摘要: 光信号向电信号的转换在与日常生活息息相关的多项技术中都是非常重要的一个核心环节。光电探测器作为光信号转化为电信号的关键器件，无论在国防还是日常生活中都有重要的应用，是光通信、视频成像、生物医学成像、夜间成像、安全监控、环境监测以及... 展开 光信号向电信号的转换在与日常生活息息相关的多项技术中都是非常重要的一个核心环节。光电探测器作为光信号转化为电信号的关键器件，无论在国防还是日常生活中都有重要的应用，是光通信、视频成像、生物医学成像、夜间成像、安全监控、环境监测以及动作检测等方面不可缺少的一部分。因此高响应度、高响应速度、宽波段光电探测器的研究一直受到科研及技术人员的广泛关注。而且随着现代科技和社会的发展，人们对新型光电探测器又提出了微型化、可集成、可穿戴等方面的要求。 传统用于可见及近红外波段的Si基光电探测器以及用于中远红外的窄带隙半导体（如HgCdTe）和Ⅱ类超晶格材料（如InAs/GaSb）光电探测器，光电转化材料均为块体结构，体积庞大且透明度低，有些探测器甚至需要复杂的制冷系统，微型化以及集成难度高，且响应度等性能无法满足需求。而二维光电材料由于其原子级厚度、机械柔韧性、高透明度、表面无化学悬挂键、独特的电子及光学特性、圆晶级生产能力以及与互补性氧化金属半导体器件集成能力，为实现高响应度、宽光谱、可集成的微纳尺度光电探测器提供了行之有效的方案。单层MoS2作为二维材料中的重要成员，为拥有1.8eV左右的直接带隙的半导体，光子利用率较高，且在光激发下具有较高的电子-空穴对激发概率，这些性质使得其非常适合作为光电子器件的导电材料。为获得高性能单层MoS2光电探测器，需要开展材料生长、性能表征、器件制作、器件性能测试系统搭建以及器件性能提升等综合研究。 本论文针对微纳尺度的单层MoS2光电探测器的制备和性能研究设计了总体方案，包括材料的生长表征、器件制作以及测试系统搭建等。并对器件结构以及测试系统等方面进行详细探索。设计了具有场效应管结构的可见光波段单层MoS2微纳尺度光电探测器，在0V栅压下，响应度最高可达59.97A/W，比探测度可达1011Jones，且可通过栅压对其工作状态进行调控。同时探究了探测器的性能与沟道材料尺寸、外加偏压以及光信号强度的关系，实验结果表明，随着沟道长度减小响应度有所提升，但暗电流噪声也大幅提升；随着外加偏压的增加，响应度线性提升；随着光信号强度增加，响应度下降。此工作为高响应度光电探测器的设计以及工作环境的选择提供了参考依据。 为进一步提高单层MoS2光电探测器的响应度，本论文利用金属纳米结构表面等离激元对光的局域作用提高单层MoS2与光的相互作用强度，提出一种金纳米颗粒光栅阵列结构，该结构利用光栅耦合局域表面等离激元，进一步增强了Au纳米颗粒阵列对电场的局域能力。通过理论建模和时域有限差分法仿真分析对光栅阵列的参数进行优化，并制备相应样品。实验表明，相比于单一尺寸的消光光谱位置相似的颗粒阵列，光栅结构的消光强度提高了近1倍。将其与单层MoS2光电探测器复合，探测器的响应度提高了约110倍。此工作为进一步提高金属纳米结构的等离激元强度提供了新的思路。此外，此纳米结构可通过传统光刻以及退火的方式实现大面积制备，无需电子束直写等昂贵且只适用于小面积范围的加工工艺，为高响应度二维材料光电探测器的阵列制作及生产奠定了基础。 尽管单层MoS2具有良好的光电性质，但其带宽限制其响应波段不超过690nm。为在提高单层MoS2光电探测器响应度的同时提高探测波长，本论文设计了基于金属表面等离激元热电子效应的宽波段单层MoS2光电探测器，利用金属纳米结构等离激元共振激发的热电子注入MoS2中作为载流子，此时入射光子能量高于Au和MoS2之间Schottky势垒即可，该势垒通常低于MoS2带隙宽度，从而提高响应波长。通过时域有限差分法仿真对热电子激发结构进行优化，以提高热电子激发效率及利用率，最终确定新型结构为周期为700nm、深宽比为0.14、金薄膜厚度为10nm的金薄膜-SiO2共形光栅。并通过理论建模分析对基于所设计结构的热电子对光电流和响应波长的贡献进行预测，验证了其响应波长可提升至1550nm。在实验上成功制作了相应器件，并对其光电性质进行表征，为二维材料光电探测器在红外波段的应用创造了新的可能。 本论文在单层MoS2微纳尺度光电探测器的设计、制作、以及响应度提升和探测波长的提高等方面进行了理论和实验的研究，在制作得到高响应度、高比探测度单层MoS2光电探测器的基础上，利用金属纳米结构的等离激元效应以及热电子效应对探测器的性能进一步提升。本论文的工作为获得微型化、可集成的高性能光电探测器提供了支撑。 收起