本发明专利技术属于光电子技术领域，具体涉及一种基于超短纳米沟道/低维材料的光电探测器及其制备方法。该光电探测器包括硅基衬底、低维材料、纳米沟道、一对金属电极和薄层SiO2；从下到上依次为硅基衬底、薄层SiO2、纳米沟道和低维材料；其中，低维材料位于纳米沟道上方；一对金属电极位于纳米沟道的两侧，分别连接低维材料的两端。本发明专利技术通过构筑超短纳米沟道/低维材料混合结构，提供了一种高灵敏光电探测器，该探测器利用超短纳米沟道在增强低维材料光吸收的同时也提升电荷的收集效率，从而实现光电转换效率的提升，在可见光至红外波段范围具有良好的光电响应。良好的光电响应。良好的光电响应。
【技术实现步骤摘要】
基于超短纳米沟道/低维材料的光电探测器及其制备方法
[0001]本专利技术属于光电子
，具体涉及一种基于超短纳米沟道/低维材料的光电探测器及其制备方法。
技术介绍
[0002]光电探测器是一种把光信号转换为电信号的器件，其广泛应用于成像、通信以及生物医学等现代技术中。低维材料，包括石墨烯和过渡金属二硫化物(TMDs)；由于其独特的光学和电学特性，在发展集成光电探测器方面具有巨大的应用潜力。目前使用MoS2，MoSe2，WS2，WSe2等过渡金属二硫化物作为通道材料的光电导探测器已被广泛报道和研究，然而，受单层TMDs的光吸收和载流子传输速率的限制，沟道内的光生载流子数量和电荷收集效率不足，通常导致光响应的较低。
[0003]为解决上述问题，本领域技术人员研究出两种解决策略。一种策略是与具有小带隙的光敏材料(例如锗、量子点或其他二维材料)形成异质结，通过延长载流子寿命来增加电荷的收集效率，然而，该方法在提高光响应度的同时牺牲了响应速度。另一种策略是通过等离子体纳米结构增强光吸收；在天线、金属纳米粒子、F
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P腔和等离子体波导的辅助下，可以实现光响应度的优化。然而，这种策略主要集中在提高载流子的产生，载流子的收集效率较低。对于低载流子迁移率的材料而言，提高载流子的收集效率也同样关键。
[0004]公开号为CN111463298B的专利技术专利公开了一种半导体纳米结构光电探测器件，该光电探测器为哑铃形的一体化结构，由中间的纳米沟道和两端的能够米氏共振的天线单元构成。该光电探测器工作时，纳米沟道为感光结构，天线单元为谐振结构，探测光激发天线单元的米氏共振，光被局域至纳米沟道内部增强光吸收，产生光电流，进而实现光电探测；然而该探测器无法同时实现载流子产生和收集的增加。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种基于超短纳米沟道/低维材料的光电探测器，本专利技术通过构筑超短纳米沟道/低维材料混合结构进而形成超短纳米光电探测器，由超窄金属间隙构成的纳米沟道，一方面，自由空间光可以被束缚到纳米沟道中形成强局域场，增强与低维材料的耦合作用；另一方面，纳米沟道作为电荷传输通道，缩短其尺寸可以减少沟道内电荷的渡越时间，提高电荷收集速率和效率。本专利技术的光电探测器同时实现了载流子产生和收集的增加，器件光电转换效率得到有效提升。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]基于超短纳米沟道/低维材料的光电探测器，所述光电探测器包括硅基衬底、低维材料、纳米沟道、一对金属电极和薄层SiO2；所述光电探测器从下到上依次为硅基衬底、薄层SiO2、纳米沟道和低维材料；所述低维材料位于纳米沟道上方；所述一对金属电极位于纳米沟道的两侧，分别连接低维材料的两端。
[0008]本专利技术中超短纳米沟道/低维材料光电探测器的原理如下：
[0009]低维材料与超短金属纳米沟道接触，当低维材料为n型掺杂时，与金将形成肖特基接触。因此在纳米沟道的两侧形成两个内建电场，电场强度大小相等，方向相反。外部施加较大的电压时，原本的内建电场被抵消。入射光的光子能量大于低维材料的带隙时，光生载流子在外部电场的驱动下进行漂移。纳米沟道处激发的局域电场具有高电荷密度，能够与低维材料发生强相互作用从而提高低维材料光吸收，产生更多的电子、空穴对。另一方面，缩短沟道长度可以减小载流子的渡越时间，同时也减少了载流子间的复合几率，使得沟道两端收集到的电荷数增加。该探测器在强光或弱光照射的条件下，都具有光功率敏感性，因此可以用于光功率的传感检测。
[0010]进一步，所述低维材料为石墨烯和/或过渡金属二硫化物。
[0011]进一步，所述过渡金属二硫化物包括MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的任一种或多种。
[0012]作为优选，所述低维材料为MoS2。
[0013]进一步，所述低维材料还可以是其他半导体或狄拉克半金属材料，如铌酸锂、铟镓砷，砷化镉等与超短纳米沟道结合，同样能够实现光响应度的提升。
[0014]进一步，所述纳米沟道的宽度为2nm
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400nm。
[0015]进一步，所述金属电极材料包括金、银、铜和/或铬。
[0016]进一步，所述金属电极的材料为铬和金，所述铬的厚度为2nm
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5nm；所述金的厚度为30nm
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100nm。
[0017]作为优选，铬的厚度为2nm，金的厚度为50nm。
[0018]进一步，所述硅基衬底中，p掺杂顶部硅层的厚度为220nm，中间氧化层的厚度为2μm；将厚度为20nm的二氧化硅蒸发到顶层作为绝缘层。
[0019]本专利技术的目的之二在于提供一种目的一所述的光电探测器的制备方法。
[0020]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0021]目的一所述的光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
[0022](1)制备硅基衬底；
[0023](2)利用电子束蒸发和标准光刻工艺在步骤(1)所得硅基衬底表面沉积金属，制得金属电极；
[0024](3)采用聚焦离子束刻蚀系统制备纳米沟道；
[0025](4)CVD法生长低维材料，并利用PDMS或PMMA作为支撑层，将生长的低维材料转移到样品上；
[0026](5)通过光刻工艺对低维材料进行图案化，制得所述光电探测器。
[0027]进一步，步骤(2)中，以He束或Ga束作为离子源，通过调节蚀刻时间制备不同宽度的超短纳米沟道。
[0028]进一步，步骤(2)具体为：
[0029]1)旋涂LOR光刻胶，150℃加热10分钟；
[0030]2)旋涂S1805光刻胶，并在100℃下加热10分钟；
[0031]3)UV曝光后，使用AZ300溶液作为显影剂；
[0032]4)利用电子束分别蒸发铬和金材料；
[0033]5)使用丙酮进行金属剥离工艺；
[0034]6)用AZ400溶液去除残留的光刻胶。
[0035]进一步，步骤(3)中，镓离子束能量为30keV，孔径光阑为10μm。
[0036]进一步，步骤(4)中，所述低维材料的层数为1
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10层。
[0037]进一步，步骤(5)具体为：旋涂S1805光刻胶，并在100℃下加热10分钟。
[0038]进一步，步骤(5)中，完成图案化后，使用氧等离子体蚀刻去除多余的低维材料，并采用丙酮溶液去除光刻胶，制得所述光电探测器。
[0039]本专利技术的有益效果在于：
[0040]1.本专利技术的金纳米沟道/MoS2光电探测器同时实现了载流子产生和收集的增加，有利于提升器件光电转换效率。
[0041]2.相较于等离子体结构对某个特定波长或波段的共振吸收增强，本专利技术纳米沟道处激发的局域电场可以实现可见至红外波段的宽波段吸收增强。
[0042]3.本专利技术中，光敏材料不限于低维材料，其他半导本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于超短纳米沟道/低维材料的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括硅基衬底、低维材料、纳米沟道、一对金属电极和薄层SiO2；所述光电探测器从下到上依次为硅基衬底、薄层SiO2、纳米沟道和低维材料；所述低维材料位于纳米沟道上方；所述一对金属电极位于纳米沟道的两侧，分别连接低维材料的两端。2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述低维材料为石墨烯和/或过渡金属二硫化物。3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述纳米沟道的宽度为2nm
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400nm。4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述金属电极的材料为铬和金，所述铬的厚度为2nm
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5nm；所述金的厚度为30nm
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100nm。5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述硅基衬底中，p掺杂顶部硅层的厚度为220nm，中间氧化层的厚度为2μm；将厚度为20nm的二氧化硅蒸发到顶层作为绝缘层。6.权利要求1
...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙飞莹，聂长斌，付津滔，李庚霖，魏兴战，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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