[发明专利]一种基于光学微带天线非对称集成的二维材料探测器

说明书

本发明公开了一种基于光学微带天线非对称集成的二维材料探测器，其结构包括金属反射面、介质间隔层、二维活性材料层，以及顶层源电极和金属栅条集成的漏电极。金属‑二维活性光敏材料‑金属光探测结构的自驱动响应来自二维材料与金属接触之间的肖特基结，光学微带天线的非对称集成打破对称性，通过光学微带天线的高效耦合与光场局域实现二维材料接触结区光吸收大幅增强，同时延长接触结的边界，而在另一电极处的二维材料的光吸收受到距离很近的金属底面的抑制，两个电极附近的光响应对比度高达一百多倍。在泛光照射下，光学微带天线集成二维材料的响应率比传统金属光栅集成二维材料的响应率高出一个数量级以上。

技术领域

本发明涉及一种基于光学微带天线非对称集成的二维材料探测器，具体是指一种实现自驱动光响应增强的基于光学微带天线非对称集成的二维材料探测器及设计方法。

背景技术

目前光电探测器广泛应用于光纤通信、光学成像、遥感、以及生物医学分析系统，在日常生活中已成为必不可少的一部分。然而，在众多光电探测器中，每个探测器必须满足一定的要求，才能有针对性的在相关工业以及研究中应用。由于工作波段需求不同，必须仔细选择用于制造光电探测器的半导体材料的能量带隙来匹配相应工作波长。在过去的十年里，新兴的二维层状材料促进了对新型光电探测器的研究。不同的二维材料通常具有不同带隙，从而覆盖了目前传统块状半导体材料所不能达到的几乎所有感兴趣的波长。二维材料超薄的厚度使其静电调控的效果突出，局域栅压能够耗尽绝大多数本征载流子，抑制暗电流。另外，二维材料能够与绝大多数衬底以及其它二维材料进行集成和堆叠，而不用考虑传统材料晶格匹配的苛刻限制。再加上其制造工艺与目前的半导体技术兼容，二维材料在光电探测器中具有很大的应用前景。

针对基于无线传感器网络的室外环境监控探测、可穿戴医疗监测众多应用，为每个设备提供电源是不切实际的，这些只适用于自驱动或超低功耗光电探测器。为了实现自驱动光探测器，提出了各种器件结构，其中研究最多的是基于pn结的光伏器件，因为它可以在不受偏压的状态下通过光伏效应产生自驱动的光电流。对于二维材料，由于到目前为止还没有可靠的掺杂方法，人们或是采用二维材料异质结，或是在沟道中引入双栅结构，对沟道的不同部分分别进行p型或n型的静电掺杂，以获得二维材料的pn结。前者的问题是二维材料异质结受到异质材料不同能带结构以及界面的影响较大，情况复杂，对于载流子的输运特性的有效控制具有一定难度。后者的问题是双栅结构的制备工艺复杂，样品成功率低。金属与二维材料接触能够产生类似肖特基结，也能够分离电子和空穴形成自驱动光响应。但通常的金属-二维材料-金属的器件结构由于具有对称出现的金属-二维材料结，两端产生的自驱动光响应相互抵消，在泛光照射下没有净响应。引入不同的异种金属电极来获得不同的肖特基势垒高度能够获得泛光照射下的自驱动的净响应。然而，异种金属结构需要额外的套刻、沉积、剥离等工艺，流程复杂且容易对二维材料造成污染和损伤，降低器件成功率。因此，发展一种简便、可靠的具有自驱动光响应的二维材料的光电探测器具有重要意义。非对称集成的微纳光学结构能够打破两端金属-二维材料结的对称性，给我们提供了新的思路。另一方面，二维材料超薄的厚度导致其光吸收率较低；很多光被反射或者透射，没有被吸收。因此，非对称集成的微纳光学结构在打破对称性的同时也需要增强二维材料的光吸收。综合以上因素，非对称集成的光学微带天线是一个非常有希望的候选。通过光学微带天线与一端电极融合，利用高效耦合与光场局域实现该电极-二维材料接触结区光吸收显著增强，同时延长接触结的边界，提高光电流接收效率；而在另一电极-二维材料接触结区，利用距离很近的金属底面大幅抑制光吸收，实现两个电极-二维材料接触器的光响应的巨大差异，从而构建出具有显著自驱动光响应的二维材料光探测器件。

发明内容

本文发明的目的在于提出了一种实现自驱动光响应增强的基于光学微带天线非对称集成的二维材料探测器及设计方法，突破经典的金属-石墨烯-金属光电探测器件在泛光照射下没有净的自驱动光响应，以及石墨烯光吸收率低的瓶颈问题。