一种光电探测器及其制备方法和应用

1.本发明涉及半导体光电探测技术领域，具体地，涉及一种光电探测器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.光电探测器是依靠光电效应将光辐射转换成标准电信号的一种电子器件，应用十分广泛。然而，由传统材料制备的光电探测器光电特性一般，不能满足系统需求，限制了光电探测器的广泛应用。
3.二维层状硫属化合物材料，如mos2、ws2、mose2、wse2等，近年来由于其自身良好的光电特性而备受关注。这种材料的带隙可以通过机械剥离控制层数，且随着其层数逐渐降低为1，材料本身能够从间接带隙材料逐渐转变成直接带隙材料，而直接带隙材料对于光的利用率更高，因此由二维层状硫属化合物材料制备的光电探测器能够具有更好的探测性能。然而，现有的二维层状硫属化合物光电探测器，虽然具有良好的光电响应性能，但在二维材料的原子尺度限制下，探测器在二维材料特征波段的探测能力较弱，具体表现为其吸收峰有较大的半峰带宽，使得该探测器对不同波长的光都具有良好的吸收和转化性能，无法实现只对波长在二维材料特征波段的光的特异性探测。
4.现有技术公开了一种基于局域表面等离激元效应的二硫化钼光电探测器，通过等离激元结构阵列，提高了mos2二维材料层的光吸收，进而增强了器件的光响应。然而，该现有技术所提供的探测器，在mos2二维材料特征吸收波段的光吸收峰仍有接近100nm的半峰宽。


技术实现要素：

5.为解决现有光电探测器在特征波段的吸收峰过宽的问题，本发明提供了一种光电探测器，通过特定结构的金属纳米球阵列中自由电子与入射光发生共振所产生的局域电磁场，促进了ws2中电子-空穴对的产生，增强了探测器对于ws2特征吸收波段的光的吸收，同时使吸收峰的半峰宽变窄，进而使该探测器在ws2材料的特征吸收波段达到特异的探测性能。
6.本发明还提供一种光电探测器的制备方法。
7.本发明还提供一种光电探测器在光电探测方面的应用。
8.本发明上述目的通过如下技术方案实现：
9.一种光电探测器，其结构自下而上依次包括衬底、金属反射层、绝缘介质层、金属纳米球阵列、ws2二维材料层和电极；
10.金属纳米球阵列由半径为80～140nm的金属纳米球依次等距排布形成，其中相邻的两个金属纳米球，球心之间的距离为290～600nm。
11.本发明所提供的光电探测器的工作原理为：本发明所制备的光电探测器，其探测波段即吸收波段，主要由ws2二维材料决定，光电探测器的探测波段即为ws2二维材料的特征吸收波段(550～800nm)，因为在这一波段范围内光信号才能被最大化地转化成电信号。光
电探测器之所以能够实现光电探测，其原因是光照辐射能够引起器件的电导率发生改变，而这种现象只在半导体材料上出现，金属材料并不具有这种现象。具体到本发明中，这种半导体材料就是ws2。ws2在外界光照的作用下能够激发电子发生从价带至导带的跃迁，因此在价带中留下空穴，导带中含有电子，形成电子-空穴对。之后，电子和空穴两种载流子被分别传输至对电极，形成光电流、输出电信号，从而实现光电探测。但价带和导带之间的能带间隙是ws2自身具有的性质，当光的能量与ws2的能带间隙匹配时，ws2才能对光具有最大的响应和吸收，能够使ws2具有最大吸收的光也组成了ws2的特征吸收波段。
12.在本发明所提供的光电探测器中，紧邻ws2二维材料的金属纳米球阵列可以通过阵列中产生的局域表面等离激元提高ws2二维材料对于在其特征吸收波段的光的吸收。金属纳米球阵列能够提高ws2对光的吸收且降低吸收峰半峰宽的原因在于，以纳米结构阵列的形式存在的金属，其在费米能级附近的自由电子能够响应外界光场的作用，发生集体振荡行为，在金属表面产生局域的等离激元，进而产生局域电磁场；当入射光频率恰好等于纳米结构阵列整体的振荡频率时，金属纳米球中的自由电子对入射光产生共振吸收，金属表面的局域电磁场能够被极大地增强，进而能够极大促进ws2二维材料中电子-空穴对的产生，从而增大光电探测器在入射光波段的光吸收和转化能力，且能够使得光电探测器在入射光波段吸收的光具有较小的半峰宽。然而金属纳米球阵列虽然能够吸收光能并使自由电子发生集体振荡，但并不具有光电探测功能，因为金属的电导并不会因光照条件改变而变化。需要说明的是，在本发明所提供的光电探测器中ws2二维材料层是排布于金属纳米球阵列之上的，因此在制备金属纳米球阵列的过程中不会对ws2二维材料造成损害。
13.对金属纳米球阵列中纳米球的半径和相邻两个纳米球球心之间的距离作出限定，使其分别在80～140nm和290～600nm的范围内，是因为当纳米球半径和相邻球心之间的距离这两个参数分别在这两个范围内时，金属纳米球阵列能够响应外界入射光的频率能够与ws2二维材料的特征吸收频率的范围相匹配。当纳米球半径和相邻球心之间的距离分别超过140nm和600nm时，纳米球阵列中在外界光场作用下产生的局域等离激元传播的路径更长，自由电子集体振荡的频率下降，因此纳米球阵列能够响应的入射光波段超出ws2的特征吸收波段，因此光电探测器对光的吸收能力下降，无法用于探测光信号。当入射光的频率与金属纳米球阵列的整体振荡频率一致，同时落在ws2二维材料具有特征吸收的范围内时，金属纳米球阵列对于ws2的光吸收能力才能产生增强，进而增强光电探测器对光的吸收能力。而当纳米球半径和相邻球心之间的距离分别低于80nm和290nm时，金属纳米球阵列中等离激元的共振吸收峰同样不能落在ws2的特征吸收波段中，因此光电探测器的吸收峰半峰宽加大，吸收强度也会有所下降。
14.在本发明所提供的光电探测器结构中还有金属反射层和绝缘介质层。其中，金属反射层的作用在于对入射光进行反射，进一步降低器件的光透射，使器件具有极大的光吸收效率，能够被用于光电探测。增添一层绝缘介质层，是为了防止金属纳米球阵列与金属反射层相互作用，同时可以形成金属-介质界面，从而产生局域表面等离激元共振。
15.在本发明的具体实施方式中，本发明所提供的光电探测器上金属纳米球阵列中的金属可以是金、银或铝中的一种或多种；衬底可以是sio2、si或蓝宝石；金属反射层可以是铝反射层、银反射层、金反射层中的一种或多种；绝缘介质层的材料可以是二氧化硅或氧化铝。
16.优选地，金属纳米球阵列中相邻的两个金属纳米球，球心之间的距离为300～400nm。
17.当纳米球球心之间的距离为300～400nm时，光电探测器在探测波段的半峰宽更小。
18.优选地，金属纳米球阵列中纳米球的半径为120～140nm。
19.当纳米球的半径为120～140nm时，光电探测器在探测波段的半峰宽更小。
20.优选地，ws2二维材料层的厚度为0.5～1.0nm。
21.当ws2二维材料层的厚度为0.5～1.0nm时，能够保证ws2二维材料是单层的。多层的ws2是间接带隙材料而单层的ws2是直接带隙材料，直接带隙的单层ws2对光能的利用率更大，因此光电探测器能够更好地实现探测的功能。
22.优选地，所述金属反射层的厚度为140～160nm。
23.优选地，绝缘介质层的厚度为5～70nm。
24.更优选地，绝缘介质层的厚度为10～50nm。
25.控制金属反射层和绝缘介质层的厚度，能够调控金属纳米球阵列中等离激元的共振峰和共振模式，最终使入射光能够更高效地被金属纳米球阵列和ws2二维材料所转化和利用。当绝缘介质层的厚度为10～50nm时，光电探测器在最大吸收波长处的吸收强度更大。
26.本发明还保护一种上述光电探测器的制备方法，具体包括如下步骤：
27.s1.在衬底上沉积金属反射层、绝缘介质层和金属纳米结构阵列；
28.s2.在金属纳米结构阵列表面覆盖ws2二维材料层；
29.s3.通过微纳加工工艺在ws2二维材料层上制作电极，即可得到光电探测器。
30.在本发明的具体实施方式中，在步骤s1中沉积金属反射层时所用的具体沉积方法可以是热蒸发法、电子束蒸发法、离子束辅助沉积法或磁控溅射中的任意一种；沉积绝缘介质层时所用的具体沉积方法可以是电子束蒸发法或原子层沉积法中的任意一种；制备金属纳米结构阵列时所采用的具体制备方法可以是电子束刻蚀法、aao模板法中的任意一种。
31.在本发明的具体实施方式中，在步骤s2中可以通过化学气相沉积的方法在金属纳米结构阵列表面生长ws2二维材料层。
32.在本发明的具体实施方式中，在步骤s3中制作电极所采用的具体微纳加工工艺可以是紫外光刻、激光直写、近场扫描或磁控溅射中的任意一种。
33.本发明还保护一种上述光电探测器在光电探测方面的应用。
34.优选地，上述光电探测方面的应用具体为探测波长为550～800nm的光信号。
35.本发明所提供的光电探测器，能够探测到的光信号主要由ws2决定的。单层ws2材料的特征波长在550～800nm的范围内，因此当探测到的光信号波长为550～800nm时本发明所提供的探测器具有更优异的探测能力。
36.更优选地，上述光电探测方面的应用具体为探测波长为650～680nm的光信号。
37.和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
38.本发明所提供的光电探测器，基于特定尺寸和排布形式的金属纳米球阵列所产生的局域等离激元，金属球表面的局域电磁场能够被极大增强，继而反过来作用到ws2二维材料上，增大光电探测器的在特征波段的光吸收和转化能力。在波长为670nm时，本发明所提供的光电探测器能够具有最好的光吸收能力，且吸收峰的半峰宽都在93nm及以下，且最小
可以达到47nm。
附图说明
39.图1为本发明所提供的光电探测器的结构示意图，其中1为衬底，2为金属反射层，3为绝缘介质层，4为金属纳米结构阵列，5为ws2二维材料层，6为电极。
40.图2为本发明所提供的光电探测器的制备流程图。
41.图3为本发明实施例1～4与对比例1所提供光电探测器的吸收光谱图。
42.图4为实施例1所提供光电探测器绝缘介质层和ws2二维材料层之间纳米球阵列的示意图。
具体实施方式
43.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
44.实施例1
45.一种光电探测器，其结构自下而上依次包括sio2衬底、金反射层、氧化铝绝缘介质层、金纳米球阵列、ws2二维材料层和电极；
46.其中金纳米球阵列由半径为140nm的金纳米球依次等距排布形成，其中相邻的两个金纳米球，球心之间的距离为300nm；
47.ws2二维材料层的厚度为0.7nm；
48.金反射层厚度为150nm；
49.氧化铝绝缘介质层厚度为10nm。
50.上述实施例1所提供光电探测器的制备方法，具体包括如下步骤：
51.s1.在衬底上通过电子束蒸发法沉积金反射层、通过原子层沉积技术沉积氧化铝绝缘介质层、通过aao模板法在绝缘介质层上制备金属纳米结构阵列；
52.s2.在金属纳米结构阵列表面通过化学气相沉积法生长ws2二维材料层；
53.s3.通过激光直写工艺在ws2二维材料层上制作电极，即可得到光电探测器。
54.实施例2
55.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，金纳米球的半径为80nm。
56.上述实施例2所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
57.实施例3
58.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，金纳米球的半径为100nm。
59.上述实施例3所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
60.实施例4
61.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，金纳米球的半径为120nm。
62.上述实施例4所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
63.实施例5
64.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，金纳米球阵列中相邻的两个金属纳米球，球心之间的距离为400nm。
65.上述实施例5所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
66.实施例6
67.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，金纳米球阵列中相邻的两个金属纳米球，球心之间的距离为500nm。
68.上述实施例6所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
69.实施例7
70.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，金纳米球阵列中相邻的两个金属纳米球，球心之间的距离为600nm。
71.上述实施例7所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
72.实施例8
73.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，氧化铝绝缘介质层的厚度为20nm。
74.上述实施例8所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
75.实施例9
76.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，氧化铝绝缘介质层的厚度为25nm。
77.上述实施例9所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
78.实施例10
79.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，氧化铝绝缘介质层的厚度为30nm。
80.上述实施例10所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
81.实施例11
82.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，氧化铝绝缘介质层的厚度为50nm。
83.上述实施例11所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
84.实施例12
85.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，氧化铝绝缘介质层的厚度为70nm。
86.上述实施例12所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
87.对比例1
88.一种光电探测器，其中与实施例1的不同之处在于，金纳米球的半径为40nm。
89.上述对比例1所提供光电探测器的制备方法，按实施例1所提供的进行。
90.对比例2
91.一种光电探测器，其中与对比例1的不同之处在于，金纳米球阵列中相邻的两个金属纳米球，球心之间的距离为90nm。
92.上述对比例2所提供光电探测器的制备方法，按对比例1所提供的进行。
93.性能测试
94.吸收光谱测试：对实施例与对比例所提供的光电探测器的吸收光谱进行测试，具体测试方法如下：
95.s1.打开紫外可见分光光度计，预热30分钟，使光源稳定；
96.s2.对紫外可见分光光度计进行全面校正检定和校正测定波长；仪器波长的允许误差为：紫外光区
±
1nm，可见光区
±
2nm；
97.s3.设置测量温度为25℃；
98.s4.采用350～900nm的激发波长对探测器进行激发并测试其吸收光谱。
99.性能测试结果如下表1与图1～4所示：
100.表1.实施例与对比例所提供的光电探测器吸收光谱测试结果
[0101][0102]
从表1中实施例1～7和对比例1～2的数据可以看出，当金属纳米球阵列中纳米球的半径为80～140nm，且阵列中相邻的两个金属纳米球球心之间的距离为290～600nm时，本发明所提供的光电探测器在探测波段中最大吸收峰的半峰宽不超过93nm，相较于现有的超过100nm具有显著的下降。当纳米球的半径为120～140nm(实施例1、4)以及相邻两个金属球球心之间距离为300～400nm(实施例1、5)时，光电探测器最大吸收峰的半峰宽进一步缩小为60nm左右，最小可以达到47nm。当光电探测器中绝缘介质层的厚度为本发明优选的10～50nm时(实施例1、8～11)，光电探测器在最大吸收波长处的吸收强度更大，具有较好的探测性能。当金属纳米球阵列中的纳米球半径以及纳米球球心之间的距离太小时(对比例1～2)，所得光电探测器在探测波长处的吸收峰半峰宽过大，不具有特定探测能力。
[0103]
图1为本发明所提供的光电探测器的结构示意图，其中1为衬底，2为金属反射层，3为绝缘介质层，4为金属纳米结构阵列，5为ws2二维材料层，6为电极。
[0104]
图2为本发明所提供的光电探测器的制备流程图。
[0105]
图3为本发明实施例1～4与对比例1所提供光电探测器的吸收光谱图。从图3中可以看出，随着纳米球半径逐渐从80nm增大到140nm，光电探测器的最大吸收峰不断红移，这是因为金属纳米球表面等离激元需要传播的路径越来越长。但当纳米球半径过小、小至40nm时，光电探测器中甚至没有最大吸收峰。
[0106]
图4为实施例1所提供光电探测器绝缘介质层和ws2二维材料层之间纳米球阵列的示意图。
[0107]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光电探测器，其特征在于，所述光电探测器的结构自下而上依次包括衬底、金属反射层、绝缘介质层、金属纳米球阵列、ws2二维材料层和电极；所述金属纳米球阵列由半径为80～140nm的金属纳米球依次等距排布形成，其中相邻的两个金属纳米球，球心之间的距离为290～600nm。2.如权利要求1所述光电探测器，其特征在于，所述金属纳米球阵列中相邻的两个金属纳米球，球心之间的距离为300～400nm。3.如权利要求1所述光电探测器，其特征在于，所述金属纳米球阵列中纳米球的半径为120～140nm。4.如权利要求1所述光电探测器，其特征在于，所述ws2二维材料层的厚度为0.5～1.0nm。5.如权利要求1所述光电探测器，其特征在于，所述金属反射层的厚度为140～160nm。6.如权利要求1所述光电探测器，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度为5～70nm。7.如权利要求6所述光电探测器，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度为10～50nm。8.一种权利要求1～7任一项所述光电探测器的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：s1.在衬底上沉积金属反射层、绝缘介质层和金属纳米结构阵列；s2.在金属纳米结构阵列表面覆盖ws2二维材料层；s3.通过微纳加工工艺在ws2二维材料层上制作电极，即可得到光电探测器。9.一种权利要求1～7任一项所述光电探测器在光电探测方面的应用。10.如权利要求9所述光电探测器在光电探测方面的应用，其特征在于，所述光电探测方面的应用具体为探测波长为550～800nm的光信号。

技术总结
本发明公开了一种光电探测器及其制备方法和应用。本发明所提供的光电探测器，具体结构为自下而上依次包括衬底、金属反射层、绝缘介质层、金属纳米球阵列、WS2二维材料层和电极，且金属纳米球阵列由半径为80～140nm的金属纳米球依次等距排布形成，其中相邻的两个金属纳米球，球心之间的距离为290～600nm。具有特定尺寸和排布方式的金属纳米球阵列，能够对特定频率的外界光场产生响应并放大WS2所产生的电信号，当金属纳米球阵列能够响应的光场频率与WS2的特征吸收频率一致时，本发明所提供的光电探测器在探测波段的吸收峰具有更小的半峰宽。半峰宽。半峰宽。


技术研发人员：殷千禧 吴子峤 董华锋 薛建材 吴福根
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/9/14