CN105789367A - 非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器及其制备方法，该探测器包括Si/SiO2衬底，所述Si/SiO2衬底上设有第一电极，所述第一电极上设有二维材料层，所述二维材料层上设有第二电极，所述二维材料层为石墨烯与二维材料交叠形成n层异质结。本发明采用功函数不同的非对称电极，促进了由第一电极到第二电极费米能级差的形成，可以使光生载流子产生后迅速扩散至外电路，同时由于能级差的存在也避免了电子空穴的迅速复合，由此可以增大器件的光响应；采用石墨烯与二维材料相结合，分别利用了石墨烯的高的载流子迁移率、超快的响应时间，以及二维材料对光的高吸收率，可以实现超快，超高响应的光电探测器。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是光照射到器件表面而产生电信号的一种装置，在电子工业、军事、生物传感等领域均有着广泛的应用。随着科学技术的发展和生活水平的日益提高，对探测器质量的要求逐渐提高，而衡量光电探测器好坏的重要参数为光吸收波段、光响应度和光响应时间。传统的基于III-V族半导体的光电探测器由于其半导体特性在吸收带宽及响应时间等方面都受到限制。另外，随着器件集成度的不断提高，传统的半导体器件已经逼近了其极限尺寸。器件尺寸也成为传统光电探测器发展的制约因素。因此，研究一种具有高量子产率、快速响应时间、高响应度和波长选择性的光电探测器对未来光电产业很重要的现实意义。
石墨烯的宽光谱吸收、大的比表面积、快速的载流子迁移率(2.0X105cm2/(V.S))、超快的光响应速度等特点，从而可以获得基于石墨烯的超敏、超快、高性能的探测器，使其在光电探测器的应用有着巨大的潜力。但是由于石墨烯在广泛的光谱范围内对光的吸收很弱(2.3％)，使其具有较低的光响应度，同时光生载流子容易复合，也缺乏波长调控性。这一不足之处严重制约了石墨烯基光电探测的光响应度，这也意味着单一的石墨烯器件发展已经遇到瓶颈。随着石墨稀的发现，很多新型二维功能材料同样受到人们的关注，尤其是过镀金属硫化物。这类二维材料对光具有较高的吸收，并且具有高的量子效率，据计算显示二硫化钼光电探测器光响应度为石墨烯的10万倍。但是这种探测器因其具有载流子迁移率很小、光吸收效率低等缺点，极大的限制了其在光电探测等方面的应用。由此可见，单一的二维材料探测器仍然无法满足人们日益提高的需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，包括Si/SiO2衬底，所述Si/SiO2衬底上设有第一电极，所述第一电极上设有二维材料层，所述二维材料层上设有第二电极，所述二维材料层为石墨烯与二维材料交叠形成n层异质结。
其中，所述第一电极为功函数较高的金属电极，通过磁控溅射或热蒸镀而形成，厚度为10-100um。
其中、所述第一电极为Pt或Au。
其中、所述石墨烯与二维材料交叠所形成的n层异质结中的石墨烯由CVD生长后转移所得，所述二维材料为过渡金属硫化物，如MoS2，WS2等。
其中，所述石墨稀与二维材料交叠所形成的n层异质结中n的值为3-5，随层数的增加工艺难度增加。
其中，所述第二电极为功函数低的金属电极，如Ag等；通过磁控溅射或热蒸镀而形成，厚度为5-20nm。
上述非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1、通过CVD生长单层石墨烯以及二维材料；
S2、通过热蒸镀在Si/SiO2表面制备40nm厚的第一电极；
S3、对步骤S1所得的石墨烯、二维材料进行不同程度的掺杂后，分别利用PMMA转移至第一电极表面，得多层异质结构；
S4、通过光刻对所得的多层异质结构进行图形化；
S5、利用在多层异质结构上表面热蒸镀蒸镀第二电极。
本发明具有以下有益效果：
(1)采用功函数不同的非对称电极，促进了由第一电极到第二电极费米能级差的形成，可以使光生载流子产生后迅速扩散至外电路，同时由于能级差的存在也避免了电子空穴的迅速复合，由此可以增大器件的光响应。
(2)采用石墨烯与二维材料相结合，分别利用了石墨烯的高的载流子迁移率、超快的响应时间，以及二维材料对光的高吸收率，可以实现超快，超高响应的光电探测器。
(3)采用n层异质结级联的形式，可以形成更多的电势梯度，为光电流的提高起到至关重要的作用。
(4)因为采用垂直叠加，可以减小器件尺寸，更适于超高的光电集成。
附图说明
图1为本发明实施例非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探器件的结构示意图；
图2为图1中内层石墨烯二维材料级联异质结的截面图
图中：1-Si/SiO2衬底；2-第一电极；3-内层石墨烯二维材料级联异质结；4-第二电极；31-石墨烯；32-二维材料；33-石墨烯；34-二维材料；35-石墨烯。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，本发明实施例提供了一种非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，包括Si/SiO2衬底1，所述Si/SiO2衬底1上设有第一电极2，所述第一电极2上设有二维材料层3，所述二维材料层3上设有第二电极4，所述二维材料层3为石墨烯与二维材料交叠形成n层异质结。
所述第一电极2为功函数较高的金属电极，通过磁控溅射或热蒸镀而形成，厚度为10-100um。所述石墨烯与二维材料交叠所形成的n层异质结中的石墨烯由CVD生长后转移所得，所述二维材料为过渡金属硫化物，如MoS2，WS2等。所述石墨稀与二维材料交叠所形成的n层异质结中n的值为3-5，随层数的增加工艺难度增加。所述第二电极为功函数低的金属电极，通过磁控溅射或热蒸镀而形成，厚度为5-20nm。
实施例1
S11、通过CVD生长单层石墨烯以及MoS2等二维材料。
S12、通过热蒸镀在Si/SiO2表面制备40nm厚的Au电极(第一电极)。
S13、对所得的石墨烯、二维材料进行不同程度的掺杂后，利用PMMA分别转移石墨烯、二维材料至金属电极(第一电极表面)，得二维材料/石墨烯/二维材料双异质结；
S14、通过光刻对所得的二维材料/石墨烯/二维材料双异质结进行图形化；
S15、利用热蒸镀在二维材料/石墨烯/二维材料双异质结上蒸镀20nmAg作为第二电极，得二维材料/石墨烯/二维材料双异质结光电探测器。
实施例2
S21、通过CVD生长单层石墨烯以及MoS2等二维材料。
S22、通过热蒸镀在Si/SiO2表面制备40nm厚的Au电极(第一电极)。
S23、对所得的石墨烯、二维材料进行不同程度的掺杂后，利用PMMA分别转移石墨烯、二维材料至金属电极(第一电极表面)，得石墨烯/二维材料/石墨烯/二维材料/石墨烯四个异质结；
S24、通过光刻对所得的石墨烯/二维材料/石墨烯/二维材料/石墨烯四个异质结进行图形化；
S25、利用热蒸镀在二维材料/石墨烯/二维材料双异质结上蒸镀20nmAg作为第二电极，得石墨烯/二维材料/石墨烯/二维材料/石墨烯四个异质结级联的光电探测器。
实施例3
S31、通过CVD生长单层石墨烯以及MoS2等二维材料。
S32、通过热蒸镀在Si/SiO2表面制备40nm厚的Au电极(第一电极)。
S33、对所得的石墨烯、二维材料进行不同程度的掺杂后，利用PMMA分别转移石墨烯、二维材料至金属电极(第一电极表面)，得石墨烯/二维材料1(MoS2)/石墨烯/二维材料2(WS2)/石墨烯等多种二维材料与石墨稀结合形成异质结；
S34、通过光刻对所得的石墨烯/二维材料1(MoS2)/石墨烯/二维材料2(WS2)/石墨烯等多种二维材料与石墨稀结合形成异质结进行图形化；
S35、利用热蒸镀在二维材料/石墨烯/二维材料双异质结上蒸镀20nmAg作为第二电极，得石墨烯/二维材料1(MoS2)/石墨烯/二维材料2(WS2)/石墨烯等多种二维材料与石墨稀结合形成异质结级联的光电探测器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，其特征在于，包括Si/SiO2衬底(1)，所述Si/SiO2衬底(1)上设有第一电极(2)，所述第一电极(2)上设有二维材料层(3)，所述二维材料层(3)上设有第二电极(4)，所述二维材料层(3)为石墨烯与二维材料交叠形成n层异质结。
2.根据权利要求1所述的非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，其特征在于，所述第一电极(2)为功函数较高的金属电极，通过磁控溅射或热蒸镀而形成，厚度为10-100um。
3.根据权利要求2所述的非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，其特征在于，所述第一电极(2)为Pt或Au。
4.根据权利要求1所述的非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，其特征在于，所述石墨烯与二维材料交叠所形成的n层异质结中的石墨烯由CVD生长后转移所得，所述二维材料为过渡金属硫化物，如MoS2，WS2等。
5.根据权利要求1所述的非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，其特征在于，所述石墨稀与二维材料交叠所形成的n层异质结中n的值为3-5，随层数的增加工艺难度增加。
6.根据权利要求1所述的非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器，其特征在于，所述第二电极为功函数低的金属电极，如Ag等；通过磁控溅射或热蒸镀而形成，厚度为5-20nm。
7.非对称电极二维材料/石墨烯异质结级联光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过CVD生长单层石墨烯以及二维材料；
S2、通过热蒸镀在Si/SiO2表面制备40nm厚的第一电极；
S3、对步骤S1所得的石墨烯、二维材料进行不同程度的掺杂后，分别利用PMMA转移至第一电极表面，得多层异质结构；
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |