技术领域
[0001] 本
发明属于光电领域，更具体地，涉及一种光电探测器及其制备方法和应用。
背景技术
[0002]
石墨烯的发现给理论物理学家带来了巨大的惊喜，而它在光学、电学、
力学等方面的独特性质更让我们对它情有独钟。它是目前发现的最薄并且也是最硬的
纳米材料，它的带隙为零，但对光的透射率超过97％，并且常温下它的
电子迁移率超过15000cm2V-1s-1，使得
石墨烯在高频电子器件与透明
电极等领域有着巨大的应用前景。更重要的是，石墨烯为我们快要陷入僵局的材料研究提供了一种新的思路，按照石墨烯的制作方式，研究者制作了一大批类石墨烯的二维材料，它们有着各自的优良性质，极大的弥补了石墨烯在光电领域的固有
缺陷。
[0003] 所有的二维材料都有一个共同的特点，那就是它们都是范德华层状材料，面内的
原子是通过较强的化学键相互作用的，再通过比较弱的范德华力相互作用堆叠成体材料。所以，二维材料有着很多体材料不具备的优势，具体说来，首先，由于在一个维度上的量子限制效应，使得二维材料的电子结构会发生改变，从而可以根据需要进行调整；其次，二维材料的表面几乎不存在悬挂键，可以通过范德瓦尔斯
异质结将两种甚至多种材料的性质进行结合；再次，它的体积与尺寸小，在智能穿戴、柔性衬底器件上有着不错的应用前景。在本公开中，确实用到了二维材料的优势。
[0004] 另一方面，随着集成
电路的发展，集成电路的集成度也一直按照摩尔定律飞速向前发展。然而，随着特征尺寸的不断缩小和集成度的不断增加，虽然单个晶体管的延时和功耗越来越小，但是互连线的延时和功耗却越来越大并逐渐占据主导。于是人们把目光投向了片上光互连。光互连能解决电互连固有的
瓶颈，具有高带宽、抗干扰和低功耗等优点，可用于系统芯片中时钟
信号传输，解决信号的相互干扰和时钟歪斜问题。然而，至今
硅基光互连存在着一个非常严重的缺陷，那就是片上
光源的问题，因为硅是间接禁带
半导体，
发光效率特别低，无法进行集成。所以往往需要利用光栅引入外部的光源，但这一方法必然增加了工艺的复杂度与封装的难度。
发明内容
[0005] 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了一种光电探测器。
[0006] 本发明的另一目的在于提供一种上述光电探测器的制备方法。
[0007] 本发明的再一目的在于提供一种上述光电探测器的应用。
[0008] 本发明的目的通过下述技术方案来实现：
[0009] 一种光电探测器，所述光电探测器依次包括衬底、聚酰亚胺层、二碲化钼
单层和聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层，在所述二碲化钼单层的边缘制作源电极和漏电极，在聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层上制作栅电极制得。
[0010] 优选地，所述聚酰亚胺的层厚度为1.2～1.7μm；所述聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层的厚度为290～310nm；所述二碲化钼单层的厚度为0.6～1nm。
[0012] 优选地，所述源电极和漏电极的电极材料为铬金
合金，所述栅电极的电极材料为
铝。
[0013] 优选地，所述光电探测器的探测
波长为360nm～12μm。
[0014] 所述的光电探测器的制备方法，包括如下具体步骤：
[0015] S1.在衬底上
旋涂氨酸溶液，匀胶，并在150～155℃
退火，制备聚酰亚胺层；
[0016] S2.采用机械剥离法用
胶带反复重叠，按压，撕剥二碲化钼晶体，再将胶带置于干净的
硅片上，按压后撕下，在硅片上制作二碲化钼单层；
[0017] S3.将PMMA层旋涂在二维二碲化钼单层上，在80～85℃烘干，然后将硅片置于去离子
水中，剥离下PMMA层，将二碲化钼单层移到
载玻片上，将载玻片置于S1步骤中得到聚亚酰胺层上，将二碲化钼单层转移到聚亚酰胺层上；
[0018] S4.在二碲化钼单层边缘制作源电极和漏电极；
[0019] S5.将源电极、漏电极和二碲化钼单层的上面匀胶聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层；然后在聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层上制作栅电极，制得光电探测器。
[0020] 优选地，步骤S1中所述匀胶的速率为8000～10000转/秒，所述氨酸溶液的浓度为15～20wt％，所述匀胶的时间为60～70秒，所述退火的时间为1～2h。
[0021] 优选地，步骤S3中所述PMMA层的厚度为0.5～1mm。
[0022] 所述的光电探测器在红外成像或夜景
照相机领域中的应用。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0024] 1.本发明的光电探测器利用了直接带隙的材料二碲化钼单层，使得光电探测器的灵敏度很高。
[0025] 2.相较于传统的碲镉汞红外探测器，本发明的光电探测器可以在室温下工作而无需额外的冷却装置。
[0026] 3.本发明利用了聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))的
铁电特性，扩大了光电探测器的探测范围，该光电探测器能够通过P(VDF-TrFE)和二维半导体二碲化钼的电学性质的互补，显著扩大了探测器的探测波长的范围，在响应速度、
电流增益和探测灵敏度上有很大优势，使得探测波长的范围从可见光和
近红外能够扩展到
中红外范围。
[0027] 4.本发明的工艺简单易操作，能够解决硅基片上光互连的光源问题，为进一步的芯片集成提供了可能。
附图说明
[0028] 图1为
实施例1中的光电探测器的结构示意图。
[0029] 图2为实施例2中的光电探测器的制备
流程图。
[0030] 图3为本发明光电探测器的红外发光的电子转移示意图。
具体实施方式
[0031] 下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的
试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0032] 实施例1
[0033] 一种光电探测器。如图1所示，所述光电探测器依次包括衬底11、聚酰亚胺层12、二碲化钼单层13和聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层15，在所述二碲化钼单层13的边缘制作源电极和漏电极14，在聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层15上制作栅电极16制得。
[0034] 本实施例中所述衬底11为硅材料。硅衬底下可以是硅基的耦合光栅或是硅光
波导，按设计者需要进行设计，并由硅
光子加工标准工艺制成。所述聚酰亚胺层12制备于衬底11上。该材料的主要作用是导热，因此要避免过厚。所述二碲化钼单层的厚度在1nm以下，该材料的带隙约为1.16eV，接近于硅的1.1eV，为之后向硅基电路集成提供了可能，同时二碲化钼单层又是直接带隙材料，因此它所制作的光电探测器相比于硅又有很高的灵敏度。所述的漏电极和源电极14为铬金合金其具有电导率高，容易形成欧姆
接触。所述聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))15具有良好的铁电特性，能够辅助二碲化钼单层，使得其在中红外范围有光响应。所述的栅电极为铝，其造价便宜，适合用于大面积的电极材料。
[0035] 实施例2
[0036] 图2为本发明的光电探测器的制备流程图，一种光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
[0037] 1.在衬底硅11上旋涂浓度为15％的氨酸溶液，以8000转/秒的速度匀胶70秒，并在155℃退火1h，制备聚酰亚胺层12；
[0038] 2.采用机械剥离法用胶带反复重叠，按压，撕剥二碲化钼晶体，再将胶带置于干净的硅片上，按压后撕下，在硅片上制作二碲化钼单层13；
[0039] 3.将PMMA层旋涂在二维二碲化钼单层13上，在80℃烘干，然后将硅片置于去离子水中，剥离下PMMA层，将二碲化钼单层13移到载玻片上，将载玻片置于S1步骤中得到聚亚酰胺层12上，将二碲化钼单层13转移到聚亚酰胺层12上；
[0040] 4.用
光刻法在二碲化钼单层13的边缘处蒸
镀Cr/Au合金，制作源电极和漏电极14；
[0041] 5.将源电极、漏电极14和二碲化钼单层13的上面匀胶聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层15；然后在聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层上制作栅电极16，制得光电探测器。
[0042] 所述聚酰亚胺的层厚度为1.7μm；所述聚聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层的厚度为310nm；所述二碲化钼单层的厚度为1nm，所述PMMA层的厚度为1mm。
[0043] 实施例3
[0044] 一种光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
[0045] 1.在衬底石英11上旋涂浓度为20％的氨酸溶液，以10000转/秒的速度匀胶60秒，并在150℃退火2h，制备聚酰亚胺层12；
[0046] 2.采用机械剥离法用胶带反复重叠，按压，撕剥二碲化钼晶体，再将胶带置于干净的硅片上，按压后撕下，在硅片上制作二碲化钼单层13；
[0047] 3.将PMMA层旋涂在二维二碲化钼单层13上，在85℃烘干，然后将硅片置于去离子水中，剥离下PMMA层，将二碲化钼单层13移到载玻片上，将载玻片置于S1步骤中得到聚亚酰胺层12上，将二碲化钼单层13转移到聚亚酰胺层上；
[0048] 4.用光刻法在二碲化钼单层13的边缘处蒸镀Cr/Au合金，制作源电极和漏电极14；；
[0049] 5.将源电极、漏电极14和二碲化钼单层13的上面匀胶聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层15；然后在聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层15上制作栅电极16，制得光电探测器。
[0050] 所述聚酰亚胺的层厚度为1.2μm；所述聚聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)层的厚度为290nm；所述二碲化钼单层的厚度为0.6nm，所述PMMA层的厚度为0.5mm。
[0051] 所述光电探测器的探测范围通过P(VDF-TrFE)铁电性质对于二碲化钼的辅助来实现。根据公式λ＝1.24/Eg(μm)，它的截止限应为1.24μm，本发明中的铁电材料P(VDF-TrFE)在常温下具有很好的铁电性质，利用该铁电性质，可以在有红外光照射的情况下改变二碲化钼对光的吸收情况。P(VDF-TrFE)材料在加
偏压时会产生一个逆
时针的
磁滞回环，当
电压VG增加/减小时对应的电流出现增加/减小的点不在同一
位置，有着明显的
迟滞现象。这是由于P(VDF-TrFE)材料中原子的排列方式不同造成的，当电压VG处于一个极大的负值时，P(VDF-TrFE)中的F原子排列方向朝下，而电压VG处于一个极大的正值时，P(VDF-TrFE)中的F原子排列方向朝上，而电压VG由负值慢慢增大时，初始时F原子的方向依旧保持一个向下的状态，当电压增加到一定程度时，F原子的方向才会发生改变，这就是磁滞回环出现的原因。而F原子保持向下慢慢朝上转变的状态叫做剩余极化现象，会产生剩余极化
电场。
[0052] 图3为本发明光电探测器的红外发光的电子转移示意图。其中，(a)为光电探测器处于无光照的状态，T表示
温度，P表示极化电场；(b)为光电探测器处于红外光照射的状态。ΔT表示由于光照射而导致的提升的温度，ΔP表示由于温度增加而引起的极化电场的下降量。如图3(a)所示，当光电探测器处于无光照的状态时，在P(VDF-TrFE)中剩余极化场的调制作用下，二碲化钼单层处于耗尽状态，在二碲化钼单层和P(VDF-TrFE)界面上形成的空穴对剩余极化场产生的电荷进行补偿。如图3(b)所示，当红外光照射到探测器上时，温度增加ΔT，剩余极化电场随之减小ΔP，因此，在二碲化钼单层中，用于补偿剩余极化场的空穴会减少，导致大量的电子通过P(VDF-TrFE)和二碲化钼界面而产生电流，这就是光电该探测器在二碲化钼单层在红外光(780nm～12μm)范围产生光响应的原理，所述的光电探测器可应用在红外成像或夜景照相机领域中。
[0053] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
