[发明专利]一种基于二维材料异质结的微型红外光谱仪芯片及方法

说明书

一种基于二维材料异质结的微型红外光谱仪芯片及方法，属于光电探测领域。光敏区材料位于栅极介电层上，是由两层二维材料垂直叠加构成的异质结；源漏电极分别与两种二维材料接触；二维材料异质结的能带结构为第Ⅱ类异质结能带；变化的栅极电压可以对所述第Ⅱ类能带结构进行调控，在一系列变化的栅极电压下，每变化一个电压值，该电压调控下的探测器单元产生一组光谱响应电流值；等同于随着栅极电压变化，提供了一系列具有不同光谱响应特性的探测器单元。对待测的未知的入射光进行检测得到对应的未知入射光的光谱信息，然后结合标定值，得到光强度；然后对未知入射光光谱信息进行还原，得到未知入射光的波长。可实现红外波段光谱识别，是创新性设计的微型光谱仪芯片。

技术领域

本发明属于光电探测领域，特别提供一种可以实现光波长信息和光强度信息同时探测的微型光谱仪芯片。

背景技术

光谱仪是现代社会科学研究与工程生产中对材料进行分析、对物质进行鉴别所必备的核心装备之一；同时，光谱识别功能的实现也使得光谱成像技术被成功应用于日常生活与国防军事当中。目前的光谱识别功能的实现，主要依赖于光学分光设备(如色散装置、窄带透射装置、光学干涉仪装置)与不能进行光波长信息识别的探测器(阵列)组合而成。但是，上述的集成装备都面临大体积、高重量、高成本的问题，尤其是随着探测波段的红移，成本也在不断的增加。

为了满足日益增长的应用场景需求，光谱仪的小型、微型化备受关注。近年来，已有微电子机械系统技术(MEMS)等微纳光学加工的手段来实现光谱仪的小型化的研究，但是，由于极限加工精细度、MEMS转动角度、色散光学物理客观规律等限制因素的存在，装备的特征尺寸、检测精度和光谱范围会受到一定的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二维材料异质结的微型光谱仪芯片，该器件核心特征尺寸小于10μm，具有红外光谱信息识别能力。

本发明技术方案如下：一种基于二维材料异质结的微型红外光谱仪芯片，包括栅极电极即衬底(4)、栅极介电层(3)、光敏区、源漏电极、其特征在于，栅极电极上为一层栅极介电层，光敏区材料位于栅极介电层上，光敏区材料是由两层不同二维材料即不同的过渡金属硫族化合物层上下叠加构成的异质结；源漏电极分别对应与上述两层二维材料接触；

栅极电极即衬底为Si，栅极介电层(3)为SiO₂层。

进一步的，所述两种二维材料为过渡金属硫族化合物；

光敏区的两层不同二维材料形成的异质结的能带结构为第Ⅱ类异质结能带；

进一步的，所述第Ⅱ类能带结构的光响应截止波长由异质结系统中最小的跃迁能级决定，该能级的导带底和价带顶分别位于两种材料中；进一步的，所述最小的跃迁能级大于0eV且小于构成该异质结的任意一种二维材料的禁带宽度；记一种材料(6)的最小导带E_Cmin、最大价带E_Vmax，另一种材料(7)的最小导带E’_Cmin、最大价带E’_Vmax，则E’_Vmax介于E_Cmin、E_Vmax之间，E_Cmin介于E’_Cmin、E’_Vmax之间，则异质结系统中最小的跃迁能量△E(8)＝|E’_Vmax-E_Cmin|。

进一步的，所述光谱仪芯片特征尺寸即二维材料对应二维方向的尺寸小于等于10μm。

采用上述芯片实现光波长信息和光强度同时探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)做不同栅极电压条件下器件的光谱响应特性作为器件本身特性的标定值