[发明专利]一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法

说明书

本发明涉及光电探测技术领域，且公开了一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，包括衬底和所述衬底的顶部固定安装有与底栅电极顶部连接的介质层。因为N型半导体MoS₂、P型有机半导体薄膜材料和石墨烯薄膜在可见光波段到近红外波段有直接吸收保障器件宽光谱探测；而N型半导体MoS₂具有较大电阻有效抑制器件暗电流，同时N型半导体MoS₂与P型有机半导体薄膜材料形成的异质结区能够有效分离光生载流子，从而实现器件高响应率，而表面层石墨烯作为高速透明电荷传输通道提高器件响应速度，从而本发明中光电器件相比已有MoS₂光电探测器具有响应波段宽、响应率高、响应速度较快等特点。

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体为一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法。

背景技术

多年来，块体形式过渡金属硫化物(TMDCs)的性质已经被广泛的研究，而二维TMDCs的制备也从Frindt和Yoffe在1963年的开创性工作就开始了。单层二硫化钼(MoS2)的结构和光学性质在20世纪80年代就被研究过了，但是，随着石墨烯引发的研究热潮，对其他二维材料的研究才得以恢复。现在无可争议的是这些二维材料在光电探测领域有着巨大的潜力。

与传统直接带隙的半导体相比，TMDCs因它们的机械柔软性和易加工性，可以在光电子学领域带来更多的优势。TMDCs的性质很大程度上取决于他们的厚度，例如块体二硫化钼有着1.3eV的间接带隙，而单层二硫化钼却具有1.8eV的直接带隙。这一改变带来了光学性质上的变化，例如光学吸收谱和光致发光特性上的改变。在文献中，与块体二硫化钼相比，单层硫化钼发光量子效率取得了1000倍的增强，通过改变层数来调节带隙的能力使得TMDCs可以应对不同波段的光探测，然而这些器件也有局限性，那就是吸收带窄、可选材料较少、生产成本高，而有机半导体材料在近些年被广泛研究与应用在提高太阳能电池效率的领域里，他们有很多优势，比如造价低廉、使用简单、高的光吸收率，但是由于其能带宽度的限制，他们的吸收光谱也被限制在可见光波段。

发明内容

(一)解决的技术问题

目前关于MoS2和小分子有机物的范德瓦尔斯异质结光电探测器较少，而二硫化钼具有高开关比的优势，但是缺点是响应速度较慢，本发明中将二硫化钼与高灵敏度和响应速度的有机小分子组合成范德瓦尔斯异质结有良好的互补作用，在光电子领域有较好的前景。

(二)技术方案

为实现上述的目的，本发明提供如下技术方案：一种范德瓦尔斯异质结型光电探测器及制备方法，包括衬底和所述衬底的顶部固定安装有与底栅电极顶部连接的介质层，而所述介质层的顶部固定安装有一侧位于P型有机半导体薄膜材料内部的N型半导体MoS₂，且另一侧位于P型有机半导体薄膜材料的外部，所述P型有机半导体薄膜材料的上表面固定安装有石墨烯，所述N型半导体MoS₂和石墨烯的顶部分别固定安装有金属电极，从而构成了本装置的结构。

优选的，所述N型半导体MoS₂的层数数量为单层、双层或多层，根据生产需要选择，且所述N型半导体MoS₂的厚度大小低于10nm，而所述P型有机半导体薄膜材料的厚度大小在5nm于20nm之间。

优选的，所述石墨烯是烯附着P型有机半导体薄膜材料的上表面，用于增加了光激发载流子的收集与传输速度。

优选的，所述底栅电极、介质层、N型半导体MoS₂、P型有机半导体薄膜材料、石墨烯和金属电极共同构成场效应管结构，通过对所述底栅电极电压的调节可以使得N型半导体MoS₂和P型有机半导体薄膜材料的势垒高度会升高或者降低，从而使得光电流的大小发生变化。

优选的，所述N型半导体MoS₂和P型有机半导体薄膜材料组成的异质结有效分离光生载流子，用于提高探测器外量子效率。