[发明专利]一种基于γ-InSe/Ge混维异质结的光电二极管及其制备方法和应用

说明书

本发明属于宽谱偏振光探测领域，公开了一种基于γ‑InSe/Ge混维异质结的光电二极管及其制备方法和应用，所述混维异质结的光电二极管的结构为漏电极/InSe/Ge垂直异质结/源电极；该光电二极管是先在Ge衬底上沉积SiOsubgt;2/subgt;介质层，利用光刻和刻蚀在SiOsubgt;2/subgt;介质层上获得Ge窗口，随后光刻显影出电极图案并沉积金属得到源电极和漏电极，再将InSe纳米片转移至Ge窗口上形成InSe/Ge混维异质结，在惰性气体中100～150℃退火处理制得。该光电二极管在400～1600nm波长内具有优异的自驱动光响应和宽波段偏振光探测的性能，可用于超快宽谱探测，偏振光探测和近红外成像等领域。

技术领域

本发明属于混维范德瓦尔斯异质结宽波段偏振灵敏光探测技术领域，更具体地，涉及一种基于γ-InSe/Ge混维异质结的光电二极管及其制备方法和应用。

背景技术

二维材料由于其独特的物理特性，很快在光电子器件领域很快成为焦点之一。有一种材料只有几个原子厚度，几乎与石墨烯一样薄，拥有比硅更优异的电学性能，被证明是用于太阳能转换的优异选择。层状IIIA-VIA族半导体InSe具有极大的超高载流子迁移率，强大的电传输特性，和宽吸收光谱。它已相应地被纳入各种功能器件，如纳米电子器件、光电器件和存储器件。由于其层间较弱的范德瓦尔斯相互作用，InSe可以沿c方向以不同的序列堆叠。形成三种晶体结构，六方β-InSe，ε-InSe呈现AB堆积，而菱面体γ-InSe呈现ABC堆积。γ-InSe的带隙取决于层数，在体γ-InSe中直接带隙为1.26eV，而间接带隙为2.11eV，直到单层极限。此外，镜面对称存在于单层InSe中，而反转对称存在于少数层中，产生非线性光学现象，如二次谐波产生。

基于γ-InSe的光电器件有很多，有基于单一材料制备的，虽然光响应较快，但需要额外的电压，例如，根据之前的研究表明，γ-InSe是一种具有各向异性的二维材料，具有打破反转对称性和方向依赖性。γ-InSe可以吸收从可见光到近红外光的宽带光谱，其载流子迁移率高达221cm²V^-1s^-1。基于γ-InSe的器件在1V偏压下可以表现出高达127A/W的光响应度和10⁴％的外部量子效率，光电流分色比为2.06，由此可知，二维材料的载流子寿命短和光吸收的限制。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种γ-InSe/Ge混维异质结光电二极管。该光电二极管是将γ-InSe纳米片和三维Ge结合，组成InSe/Ge混维异质结的P-N光电二极管。在p-Ge和n-InSe界面处形成内建电场，构成II型能带排列，从而可以抑制暗电流并加速光生载流子的分离。基于γ-InSe/Ge异质结的光电探测器呈现出偏振敏感、宽谱响应和高性能自供电光电探测的优势，具有良好的可见-近红外光探测能力、良好的空气稳定性，并在1550nm波长下具有高光灵敏度(9.8A/W)、快速响应时间(25μs-30μs)和高比探测率(5.38×10¹¹Jones)。

本发明的另一目的在于提供上述γ-InSe/Ge异质结光电二极管的制备方法。该方法是将机械剥离的γ-InSe纳米片依次通过PVA干法转移到Ge基底上形成范德瓦尔斯异质结，并利用光刻蒸镀技术制备成光电晶体管。克服了二维材料的载流子寿命短和光吸收的限制，二维材料和传统半导体材料组成混维异质结。在这些异质结中，光吸收主要发生在半导体材料中，而二维材料通常作为光载流子分离和传输的活性层，而且这些异质结的结构简单易于制备。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：