[发明专利]基于BP材料的光电探测器及其制备方法

权利要求书

1.基于BP材料的光电探测器，其特征在于：所述光电探测器是基于纳米级等离子体光栅结构的20层黑磷光电探测器，包括衬底层(4)、钝化层(3)、吸收层(2)及LSPR效应层(1)；LSPR效应层(1)、吸收层(2)和钝化层(3)在衬底层上依次由上至下竖直分布，从而形成由上而下的多层结构；其中LSPR层(1)采用金属Al材料、吸收层(2)采用二维黑磷材料、钝化层(3)采用二氧化硅材料，衬底层(4)采用Si材料，器件的源漏采用金，从而在光学吸收层Al与黑磷界面形成强烈的LSPR效应。

2.如权利要求1所述的基于BP材料的光电探测器，其特征在于：所述光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)利用等离子增强化学气相淀积工艺，在Si衬底层(4)上生长SiO₂材料，形成钝化层(3)，厚度为200nm；

2)利用化学气相淀积工艺，在SiO₂钝化层(3)上生长BP材料，形成吸收层(2)，BP的厚度为11.5nm；

3)利用等离子体增强原子层淀积工艺，在BP吸收层(2)上生长Al材料，形成顶部LSPR效应层(1)；

4)利用刻蚀工艺，将顶部LSPR效应层(1)进行刻蚀，形成周期性图案分布的条状层；

5)利用真空蒸镀金属薄膜工艺，在黑磷及吸收层(2)旁淀积金材料，形成源漏。

3.如权利要求2所述的基于BP材料的光电探测器，其特征在于：所述步骤2)的化学气相淀积工艺，以红磷作为蒸发源，锡(Sn)和四碘化锡(SnI₄)作为矿化剂，在压力维持在27.2个大气压条件下，生长BP材料。

4.如权利要求2所述的基于BP材料的光电探测器，其特征在于：所述步骤3)的等离体增强原子层淀积工艺，以金属Al蒸汽作为前驱物，等离子体活化氢作为还原剂，纯度为99.999％的氢气与纯度99.999％氦气混合来保证等离子点火；淀积过程中，压力和温度分别在5-8毫巴和120-150摄氏度之间，等离子体通过13.56MHz的射频功率来形成；在上述条件下，生长一层金属Al材料。

5.如权利要求2所述的基于BP材料的光电探测器，其特征在于：所述步骤4)的刻蚀工艺，以Fe³⁺作为刻蚀剂，结合S₂O₃^2-与Cl，在掩模版的掩蔽下，对顶部LSPR效应层(1)进行周刻蚀，形成周期性图案排列的条状层。

6.如权利要求1、2所述的基于BP材料的光电探测器，其特征在于：BP光电探测器在9.8μm处显示出60.94A/W的响应度，其截止波长可以扩展到中红外范围，在1V的源-漏极偏压下实现了较低的暗电流。

7.如权利要求1、2所述的基于BP材料的光电探测器，其特征在于：BP光电探测器的场效应迁移率为206cm²V^-1s^-1，高于报道的黑磷光电晶体管。

8.如权利要求1、2所述的基于BP材料的光电探测器，其特征在于：在可见光范围内，具有纳米级等离子体光栅结构的BP光电探测器的响应性随着波长的增加而缓慢增加，然后在达到峰值后逐渐减小，当波长为9.8μm时，响应度高达60.94A/W.对于整个电信窗口，BP光电探测器的响应度比Ge或GeSn光电探测器的响应度高两个级别。

9.如权利要求1、2所述的基于BP材料的光电探测器，其特征在于：当波长为6.5μm时，BP光电探测器吸收系数可达到3241cm^-1的峰值；考虑到截止波长，对于20层BP，截止波长为13μm；20层BP的截止波长红移，可进一步扩展到远红外线(FIR)波段范围。

10.如权利要求1、2所述的基于BP材料的光电探测器，其特征在于：当光栅宽度为160nm时，BP光电探测器获得最大吸收峰；当光栅高度为5nm时，BP光电探测器电场强度可达到最大值。