[发明专利]基于二硫化钼/锗异质结的PIN型光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于二硫化钼/锗异质结的PIN型光电探测器及其制备方法，该探测器包括依次设置的Si衬底、SiO₂氧化层和P‑Ge层，其中，SiO₂氧化层上表面还设置有P+Ge层，P+Ge层设置在P‑Ge层的侧面；P‑Ge层上表面中间部分覆盖有本征Ge层，P+Ge层上表面均设置有阳极，本征Ge层上表面覆盖有MoS₂薄膜层；MoS₂薄膜层上表面设置有阴极，P+Ge层与阳极形成欧姆接触，MoS₂薄膜层与阴极形成欧姆接触，MoS₂薄膜层与本征Ge层形成异质结结构。通过控制PIN结构中本征Ge层的厚度可极大提高器件的频率响应和频率响应速度，能够实现器件的宽光谱、高灵敏和高响应速度。

技术领域

本发明属于半导体光电探测器技术领域，具体涉及一种基于二硫化钼/锗异质结的PIN型光电探测器及其制备方法。

背景技术

科技随着时代发展倍道而进，“智能化”的概念开始渗入人们日常生活中的方方面面。而光电探测器作为智能化事物感知能力的核心技术，是智能化事物的眼睛，具有非常重要的地位。经过半个世纪的不断改良，具有加工工艺成熟、材料质量高和成本低等诸多优势的硅基光电探测器已然占据了市场主额。然而，Si材料1.12eV的禁带宽度限制着Si基光电探测器在红外波段的探测能力。为了解决这个问题，人们利用Ge在室温下禁带宽度只有0.66eV的特性，制备了可探测近红外光的Ge-on-Si雪崩光电二极管(APD)。这种APD理论上可以获得无限大的增益，也与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相兼容。

然而Ge材料较窄的禁带宽度在为光电探测器带来响应红外光能力的同时，也会带来较大的暗电流；同时Ge和Si之间4.2%的晶格失配，会使得Si基外延Ge中存在大量的线位错(TDs)，这同样会导致器件的暗电流增大。其次是以碲镉汞(HgCdTe)为代表的第二代红外焦平面探测器也可以解决Si对红外光不响应的问题，然而HgCdTe材料缺陷密度高、成品率低、生长难度高、热稳定性差，在实际使用中受到了极大的限制。

随着自动驾驶汽车、智能机器人、无人机以及可穿戴电子等新型领域的快速发展，对光电探测器的轻量化、非致冷甚至机械柔性有了更高的要求，这使得传统光电探测器出现了发展瓶颈。2004年石墨烯的问世打破了这个僵局，具有高吸光性、高载流子迁移率、超薄厚度的二维层状材料在光电子学领域备受关注。二硫化钼(MoS₂)作为被研究最多的二维材料之一，具有稳定且优异的电学、光学特性，禁带宽度随着层数的增加而减小等特性，尤其是在可见光范围内具有5%~10%的高吸光性，这使得MoS₂成为光电探测器中非常重要的吸光材料之一。

基于MoS₂的优点，近年来有人提出一种响应度高达880A/W的MoS₂光电场效应管，在栅压等于-70V时具有极低的等效噪声功率，但如此高的栅压必然带来极大的功耗；同时其响应时间约为9s，极大限制了该器件进一步的应用。还有人使用黑磷(BP)和MoS₂构建了一种完全垂直的范德华异质结，利用BP的材料特性可以实现宽光谱探测，但是BP层在空气中易于氧化导致器件寿命普遍较短。然而能检测宽光谱的光电探测器是光电子学的核心，这环境探测等领域均有重要意义，因此提高MoS₂光电探测器的灵敏度、扩宽其响应波段具有非常重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于二硫化钼/锗异质结的PIN型光电探测器及其制备方法，突破了二硫化钼光电探测器噪声电流大且不能响应红外光的问题。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种基于二硫化钼/锗异质结的PIN型光电探测器，包括自下而上依次设置的Si衬底、SiO₂氧化层和P-Ge层，其中，