成为制约其进一步发展的瓶颈。

以石墨烯（Graphene）为代表的二维材料的出现和成功制备为各领域的发展注入了新的活力，也为红外探测器的发展带来了新的方向。单原子层石墨烯从红外到可见光的波段范围的吸收可达2.3%，而达到同样的吸收效率需要15 nm厚的Si材料或20 nm厚的GaAs材料。同时，石墨烯材料还具有非常高的载流子迁移率（室温下可超过200000 cm²/Vs）和光生载流子倍增效应，因而是极具应用前景的高响应频率、高响应度和宽响应光谱光电探测材料。但是，石墨烯材料无带隙，较大的暗电流不利于施加大的偏压，明显制约了其响应度的提升。