本技術(shù)涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體而言，涉及一種三明治型寬光譜光探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、半導(dǎo)體材料是指電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，其電導(dǎo)率可以通過摻雜、溫度、光照等外部條件進行調(diào)節(jié)。半導(dǎo)體材料具有優(yōu)良的電子和光電子特性，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻、高功率和高效的光電轉(zhuǎn)換。因此，半導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用于光探測器中。

2、作為典型的半導(dǎo)體，二碲化鎢具有高載流子遷移率，可以達到數(shù)百到幾千cm2/v·s?，使得二碲化鎢光探測器在需要高響應(yīng)速度的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，如高速光通信和快速光學(xué)傳感，參見名稱為“electronic?properties?of?candidate?type-ii?weyl?semimetalwte2.?a?review?perspective”（?electron.?struct.?1?(2019)?014003）的文獻。二碲化鎢具有半金屬性，其能帶結(jié)構(gòu)展示了獨特的拓?fù)湫再|(zhì)，具有拓?fù)浔Ｗo的表面態(tài)和邊緣態(tài)，它的費米面附近有線性色散關(guān)系，這些拓?fù)湫再|(zhì)可以導(dǎo)致高的光電轉(zhuǎn)換效率和低的噪聲水平，使其在光探測應(yīng)用中具有優(yōu)勢。然而，二碲化鎢在紅外波段（800?nm到2?μm）具有較強的吸收和響應(yīng)，其在可見光波段的吸收有限，這限制了二碲化鎢在可見光波段的光探測器中的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種三明治型寬光譜光探測器及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中二碲化鎢在可見光波段的吸收有限，導(dǎo)致其在可見光波段的光探測器中的應(yīng)用被限制的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本技術(shù)提供一種三明治型寬光譜光探測器，該光探測器包括底電極層、光敏層、頂電極層，光敏層設(shè)置于底電極層上，頂電極層設(shè)置于光敏層遠(yuǎn)離底電極層一側(cè)，由頂電極層向底電極層，光敏層包括依次排布的第一二碲化鎢層、二硫化鉬納米管層、第二二碲化鎢層。使用時，在底電極層和頂電極層之間施加偏壓，底電極層連接負(fù)極，頂電極層連接正極，施加電壓大小為1-10v，使得光敏層處于均勻電場中，電場方向由頂電極層指向底電極層，促進光生電子和光生空穴的分離，減少載流子的復(fù)合幾率。頂電極層為透明結(jié)構(gòu)，光場透射到頂電極層，照射在光敏層，光敏層吸收光子，在其內(nèi)部產(chǎn)生光生電子和光生空穴，在外加電場的作用下，光生電子和光生空穴分離，分別向兩個電極層移動，光生電子向頂電極層移動，光生空穴向底電極層移動，光生載流子的定向移動形成電信號，光照的變化會引起電信號的變化，從而實現(xiàn)光探測。另外，外加電場可以加速載流子的傳輸，使光生載流子更快地到達電極，從而提高光電響應(yīng)速度。

4、本技術(shù)中三明治結(jié)構(gòu)的光敏層，以及二硫化鉬的納米管結(jié)構(gòu)在吸收波長范圍和吸收光強度兩方面提升了光吸收的能力；從而提升光探測器在寬光譜下的響應(yīng)強度。具體地，一方面，二碲化鎢材料在近紅外光譜范圍（800?nm到2?μm）內(nèi)具有較強的光吸收能力，二硫化鉬材料在可見光和近紅外范圍（400?nm到1?μm）內(nèi)都有良好的光吸收特性；二者形成的光敏層的響應(yīng)波段為從可見光（400?nm）到近紅外（2?μm）；也就是，二碲化鎢和二硫化鉬的光吸收光譜互補，二硫化鉬可以彌補二碲化鎢在可見光范圍內(nèi)吸收不足的問題，從而擴大整體光吸收范圍，通過將這兩種材料結(jié)合，實現(xiàn)了對更寬光譜范圍的光響應(yīng)。另一方面，三明治結(jié)構(gòu)對光場的限制作用和二硫化鉬納米管對光場的有效捕獲進一步提升了光吸收效率。具體地，二硫化鉬納米管具有較高的光吸收效率，特別是在可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)。這使得它能夠有效地捕獲更多的光子，增強整體的光吸收能力。在結(jié)構(gòu)上，納米管結(jié)構(gòu)提供了大量的表面積，納米管結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)光子進入管內(nèi)并在管壁上多次反射，延長光的路徑，增加了光的散射和多次反射路徑，也就是，二硫化鉬納米管層增加了光子捕獲的路徑長度和吸收概率，進一步提高光吸收效率。同時，入射光被限制在第一二碲化鎢層和第二二碲化鎢層之間，在三明治結(jié)構(gòu)中，光在兩個二碲化鎢層之間來回反射，使光子多次通過二硫化鉬納米管層，增加了光與材料的相互作用時間，增加光吸收。

5、二碲化鎢和二硫化鉬納米管界面處形成異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)的形成有助于光生電子和光生空穴的分離和傳輸，從而提升光探測的響應(yīng)速度，靈敏度較高。具體地，二碲化鎢和二硫化鉬納米管層界面處，由于兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)不同，在該界面處電子和空穴的能級會發(fā)生重新排列，形成異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)界面，由于電子和空穴的重新分布，形成內(nèi)建電場。內(nèi)建電場對光生電子和光生空穴施加相反的力，有效地將光生電子和空穴分離，減少它們的復(fù)合幾率，更多的入射光子能夠被轉(zhuǎn)換為電信號，提高了光探測器的響應(yīng)度。內(nèi)建電場不僅有助于分離載流子，還可以促進它們的傳輸。電子和空穴在內(nèi)建電場的驅(qū)動下，能夠快速移動到相應(yīng)的電極，形成光電流。這提高了載流子的遷移率和光電轉(zhuǎn)換效率。內(nèi)建電場增強了載流子的分離和傳輸，導(dǎo)致更高的光生電流。這使得光探測器在低光強條件下也能產(chǎn)生較強的電信號，從而提高了器件的靈敏度。

6、進一步地，第一二碲化鎢層和第二二碲化鎢層的厚度為10-50nm。這樣一來，10-50nm的厚度能夠確保大部分近紅外光入射光被吸收，產(chǎn)生足夠多的光生載流子；同時，載流子傳輸路徑較短，減少了光生電子和光生空穴的復(fù)合幾率，提高了光電轉(zhuǎn)換效率；還具有較高的遷移率，產(chǎn)生更高的光電流，增加探測器的輸出信號，從而提高靈敏度。

7、更進一步地，二硫化鉬納米管層為單層納米管。這樣，單層二硫化鉬納米管具有較高的光吸收系數(shù)，能夠有效吸收入射光，產(chǎn)生較高密度的光生載流子，提升了光吸收效率。且具有較高的載流子遷移率，有助于提高光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度。單層二硫化鉬納米管與二碲化鎢層的界面質(zhì)量較高，界面缺陷較少，有利于載流子的高效分離和傳輸。

8、更進一步地，頂電極層的材料為石墨烯，底電極層的材料為金屬鉬。石墨烯的透光率達到97%以上，減少了光在頂電極層的損失，能夠使得待測光通過頂電極層照射到光敏層，增大光敏層對光的吸收，最大化光吸收和光電轉(zhuǎn)換效率。作為電極，石墨烯具有極高的導(dǎo)電性，確保載流子的高效收集和傳輸。金屬鉬具有良好的電導(dǎo)率，可以有效地收集和傳輸光生載流子；且鉬與二碲化鎢具有良好的電接觸特性，能夠形成低接觸電阻的歐姆接觸，減少界面電阻，提高載流子收集效率。金屬鉬的沉積技術(shù)成熟，如濺射和化學(xué)氣相沉積等，容易制備。金屬鉬和石墨烯還具有優(yōu)異的耐腐蝕性和環(huán)境穩(wěn)定性，確保器件在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性能。

9、更進一步地，光探測器還包括基底，底電極層設(shè)置于基底上，基底的材料為多孔氧化鋁。多孔氧化鋁具有較好的絕緣性、機械強度、質(zhì)量輕的優(yōu)點；還具有較好的散熱性能。具體地，多孔結(jié)構(gòu)允許空氣流通，為空氣流動提供了通道，空氣可以通過多孔結(jié)構(gòu)自然對流，從而散熱效果較好，避免了光探測器工作時溫度快速上升，以保持探測器在最佳溫度下運行。

10、更進一步地，基底上靠近底電極層一側(cè)的孔徑小于基底遠(yuǎn)離底電極層一側(cè)的孔徑?？拷f層一側(cè)的孔徑尺寸較小，提供了更平整和均勻的表面，有助于在其上沉積均勻且高質(zhì)量的鉬層，從而實現(xiàn)低接觸電阻和高效載流子傳輸。孔徑大小梯度排布，有助于緩解由于熱膨脹和機械應(yīng)力引起的應(yīng)力集中，提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性。較小的空隙尺寸靠近鉬層有助于將熱量有效傳導(dǎo)到遠(yuǎn)離鉬層的較大空隙區(qū)域，遠(yuǎn)離鉬層一側(cè)的較大孔徑尺寸增加了空氣流通的通道，使得熱量可以更容易地通過自然對流和散熱機制從基底下表面排出，提升了散熱效果。另外，梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計緩解了由于溫度變化引起的熱應(yīng)力集中，減少了材料疲勞和裂紋產(chǎn)生，延長了器件的使用壽命。

11、本技術(shù)還提供了一種三明治型寬光譜光探測器的制備方法，方法包括如下步驟：

12、步驟1，在多孔氧化鋁基底上沉積底電極層；

13、步驟2，在底電極層上沉積第二二碲化鎢層；

14、步驟3，在第二二碲化鎢層上沉積二硫化鉬納米管層；

15、步驟4，在二硫化鉬納米管層上沉積第一二碲化鎢層；

16、步驟5，在第一二碲化鎢層上制備頂電極層。

17、進一步地，在步驟1中，先在多孔氧化鋁基底上傾斜沉積底電極層的材料，再垂直沉積底電極層的材料，沉積結(jié)束，即得到多孔氧化鋁基底和底電極層。

18、更進一步地，第一二碲化鎢層和第二二碲化鎢層利用化學(xué)氣相沉積法制備，二硫化鉬納米管層利用液相剝離，以及涂布法或噴涂法制備；制備第一二碲化鎢層之前，對沉積后的二硫化鉬納米管層進行等離子處理或熱處理。

19、更進一步地，二硫化鉬納米管層的溶液中摻雜硫化鎘量子點。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

21、本技術(shù)中的光敏層采用三明治結(jié)構(gòu)，兩層二碲化鎢之間設(shè)置二硫化鉬的納米管層。二硫化鉬材料在可見光和近紅外范圍（400?nm到1?μm）內(nèi)都有良好的光吸收特性，二碲化鎢和二硫化鉬的光吸收光譜互補，這使得本技術(shù)光敏層的響應(yīng)波段擴展為從可見光（400nm）到近紅外（2?μm），從而實現(xiàn)了寬光譜范圍的光響應(yīng)。

22、同時，三明治結(jié)構(gòu)對光場的限制作用和二硫化鉬納米管對光場的有效捕獲提升了光吸收效率。二碲化鎢和二硫化鉬納米管界面處形成異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)的形成有助于光生電子和光生空穴的分離和傳輸，從而提升光探測的響應(yīng)速度，靈敏度較高。