基于二維層轉材料p-i-n異質結光電子器件的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明是關于二維層轉材料p-1-n異質結光電子技術，特別是關于一種基于p-1-n異質結光雪崩單光子探測。
【背景技術】
[0002]微弱光電子探測器在光通信和宇宙研究及軍事等方面都有重要的應用。作為一種高靈敏的光探測器，它能將光信號轉變成電學信號，進而用來探測物體的位置形狀。但是，應用最為廣泛的單光子探測器多數是使用超導整列需要在低溫環境下工作。尤其是高靈敏弱光探測器在宇宙學研究和航天航空領域里著廣闊的應用需求，以及高端武器平臺上的導彈制導、量子通訊等，是國內外重點關注與投入的研究的重中之重，對發展尖端前沿科學技術、加強國防核心力量的建設具有舉足輕重的意義。同時，高靈敏單光子探測技術在工業、農業、醫學、交通等各個行業和部門也有廣大應用需求，如電力在線檢測、礦產資源勘探、地下礦井測溫和測氣、地貌或環境監測、農作物或環保監測、氣象預報等，使得弱光探測技術發展成為軍民兩用技術。隨著對光探測器性能要求的不斷提高，傳統的探測器已不足以應對。在這種背景下，二維層狀材料的出現，給光探測器領域帶了新的曙光。以硫化鉬為例，這種新興的二維碳原子薄膜，表現出了強光與物質相作用，光吸收很強。又因為其優異的半導體電學特性和方便的微加工技術，基于二維薄膜材料異質結光探測器展現著巨大的潛力。
[0003]光伏型探測器是理想的光電探測器，光伏型器件是由于不同摻雜類型的半導體接觸形成p-n結，或者是金屬跟半導體接觸形成肖托基勢皇。光電響應的機理是內建電場對光生電子空穴對的分離。然而在二維薄膜材料中實現原子層厚度的p-n結內建電場區幾乎是原子尺度。同時，半導體材料有具有比較大的帶隙。對光吸收有截止波段比較短，傳統的硅探測器波段集中在可見波段和近紅外波段。而另外一些銦鎵砷等紅外探測器探測波段比較長，缺點是需要低溫才能正常工作。這些探測器都有明顯的局限性和缺點。
【發明內容】
[0004]本發明目的是，提供一種基于層狀材料異質結的光電子器件，以減小探測器的體積，并實現室溫、高靈敏雪崩單光子探測。
[0005]為了實現上述目的，本發明技術方案是，一種基于層狀材料p-1-n異質結的雪崩探測器，所述的雪崩探測器包括在基底上設有自下到上的結構:
[0006]襯底絕緣層，所述絕緣層包括二氧化硅、PMMA等柔性絕緣襯底；
[0007]p-1-n異質結，所述p-1-n異質結包括p-型半導體二維薄膜材料(薄膜層)，所述p-型半導體二維薄膜材料即薄膜層5疊放在一個包括確定層數的氮化硼3帶隙較大本征半導體或絕緣層下，η-型半導體二維薄膜材料薄膜4疊放在上述氮化硼4上，整個異質結器件層置于所述絕緣層上，氮化硼將兩半導體二維薄膜材料層分開；
[0008]金屬電極層，包括源電極層8及漏電極層6，所述源漏電極層分別設置在覆蓋η型二維層狀薄膜材料和P型二維層狀薄膜材料半導體層接觸，并覆蓋在所述η與P 二維層狀薄膜材料薄膜層的各一端上；
[0009 ]頂柵絕緣層2，所述頂柵絕緣層包括二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鉿、ITO等；
[0010]頂柵金屬電極層7在所述頂柵絕緣層上。
[0011]在一實施例中，所述半導體二維薄膜材料薄膜層為過渡金屬硫族化合物、黑鱗等。
[0012]在一實施例中，所述絕緣層為二氧化硅層、PMMA層或鍺片。
[0013]在一實施例中，所述中間層為帶隙較大的本質層狀半導體或絕緣體。
[0014]在一實施例中，所述絕緣層的厚度為300納米。
[0015]在一實施例中，所述頂柵絕緣層為10納米二氧化鉿。
[0016]在一實施例中，所述源電極層由5nm厚的鈀及50nm厚的金組成。
[0017]在一實施例中，所述漏電極層由5nm厚的鈦及50nm厚的金組成。
[0018]在一實施例中，所述頂柵電極層由5nm厚的鈦及50nm厚的金組成。
[0019]為了實現上述目的，本發明實施例需提供一種雪崩光電流測量系統。
[0020]所述的異質結光電探測器包括:
[0021]絕緣層，所述絕緣層為300納米二氧化硅；
[0022]襯底絕緣層，所述絕緣層包括二氧化硅、PMMA等柔性絕緣襯底；
[0023 ]頂柵絕緣層，所述頂柵絕緣層包括二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鉿、ITO等；
[0024]p-型二維薄膜材料薄膜層，所述p-型二維薄膜材料薄膜層疊放在一個確定層數的氮化硼上，η-型二維薄膜材料薄膜疊放在上述氮化硼下，整個異質結器件層置于所述絕緣層上，石墨烯將兩半導體層分開；
[0025]金屬電極層，包括源電極層及漏電極層，所述源漏電極層分別設置在P-型二維薄膜材料和η-型二維薄膜材料半導體層上，并覆蓋在所述二維薄膜材料薄膜層的一端上;所述頂柵金屬電極層設置所述頂柵絕緣層上。在一實施例中，所述的異質結探測器感器還包括:基底，設置在所述絕緣層下面。
[0026]雪崩倍增光電流測試過程中，所述探測器暗示內，器件通加上高向偏置電壓，使i層中光生載流子受到強電場的加速作用獲得足夠高的動能，它們與晶格碰撞電離產生新的電子一空穴對，這些載流子又不斷引起新的碰撞電離，造成載流子的雪崩倍增，得到電流增益。當反偏置電壓在雪崩點附近時候，很少的光子入射會長生很高的增益。從而可以實現極微弱甚至單光子探測。
[0027]本發明的異質結探測器不同于傳統的探測器。首先，本發明的探測器以二維薄膜材料層作為光敏元件，不同于傳統光探測元件，該異質結探測器可以做的非常小。其次，二維薄膜材料異質結中的氮化硼中間層的能夠大幅度降低暗電流。從而實現高信噪比高探測率。雪崩點在高的反向偏置電壓下，暗電流非常低，少量的光子或獲得很高的雪崩增益。同時最重要的是探測器探測紅外波段能夠在室溫工作。
【附圖說明】
[0028]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0029]圖1為本發明實施例一的基于層狀材料的p-1-n光電探測器的器件結構圖；
[0030]圖2為本發明實施例一的基于層狀材料的p-1-n光電探測器的弱光探測圖。
【具體實施方式】
[0031]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。源電極層和漏電極層分別設置在所述兩種半導體層上；頂柵電極設置在頂柵介電層上。
[0032]本p-1-n異質結器件包含背柵極和頂柵結構，背柵極用于調節底層半導體載流子濃度;頂柵電極用來調節頂層半導體材料的載流子濃度。本發明P-1-n異質結光電探測器和相關的場效應電子器件能構成原子級厚度的P-1-n結，與傳統光探測器相比，暗電流更小、體積更小，具有很高的比探測效率，通過雪崩效應為實現極弱光甚至單光子探測提供了器件基礎。
[0033]如圖1所示，本發明實施例提供了一種基于層狀材料異質結的p-1-n光電探測器，所述的異質結的光電探測器包括:絕緣層1、2，金屬電極層6、7、8及二維薄膜材料薄膜層3、
4、5和基底層9。
[0034]絕緣層I上放置3、4、5堆疊的異質結。源電極8和漏電極6分別設置在η-型二維薄膜材料薄膜層4和P-型二維薄膜材料薄膜層5上，高介電絕緣層2覆蓋上述的異質結。頂柵電極7做在介電層2覆蓋的異質結上。
[0035]在一實施例中，源電極層由5nm厚的鈦及50nm厚的金組成，漏極層由5nm厚的鈀及50nm厚的金組成。
[0036]p-1-n異質結探測器還包括:基底9，該基底9設置在絕緣層I下面，基底9可以為硅等絕緣性材料，本發明僅以硅為例進行說明。
[0037]二維薄膜材料薄膜異質結層3、4、5為本發明的異質結p-1-n探測器的核心部分通過中間層氮化硼可以降低暗電流和增加本證區的寬度。當器件處在高反向偏置雪崩點附近時候，極弱的光子入射