一种基于二维材料的光电探测器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于二维材料的光电探测器及其制备方法 (Photoelectric detector based on two-dimensional material and preparation method thereof ) 是由 吴章婷 曾培宇 汪曾达 张阳 郑鹏 郑梁 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于二维半导体的光电探测器及其制备方法,至少包括衬底层、设置在该衬底层上的绝缘层、在该绝缘层上形成的异质结构以及分别与该异质结构源极和漏极相连接的电极,其中,所述异质结构至少包括二硒化钨层、石墨烯层和二硫化铼层,所述二硒化钨层、石墨烯层和二硫化铼层形成的接触均为范德瓦尔斯接触,三者的堆叠构成异质结；所述二硒化钨层位于底层,完全与绝缘层接触；所述石墨烯层置于中间层,所述二硫化铼层置于顶层,所述二硒化钨层和二硫化铼层经石墨烯层隔离而相互不接触。采用本发明的技术方案,能够实现高灵敏、宽波段和极化敏感的光波探测。(The invention discloses a photoelectric detector based on a two-dimensional semiconductor and a preparation method thereof, and the photoelectric detector at least comprises a substrate layer, an insulating layer arranged on the substrate layer, a heterostructure formed on the insulating layer and electrodes connected with a source electrode and a drain electrode of the heterostructure respectively, wherein the heterostructure at least comprises a tungsten diselenide layer, a graphene layer and a rhenium disulfide layer, contacts formed by the tungsten diselenide layer, the graphene layer and the rhenium disulfide layer are Van der Waals contacts, and the three layers are stacked to form a heterojunction; the tungsten diselenide layer is positioned on the bottom layer and is completely contacted with the insulating layer; the intermediate level is placed in to graphite alkene layer, the top layer is placed in to the rhenium disulfide layer, tungsten diselenide layer and rhenium disulfide layer are kept apart through graphite alkene layer and are not contacted each other. By adopting the technical scheme of the invention, high-sensitivity broadband and polarization-sensitive optical wave detection can be realized.)
技术领域
本发明涉及光电子功能器件领域，具体为一种基于二维半导体的高灵敏宽波段的光电探测器及其制备方法。
背景技术
从2004年石墨烯被发现以来,具有层状结构的二维材料(如石墨烯、六方氮化硼(h-BN)、过渡金属二硫族化合物(TMDs)、黑磷(BP)等)逐渐进入人们的视野,其较于体材料往往显示出独特的性质。然而，单一的二维材料在应用时往往存在一定的局限，例如，绝缘层与石墨烯或TMDs之间的电荷陷阱会严重影响优异电学性质的展现，h-BN带隙过宽(约5.97eV)难以单独应用于器件中，裸露的BP在空气中易被氧化导致其性能衰减。为了深入研究材料本征性质并扩展其应用领域，研究者将目光放在了二维材料异质结上。二维材料异质结是由二维材料通过面内拼接或层间堆叠形成，主要包括石墨烯/h-BN异质结、TMDs/h-BN异质结、TMDs/石墨烯异质结以及TMDs/TMDs异质结等。垂直异质结中，石墨烯/h-BN垂直异质结主要是利用h-BN减少绝缘层与石墨烯之间的电荷陷阱,提升石墨烯中载流子的迁移率；TMDs/石墨烯垂直异质结主要结合TMDs的光响应性和石墨烯的高导电性,应用于高性能光响应器件； TMDs/TMDs垂直异质结主要是结合两种材料不同的能带结构，控制载流子传输行为、实现存储或高性能的光响应。
为了实现极化敏感的光电检测，可将各向异性材料引入异质结构。ReS2在空气中具有高度平面的各向异性和稳定性，其已经证明了在偏振敏感探测器中的应用。目前，各种异质结构光电探测器被报道，例如TMD/TMD。虽然TMD/TMD，例如WSe2/MoS2，ReS2/WSe2和MoTe2/MOS2，但是由于带隙的限制，近红外区域 (NIR)中的响应性低。
故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种基于二维半导体的光电探测器及其制备方法，实现高灵敏、宽波段和极化敏感的光波探测。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于二维半导体的光电探测器，至少包括衬底层、设置在该衬底层上的绝缘层、在该绝缘层上形成的异质结构以及分别与该异质结构源极和漏极相连接的电极，其中，所述异质结构至少包括二硒化钨层、石墨烯层和二硫化铼层，所述二硒化钨层、石墨烯层和二硫化铼层形成的接触均为范德瓦尔斯接触，三者的堆叠构成异质结；所述二硒化钨层位于底层，完全与绝缘层接触；所述石墨烯层置于中间层，所述二硫化铼层置于顶层，所述二硒化钨层和二硫化铼层经石墨烯层隔离而相互不接触。
作为进一步的改进方案，所述二硒化钨层和二硫化铼层为多层，所述石墨烯层为少层。
作为进一步的改进方案，所述二硒化钨层至少为8层以上；所述石墨烯层为2-5层。
作为进一步的改进方案，所述电极采用纯度为99.99％的Au。
作为进一步的改进方案，所述电极的厚度为100nm。
作为进一步的改进方案，所述绝缘层为SiO2绝缘层。
作为进一步的改进方案，所述绝缘层的厚度为300nm。
作为进一步的改进方案，所述衬底层采用强p型Si。
本发明还公开了一种基于二维半导体的光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：用丙酮擦拭二氧化硅片，在放置250℃加热台加热30min；
步骤S2：采用机械剥离法在SiO2衬底上获得多层WSe2；
步骤S3：利用PDMS将石墨烯转移至WSe2上；
步骤S4：在丙酮中浸泡1h，然后转至200℃99％的Ar气环境下加热1h；
步骤S5：再利用PDMS将多层ReS2转移至石墨烯，并重复步骤S4；
步骤S6：在光学显微镜下，用钨探针把电子蒸镀所获得的100nm Au电极转移器件上，作为源极和漏极；
步骤S7：将所制得的器件经过200℃99％的Ar气环境下加热1h，得到光电探测器。
作为进一步的改进方案，所制备的光电探测器的底层为p型二维半导体 WSe2，顶层为n型二维半导体ReS2,在空间上形成一个内建电场；光照时，WSe2、 Gr和ReS2中的光生载流子迅速分离。
与现有技术相比较，本发明采用三种不同材料堆叠而形成异质结，上下层不同型半导体材料，中间为零带隙或窄带隙的材料，且上下层中的材料存在各项异性特征。所制备的ReS2/Graphene/WSe2光电探测器能够实现高灵敏、宽波段和极化敏感的光波探测。
附图说明
图1为本发明ReS2/Gr/WSe2异质结结构图，其中：1为硅衬底座；2为绝缘层；3为电极；4为二硒化钨层；5为石墨烯层；6为二硫化铼层；
图2为所制得的ReS2/Gr/WSe2异质结光探测器的光学图片；
图3为本发明光探测器在不同栅压下的输出曲线；
图4为本发明光探测器光响应随光偏振方向的变化；
图5为本发明光探测器的开关特性；
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
申请人在研究中发现，通过堆叠n型TMD，石墨烯和p型TMD来制造 TMD/Graphene/TMD，将零带隙的石墨烯作为宽带光吸收引入，可有效提高在近红外的响应度。然而，光电检测的性能还有待进一步提高。
针对上述技术问题，本发明提供一种基于二维半导体的光电探测器，至少包括衬底层(1)、设置在该衬底层(1)上的绝缘层(2)、在该绝缘层(2)上形成的异质结构以及分别与该异质结构源极和漏极相连接的电极(3)，其中，所述异质结构至少包括二硒化钨层(4)、石墨烯层(5)和二硫化铼层(6)，所述二硒化钨层(4)、石墨烯层(5)和二硫化铼层(6)形成的接触均为范德瓦尔斯接触，三者的堆叠构成异质结；所述二硒化钨层(4)位于底层，完全与绝缘层(2)接触；所述石墨烯层(5)置于中间层，所述二硫化铼层(6) 置于顶层，所述二硒化钨层(4)和二硫化铼层(6)经石墨烯层(5)隔离而相互不接触。
作为进一步的改进方案，二硒化钨层(4)和二硫化铼层(6)为多层，所述石墨烯层(5)为少层。
作为进一步的改进方案，二硒化钨层(4)至少为8层以上；所述石墨烯层(5)为2-5层。
作为进一步的改进方案，电极(3)采用纯度为99.99％的Au。
作为进一步的改进方案，绝缘层(2)为SiO2绝缘层。
作为进一步的改进方案，衬底层(1)采用强p型Si。
采用上述技术方案，所形成的ReS2/Graphene(Gr)/WSe2异质结具有如下技术效果：
1.ReS2具有高度平面的各向异性，对于不同方向的偏振光有着不同的光响应。它这种特性被保留在ReS2/Gr/WSe2异质结中，其结果是该异质结对光的极化敏感。
2.底层p型二维半导体WSe2，顶层n型二维半导体ReS2,在空间上形成一个内建电场。由于内建电场的存在，使得光照情况下WSe2、Gr和ReS2中的光生载流子会迅速分离，进而得到高的灵敏度。同时，内建电场的作用和异质结的自身特性，能大大压制暗电流、提高探测率。
3.采用多层ReS2和WSe2，是因为多层能增加光吸收，而少层Gr的采用是由于少层Gr易获得且其拥有零带隙的能带特性。
4.带隙大约为1.45eV和1.25eV的ReS2和WSe2能对可见光进行吸收，发生光生载流子提高光响应。对于零带隙的Gr,它的光吸收范围很广，可从可见波段到红外波段。所以，ReS2/Gr/WSe2异质结从可见光到红外光均有光响应，证明它有拥有宽波段的光探测，其中ReS2、Gr和WSe2对可见光响应均有贡献，在红外波段只有Gr有贡献。
本发明还公开了一种基于二维半导体的光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：用丙酮擦拭二氧化硅片，在放置250℃加热台加热30min；
步骤S2：采用机械剥离法在SiO2衬底上获得多层WSe2；
步骤S3：利用PDMS将石墨烯转移至WSe2上；
步骤S4：在丙酮中浸泡1h，然后转至200℃99％的Ar气环境下加热1h；
步骤S5：再利用PDMS将多层ReS2转移至石墨烯，并重复步骤S4；
步骤S6：在光学显微镜下，用钨探针把电子蒸镀所获得的100nm Au电极转移器件上，作为源极和漏极；
步骤S7：将所制得的器件经过200℃99％的Ar气环境下加热1h，得到光电探测器。
该光电探测器包括6部分，分别是衬底层、、金电极、二硒化钨层、石墨烯层以及二硫化铼层。硅衬底座,SiO2绝缘层的厚度为300nm，电极采用100 nm纯度为99.99％的Au，硫化铼和二硒化钨采用多层(8层以上)，石墨烯采用少层(2-5层)。其中，多层的二硒化钨位于底层，完全与SiO2衬底接触；少层的石墨烯置于中间层，多层的二硫化铼置于顶层，而且底层的二硒化钨不与顶层的二硫化铼接触。二硒化钨、石墨烯以及二硫化铼所形成的接触均为范德瓦尔斯接触，三者的堆叠构成异质结。
图2为所制得的ReS2/Gr/WSe2异质结光探测器的光学图片；图3展示了不同栅压下的输出曲线。可以看到有明显的整流效应，证明所制备的异质结内部形成一个有效的内建电场。通过转动半波片调节偏振光的方向，得到不同偏振光的光响应，如图4所示。说明了该光探测器对光的极化很敏感，可用于偏振敏感。图5中，可以看出该器件有着超快的光响应。利用响应度的表达式：其中Iph为光电流，S为探测器的面积，P为入射激光功率，可计算光电探测器的响应度。而通过外量子效率和探测率的表达式：和计算得到其外量子效率和探测率。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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