一种基于碲烯的偏振光光电探测器及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种基于碲烯的偏振光光电探测器及其制备方法和应用 () 是由 张晗 高珊 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于碲烯的偏振光光电探测器,包括衬底和设置于衬底上的碲烯层、以及设置于碲烯层上的源电极和漏电极,所述源电极与漏电极设置成通过碲烯层间接连接；所述碲烯层的厚度小于等于20nm。本发明基于碲烯的偏振光光电探测器具有高的偏振光响应差异的同时,还具有小型便携、操作方便、数据处理简易等优点。本发明还提供了基于碲烯的偏振光光电探测器的制备方法及其在偏振光探测上的应用。()
技术领域
本发明涉及半导体电子器件领域，具体涉及一种基于碲烯的偏振光光电探测器，本发明还涉及该基于碲烯的偏振光光电探测器的制备方法，本发明还涉及该基于碲烯的偏振光光电探测器在光探测领域的应用。
背景技术
各向光在传播过程中振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，偏振是光作为电磁波的重要特征之一。偏振光探测在线性偏光镜(LPL)、偏振遥感以及医疗诊断治疗等方面已展现出广泛的应用前景。
线偏振光的检验有两重含义：确定被检光是否是线偏振光和测定线偏振光的振动方向。其中，判定是否为线偏光需要根据马吕斯定律：如果被检光是线偏光，则令它通过一个主方向已知的线偏器后，应该观察到透射光强随元件主方向旋转而变化的现象；并且，当元件主方向位在某个方位时，透射光强度为零。反之，则不能观察到零透射光强。对于线偏振光振动方向的检测，通常使用两种方法：单线偏器检验与半影式检偏器。这两种方法都不是直接获取光的偏振参数的方法。
光电探测器是指利用光电导效应对特定波长或者特定波段的电磁波进行测量的装置。其探测机制是基于功能材料吸收光并将其转化成电信号。线偏振光电探测器对线偏振光的探测具有检测速度快、检测极限值低等优点。碲烯是一种新兴的二维材料，具有高载流子迁移率，并且能够在空气中稳定存在较长时间。但是，目前市面上还没有一种利用碲烯的特殊光响应功能制备的光电探测器。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于碲烯的偏振光光电探测器，本发明还提供了一种基于碲烯的偏振光光电探测器的制备方法，本发明还提供了上述基于碲烯的偏振光光电探测器在偏振光探测领域的应用。通过提供了一种新型的基于碲烯的偏振光光电探测器及其制备方法和应用，以丰富现有光电探测器的种类，为偏振光的探测提供一种快速响应、小型便携、操作方便、数据处理简易的光电探测器。
第一方面，本发明提供了一种基于碲烯的偏振光光电探测器，包括衬底和设置于衬底上的碲烯层、以及设置于碲烯层上的源电极和漏电极，所述源电极与漏电极设置成通过碲烯层间接连接；
所述碲烯层的厚度小于等于20nm。
本发明基于碲烯的偏振光光电探测器，包括衬底和设置于衬底上的碲烯层，其中碲烯层的厚度小于等于20nm，二维碲烯层内存在zigzag、armchair两个方向，在这两个方向上碲原子的排列存在结构差异，这使得由碲烯制成的光电探测器对不同偏振方向的线偏振光产生不同的光响应。利用这一特点设计的偏振光探测器，是有效获取光偏振信息的途径。碲烯层上设有源电极和漏电极，源电极与漏电极设置成通过碲烯层间接连接(指得是源电极与漏电极非直接连接，源电极与漏电极彼此隔开，无法直接电导通，而是通过碲烯层实现电导通)。当在基底上设置栅极探针时提供一个电势，二维碲烯层形成半导体沟道效应，基于二维碲烯层对不同的偏振光的不同光电响应产生不同的光电势，二维碲烯层与固定的栅极探针结合形成栅极电压，能够控制源、漏极之间的电流大小，由此获得对应于不同偏振光的不同电流大小，进而用于偏振光的探测。本发明基于碲烯的偏振光光电探测器具有高的偏振光响应差异的同时，还具有小型便携、操作方便、数据处理简易等优点。
在本发明一
具体实施方式
中，所述衬底为二氧化硅衬底，所述二氧化硅衬底的厚度为200～500nm。二氧化硅衬底起到隔离层的作用，防止栅极与源、漏电极之间导通，进而干扰电流检测。
优选的，还包括基底层，所述基底层为n型或者p型掺杂的硅制成的硅基底层。n型或者p型掺杂的硅制成的硅基底层能够增强硅基底层的电导特性，方便设置栅极，也能起到支撑探测器整体结构的作用。
优选的，所述硅基底层的厚度为300～500μm，所述硅基底层的电阻率为1～10Ω·cm。
优选的，所述源电极及漏电极均包括铬层和金层，所述铬层设于碲烯层与金层之间；
其中，所述铬层的厚度为5～10nm，所述金层的厚度为40～100nm。铬/金电极既具有较好的导电性，也具有较好的化学稳定性。
第二方面，本发明还提供了一种基于碲烯的偏振光光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
制备衬底和碲烯层：提供衬底和碲烯的乙醇分散液，将碲烯的乙醇分散液滴加到衬底上、干燥，制得衬底和碲烯层；
制备电极图案：在衬底上旋涂光刻胶PMMA、烘干，使用电子束对光刻胶进行曝光后，显影得到电极图案，所述电极图案设于碲烯层上，且电极图案用于暴露碲烯层的表面；
制备基于碲烯的偏振光光电探测器：在电极图案处沉积电极且电极与碲烯层连接，制得基于碲烯的偏振光光电探测器。
优选的，在制备衬底和碲烯层步骤中，所述衬底为二氧化硅衬底，且所述二氧化硅衬底上(此处的“上”指的是二氧化硅衬底与硅基底相互连接，并非严格的上下位置关系)设有p型或n型掺杂的硅基底；
优选的，用硅片刀将商业用标准4英寸p型或n型掺杂的单抛氧化硅片切成1×1cm2大小。后通过丙酮溶液、异丙醇溶液浸泡并分别超声2-10分钟，再用氮气吹干待用。该步骤保证衬底表面干净无异物，避免杂质影响器件性能。
优选的，用滴管取若干滴碲烯的乙醇分散液滴至二氧化硅衬底上，用氮气吹干，制得衬底和碲烯层。
优选的，在制备电极图案步骤中，在二氧化硅衬底上旋涂光刻胶PMMA，转速为300～4000转/分钟，旋涂9～60秒，转移至加热板上烘干1～5分钟，烘干温度为80～150摄氏度；
使用电子束对涂有光刻胶的二氧化硅衬底进行曝光，曝光区为选定的碲烯材料区域，后通过显影技术，实现将设计的电极图案转移到样品上。
优选的，在制备基于碲烯的偏振光光电探测器步骤中，通过热蒸镀的方法在电极图案处先后蒸镀5～10nm的铬和40～100nm的金；
将蒸镀得到的电极放入丙酮中浸泡，同时加热10～20分钟，加热温度设为30～50摄氏度，后取出样品、氮气吹干，制得基于碲烯的偏振光光电探测器。
本发明第二方面提供的基于碲烯的偏振光光电探测器的制备方法，步骤简单，成本低，可用于大规模工业化生产。该方法制得的基于碲烯的偏振光光电探测器基于二维碲烯纳米薄膜层不同偏振方向上的光电响应，能够高效检测出不同的偏振光，在偏振光探测领域具有巨大的潜在应用。
第三方面，本发明还提供了一种如本发明第一方面所述的基于碲烯的偏振光光电探测器在偏振光探测上的应用。
本发明基于碲烯的偏振光光电探测器在偏振光探测上的应用，具有响应速度快、检测限高、检测结果准确度高等优点。
本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
附图说明
为更清楚地阐述本发明的内容，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
图1为本发明一实施方式提供的基于碲烯的偏振光光电探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的基于碲烯的偏振光光电探测器的制备流程图；
图3为本发明实施例2提供的基于碲烯的偏振光光电探测器进行线偏振光探测的结果图(从上往下依次为1V、-1V、0.5V、-0.5V对应的测试曲线)。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明提供的一种基于碲烯的偏振光光电探测器，包括衬底2和设置于衬底2上的碲烯层3，以及设置于碲烯3上的源电极4和漏电极5，源电极4与漏电极5设置成通过碲烯层3间接连接。此处的间接连接指得是源电极4与漏电极5非直接连接、电导通，源电极4与漏电极5彼此隔开，无法直接电导通，而是通过碲烯层3实现电导通。其中，碲烯层的厚度小于等于20nm，属于二维碲烯层纳米半导体材料。当在衬底上设置栅极探针时提供一个电势，二维碲烯层形成半导体沟道效应，基于二维碲烯层对不同的偏振光的不同光电响应产生不同的光电势，二维碲烯层与固定的栅极探针结合形成栅极电压，能够控制源、漏极之间的电流大小，由此获得对应于不同偏振光的不同电流大小，进而用于偏振光的探测。
优选的，衬底2为二氧化硅衬底，二氧化硅衬底的厚度可以为200～500nm。
优选的，基于碲烯的偏振光光电探测器还包括基底层1，基底层1为n型或者p型掺杂的硅制成的硅基底层。
优选的，硅基底层的厚度为300～500μm，例如可以是300μm、400μm、500μm。硅基底层的电阻率为1～10Ω·cm，例如可以是1Ω·cm、3Ω·cm、5Ω·cm、7Ω·cm、8Ω·cm、10Ω·cm。
优选的，源电极4及漏电极5均包括铬层和金层，其中，铬层设于碲烯层3与金层之间。铬层的厚度为5～10nm，例如可以是5nm、7nm、9nm、10nm。金层的厚度为40～100nm，例如可以是40nm、60nm、80nm、100nm。
以下通过具体实施例详细阐述基于碲烯的偏振光光电探测器的制备过程以及制得的基于碲烯的偏振光光电探测器。
实施例1
如图2所示，一种基于碲烯的偏振光光电探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：
衬底准备：用硅片刀将商业用标准4英寸p型掺杂的单抛氧化硅片(硅部分的厚度为500um，电阻率为1～10Ω·cm，SiO2厚度为285nm)切成1×1cm2大小。后通过丙酮溶液、异丙醇溶液浸泡并分别超声5分钟，再用氮气吹干，得到硅片衬底。
样品制备：碲烯保存在乙醇溶液中，将保存在乙醇溶液中的碲烯超声1分钟后，用滴管取3滴滴至衬底准备步骤中准备好的待用硅片衬底上，并用氮气吹干。
匀胶烘干：在上述硅片衬底上方旋涂光刻胶PMMA A4，转速为750转/分钟，持续9秒；再4000转/分钟旋涂60秒，然后在加热板上烘干5分钟，烘干温度为150摄氏度。
电子束曝光与显影。使用电子束对涂有光刻胶的样品进行曝光，后通过显影技术得到所设计的电极图案。
镀膜与去金：通过热蒸镀的方法使用镀膜仪先后蒸镀10nm的铬和80nm的金。将蒸金得到的电极样品放入丙酮中浸泡，同时使用加热板对其加热15分钟，加热板温度设为50摄氏度，后取出样品，用氮气吹干待用，制得基于碲烯的偏振光光电探测器。
实施例2
基于碲烯的偏振光光电探测器进行线偏振光探测的测试方法，该方法包括以下步骤：
(1)取实施例1制作好的基于碲烯的偏振光光电探测器，在硅片的表面的一角用硅片划开二氧化硅层。
(2)使用半导体特性分析仪实施测试，将该硅片放在配套的探针平台上，通过CCD成像系统找到硅片上探测器的准确位置。
(3)操作探针平台的探针移动旋钮，使三个探针分别接触探测器的源、漏电极、以及步骤(1)中划开的二氧化硅层(作为探测器的背栅电极)。
(4)运行半导体特性分析仪测试软件，漏极探针选择电压扫描模式，扫描范围为-1V～1V,设置源极电压为0V，栅极电压为-10V。
(5)运行测试软件，得到探测器在无光条件下电学测试图。
(6)引入405nm线偏振光激光器，垂直照射在基于Te的线偏振光光电探测器上，在激光光源与光电探测器之间加入半波片，调整使得光路保持一致。在其它实施方式中，还可以选用此光电探测器有明显光响应的其它任意波长的激光。
(7)设定特定的激光功率，测试探测器在有光条件下电学测试图。
(8)旋转波片角度，分别记录当半波片旋转15°，30°，45°，60°，75°，90°，105°，120°，135°，150°，165°，180°(由物理光学知识知偏振光偏振方向对应旋转30°，60°，90°，120°，150°，180°，210°，240°，270°，300°，360°)情况下的电学测试数据。
(9)取(8)得到的测试数据，选择漏电压分别为-1V、-0.5V、0.5V、1V下的漏电流值，绘图得到该探测器对不同偏振方向的偏振光的电流响应强度图(参见图3)。
由图3知，该探测器对不同偏振方向的偏振光表现出明显不同的电流响应强度，即碲烯制成的光电探测器对不同偏振方向的线偏振光产生不同的光响应，因此该光电探测器可用于对线偏振光的检测。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。