二维半导体光伏型偏振探测器及其制备方法

本发明涉及光伏型偏振探测器制造领域，特别涉及一种无需外加偏压的面内各向异性半导体zrgete4光伏型偏振探测器及其制备方法。

背景技术：

光的偏振信息是一种人的肉眼无法辨别的信息，但正因如此，偏振所带有的那一部分信息一直以来被忽略。

线性二向色性是波光谱的一种表现形式，它是指偏振方向平行或垂直单晶取向的偏振光的吸收差异。线性二向色性具有非常强的实际应用，例如偏振光开关，近场成像和偏振探测，这些应用已经在可见光波段投入实际应用。相比较可见光，现在比较受到关注的是近红外通讯波段的应用，所以窄带隙半导体受到广泛关注。

虽然有较多的二维半导体可以实现很高的二向色性比，但这些材料共同的问题都在于必须在加偏压的情况下才能实现，加偏压所带来最直观的问题就是器件的暗电流会很大，这对于实现高的热可靠性来讲是非常不利的。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种面内各向异性半导体zrgete4光伏型偏振探测器及其制备方法，用于解决二维半导体偏振探测器使用时暗电流过大的技术问题，实现了在不牺牲二向色性比的条件下实现不加偏压的偏振探测器件，对于资源节约，提高集成度，实现器件柔性化、小型化具有重要意义。

(二)技术方案

本发明一方面提供了一种zrgete4光伏型偏振探测器，包括：衬底10；二维zrgete4半导体11，其形成于所述衬底10上，其中，所述二维zrgete4半导体11具备面内各向异性；金属电极12，形成于所述二维zrgete4半导体11上。

可选地，所述衬底10包括：掺杂p的n型晶体si；sio2层，其形成于所述掺杂p的n型晶体si上。

可选地，所述二维zrgete4半导体12的带隙在0.89～1.39ev。

可选地，所述金属电极12的功函数位于二维zrgete4半导体12的费米能级之下。

可选地，所述zrgete4光伏型偏振探测器在0偏压条件下，探测波段在360～1550nm之间。

本发明另一方面提供了zrgete4光伏型偏振探测器的制备方法，其特征在于，包括：将体材料zrgete4半导体剥离为所述二维zrgete4半导体11；将所述二维zrgete4半导体11转移至所述衬底10上；在所述二维zrgete4半导体11上旋涂pmma；在pmma上刻蚀出电极图形；制作金属电极12，得到所述zrgete4光伏型偏振探测器。

可选地，所述体材料zrgete4半导体的制备方法包括：将前体材料锆粉、锗粉及碲粉以预设质量比例配置，与输运介质预设质量的kcl封装在真空石英管中；将盛有所述前体材料的一端放在高温区，另一端置于低温区；所述高温区的升温速度为第一预设升温速度；所述低温区的升温速度为第二预设升温速度；所述高温区和所述低温区升温时间为第一预设时间，所述高温区和所述低温区保温时间为第二预设时间；冷却至室温取出，制备得体材料zrgete4半导体。

可选地，所述前体材料锆粉、锗粉、碲粉及kcl总质量不超过1g。

可选地，所述第一预设升温速度大于所述第二预设升温速度。

(三)有益效果

本发明提出的zrgete4光伏型偏振探测器在工作时无需外加源漏电压，对于近红外偏振探测和资源节约型的光伏型光电探测器的发展很有意义，解决了大部分二维半导体暗电流较大的问题，提高了器件的热可靠性，对于提高光电器件探测率有着十分重要的作用。且纳米级厚度的器件对于器件的集成化柔性化都具有很大的意义，更利于缩小光电器件体积而解决器件的集成化柔性化的问题。该器件能应用于偏振光探测、红外偏振成像领域及集成式光伏器件中。

本发明提出的zrgete4光伏型偏振探测器制备方法，步骤少，方法简单，成本较低，得到的体材料zrgete4晶体质量好，结晶度高，过程中没有中间产物的生成，且输运介质kcl可以回收再利用；体材料zrgete4晶体的结构良好，晶体呈现层状结构，用胶带就可以容易剥离出薄层，利于zrgete4光伏型偏振探测器的制备。

附图说明

图1示意性示出了本发明zrgete4光伏型偏振探测器。

图2示意性示出了本发明zrgete4光伏型偏振探测器进行探测实验的实验组件。

图3示出了本发明一实施例中zrgete4光伏型偏振探测器在1064nm波长吸收率随晶体扶手椅方向和光偏振方向夹角γ的变化情况。

图4示出了本发明一实施例中zrgete4光伏型偏振探测器在638nm处p(θ)随偏振方向的变化情况

图5示出了本发明一实施例中zrgete4光伏型偏振探测器在1064nm下的0偏压条件下的角依赖光电流拟合曲线。

图6示出了本发明一实施例中zrgete4光伏型偏振探测器在1550nm下的0偏压条件下的角依赖光电流拟合曲线。

图7示出了本发明一实施例中zrgete4光伏型偏振探测器的制备流程图。

【附图标记说明】

10-衬底；11-二维zrgete4半导体；12-金属电极；

13-激光器；14-格兰泰勒棱镜；15-半波片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参阅图1，本发明提出了一种zrgete4光伏型偏振探测器，包括：衬底10；二维zrgete4半导体11，其形成于衬底10上，其中，二维zrgete4半导体11具备面内各向异性；金属电极12；形成于二维zrgete4半导体11上。

衬底10由晶体si和sio2组成，其中晶体si为掺杂p的n型晶体si。n型晶体si为负电荷载流子型晶体si，p型晶体si为正电荷载流子型晶体si。本发明提出的探测器的衬底10是由上述晶体si用外延生长的sio2构成，其结构稳定，价格适中，适用于充当衬底材料。在本发明一实施例中，制备完成后对表面进行抛光打磨，控制sio2层厚度为300nm，并在微观结构测试中测得sio2的表明晶向为<100>。

二维zrgete4半导体11位于衬底10的sio2层上。二维zrgete4半导体12的理论带隙在0.89～1.39ev，适用于紫外光-可见光-近红外的光电探测。相比三维材料，二维材料有着更小的体积，能制成更小的器件，便于集成，且二维材料一般柔性较好，对于资源节约，提高集成度，实现器件柔性化、小型化具有重要意义。

在本发明一实施例中，二维zrgete4半导体11厚度为31.2nm。对二维zrgete4半导体11的结构进行微观结构及面内光学各向异性进行分析，其晶体的x射线衍射(xrd)实验显示8个特征峰，与pdf卡片吻合；其晶体的高分辨透射电子显微镜(hrtem)表征测试得到两个晶面(200)面和(060)面，晶面间距分别为和其晶体的角分辨拉曼谱显示该晶体有10个拉曼模，其中频率位于73cm^-1的模为a2模，其余均为a1模；参阅3、图4，通过吸收谱和反射差分谱的表征，均显示出其具有良好的面内光学各向异性，其中，反射差分谱中归一化量p(θ)的计算公式如下：

式中式中ra和rb分别为当偏振光垂直入射时，沿样品平面内的两个任意正交方向的反射率，θ为入射角度与晶体扶手椅方向的夹角。

在本发明一实施例中，金属电极12由金制备而成，其厚度为50nm。

金属电极12功函数位于二维zrgete4半导体11费米能级之下。金属电极12与二维zrgete4半导体11形成电学连接，产生的特殊的光伏特性，基于此实现了实现不外加偏置电压就能检测偏振光的功能。在以下的实施例中将结合偏振探测检测实验具体说明上述功能。

利用zrgete4光伏型偏振探测器进行偏振探测的实验，其所需的实验组件如图2所示，包括：激光器13、格兰泰勒棱镜14及半波片15。激光器13在实验中充当光源。其发出的激光经过格兰泰勒棱镜14发生偏振，实现了光的偏振。最后利用半波片15改变偏振的方向，使zrgete4光伏型偏振探测器能接受到不同偏振方向的光信号。

通过上述的光电测试表明，参阅图5、图6，本发明提出的zrgete4光伏型偏振探测器，实现了在不加偏压的条件下可以实现对波长360-1550nm激光的偏振测试。

其中，二维zrgete4半导体11具有很强的面内各向异性，并且在1064nm和1550nm处的角依赖吸收拟合曲线的峰值处于不同的位置，1064nm的吸收峰值位于0°和180°，而1550nm的吸收拟合曲线峰值位于90°；二维zrgete4半导体11在反射差分谱的表征中p(θ)值在不同波长的测试中峰值所在的角度不同，波长为638nm的p(θ)峰值位于90°和270°，而波长为900nm的p(θ)峰值位于0°和180°。其中1064nm处的二向色性比达到最大，为2.04，1550nm处次之，为1.31。这些特征对于不同波长的探测很有益处。

本发明zrgete4光伏型偏振探测器在零偏压下的角分辨光电流的拟合曲线的公式为：

iph＝ipxsin²(θ+λ)+ipycos²(θ+λ)

其中，iph、ipx和ipy分别为器件总光电流、器件沿扶手椅方向和锯齿方向的光电流。θ为光的偏振方向，λ为光偏振角度与扶手椅方向的夹角。

本发明提出的zrgete4光伏型偏振探测器在工作时无需外加源漏电压，对于近红外偏振探测和资源节约型的光伏型光电探测器的发展很有意义，解决了大部分二维半导体暗电流较大的问题，提高了器件的热可靠性，对于提高光电器件探测率有着十分重要的作用。且纳米级厚度的器件对于器件的集成化柔性化都具有很大的意义，更利于缩小光电器件体积而解决器件的集成化柔性化的问题。

除了应用于偏振光探测外，本发明提出的zrgete4光伏型偏振探测器还可以被应用于红外偏振成像领域和集成式光伏器件当中。

参阅图7，本发明一实施例提出了一种zrgete4光伏型偏振探测器的制备方法，包括：

s1、将体材料zrgete4半导体剥离为二维zrgete4半导体11；

s2、将二维zrgete4半导体11转移至衬底10上；在二维zrgete4半导体11上旋涂pmma；

s3、在pmma上用电子束曝光刻蚀出电极图形；

s4、用热蒸发的方式蒸镀金以制作金属电极12，得到zrgete4光伏型偏振探测器；

s5、将zrgete4光伏型偏振探测器泡在丙酮中超声显影。

其中，s1中将体材料zrgete4半导体剥离为二维zrgete4半导体11可选为：将体材料zrgete4半导体用胶带剥离为少层的二维zrgete4半导体11。将二维zrgete4半导体11转移至衬底10上可选操作为：将胶带上的二维zrgete4半导体11用pdms转移至衬底10。

s3中在pmma上用电子束曝光刻蚀出电极图形，可选为用热蒸发的方式蒸镀金以制作金属电极12，得到zrgete4光伏型偏振探测器的步骤中，蒸镀的速率为蒸镀厚度为由pmma充当掩膜，热蒸发时金电极的纯度为99.999％。在丙酮中超声后需依次用乙醇和去离子水进行清洗。可选地，可使用金丝球焊机将金电极引出接入pcb板。

s1中提到的体材料zrgete4半导体的制备方法包括：将前体材料锆粉、锗粉及碲粉以预设质量比例配置，与输运介质预设质量的kcl封装在真空石英管中；将盛有前体材料的一端放在高温区，另一端置于低温区；高温区的升温速度为第一预设升温速度；低温区的升温速度为第二预设升温速度；高温区和低温区升温时间为第一预设时间，高温区和低温区保温时间为第二预设时间；冷却至室温取出，制备得体材料zrgete4半导体。其中，前体材料锆粉、锗粉、碲粉及kcl总质量不超过1g；第一预设升温速度大于第二预设升温速度。

在本发明一实施例中，制备过程为：第一步先将前体材料锆粉、锗粉及碲粉以预设质量比例为1∶1.2∶4，与输运介质0.02g的kcl封装在真空石英管中，前体材料锆粉、锗粉、碲粉及kcl总质量不超过1g；第二步将盛有前体材料的一端放在高温区，另一端置于低温区；高温区的升温速度为300℃/h；低温区的升温速度为200℃/h；高温区和低温区升温2h，保温3d。第三步为在第二步完成后，自然冷却至室温取出，制备得体材料zrgete4半导体。

该方法步骤简单，成本较低，制备出体材料zrgete4晶体质量好，结晶度高，过程中没有中间产物的生成，且输运介质kcl可以回收再利用；体材料zrgete4晶体的结构良好，在高分辨透射电子显微镜测试中可以看到清晰明亮的点，表面晶向为<001>方向；晶体呈现层状结构，用胶带就可以剥离出薄层，利于zrgete4光伏型偏振探测器的制备。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。