[发明专利]基于BP材料的光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于BP材料的光电探测器，包括：衬底层、钝化层、吸收层及LSPR效应层；LSPR效应层、吸收层和钝化层在衬底层上依次由上至下竖直分布，其特征在于：LSPR层采用金属Al材料、吸收层采用二维黑磷材料、钝化层采用二氧化硅材料及衬底层采用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。本发明光电探测器具有超强吸收的结构，可增强光吸收和响应度能力，为有效提高BP光电探测性能铺平了道路。

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及基于纳米级等离子体光栅结构的20层黑磷光电探测器。

背景技术

近年来，原子级超薄的二维材料，例如过渡金属二硫属化物(TMDCs)，石墨烯和黑磷(BP)由于其独特的物理性质而受到了广泛关注。由于它们的厚度很薄，它们具有新颖的光学，电学，机械和热学性质。二维材料成为一种新的材料，可以在超紧凑的尺寸中实现新颖的光子和电子特性。在这些二维材料中，因为层状黑磷在电子和光电子学中具有广阔的应用前景，目前正在被深入的研究。与其他二维材料相比，黑磷表现出更强的层间相互作用，更高的载流子迁移率和更窄的带隙。此外，黑磷具有直接带隙，从单层到块状，其带隙范围为0.3eV至2eV。因此，多层黑磷可以允许在整个可见光谱，如中红外(MIR)和远红外(FIR)的宽光谱中进行光检测。最近黑磷已经实现了很多有前景的应用，包括场效应晶体管，异质结p-n二极管，光电器件和光电探测器。

然而，基于二维材料的光学电子器件由于其固有的原子级薄的厚度而表现出有限的光吸收。为了增强二维材料的光与物质间的相互作用，已经提出了几种光捕获策略，如集成波导，衍射光栅，折叠配置，直接耦合谐振器和等离子体纳米结构。例如，Wang的研究小组展示了一种高响应性的石墨烯/硅异质结构波导光电探测器。波导可以吸收瞬逝光，从而产生高吸收。根据Seungbum Rim的研究，引入了薄膜太阳能电池的有效光捕获配置，通过利用V形光捕获配置，其显着增加光电流产生效率，实现52％的吸收光子转换成光电流的效率。在这些方法中，由于工艺方便和小的器件占用面积，等离子体纳米结构对光增强非常有潜力。通过引入等离子体纳米结构，由这种纳米结构吸收的入射光可以在共振波长下有效地转换成等离子体振荡，这导致局部电场的显著增强。局部表面等离子体共振(LSPR)将在金属纳米结构中被激发，这是一种在吸收光谱中产生强吸收峰的效应，以及围绕纳米结构的局部电场的强烈增强。当光束照射金属纳米结构时，如果入射光子频率与金属纳米结构的振动频率匹配，则纳米结构将对光子能量具有强吸收效应，并且将发生局部表面等离子体共振。等离子体纳米结构可以有效地利用LSPR特性，由此可以开发出一种新方法来实现超薄二维材料的吸收增强。

已知等离子体纳米结构通常可分为许多不同的形状，例如纳米颗粒，纳米级光栅，多孔薄膜等。以前的工作已经证明了不同形状的等离子体纳米结构对作为活性层的二维材料的光物质相互作用的影响。例如，通过将石墨烯与金纳米颗粒耦合来表征等离子共振增强多色光电探测器。该光电探测器的外部量子效率可提高至1500％。对比几种不同的等离子体纳米结构，包括纳米颗粒和光栅。在这些纳米结构中，光栅结构表现出最佳性能。因此，在我们的研究中，等离子体纳米结构选择光栅结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于BP材料的光电探测器及其制备方法，本发明光电探测器具有超吸收结构，可增强光吸收和响应度能力，为有效提高黑磷光电探测性能提升了希望。

本发明技术原理