CN102610672A - 一种异质结型光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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吴翟
吕鹏
张玉刚
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Abstract

本发明公开了一种异质结型光电探测器及其制备方法，是由p型碲化锌纳米带与n型石墨烯构筑成的异质结光电探测器。本发明光电探测器对可见光非常敏感，响应度及增益较高并且响应速度较快，为纳米材料在光电器件中的应用和集成提供了良好的基础。

Description

一种异质结型光电探测器及其制备方法
一、技术领域
本发明涉及一种P型碲化镉纳米带与N型石墨烯的异质结型光电探测器及其制备方法。
二、背景技术
光电探测器是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。根据器件结构可以分为光电导型和结型(异质结)光电探测器。光电导性是由于光子在半导体中被吸收时，产生可移动的载流子所造成的。目前纳米半导体光电探测器大多都是基于光电导型结构，由于电极间的载流子传输时间的限制，其速度、响应时间等性能都较差。光电探测器的响应速度决定了其跟随光学信号快速转换的能力，在光波通讯及光通讯中有着极其重要的作用。较慢的响应速度将严重限制了光电探测器在光电器件集成电路中的应用。
三、发明内容
本发明旨在提供一种异质结型光电探测器及其制备方法，所要解决的技术问题是提高光电探测器的响应速度和性能的稳定性，并尽量简化制备方法使其适于工业化生产。
本发明异质结型光电探测器的异质结是由P碲化锌纳米带与N型石墨烯构成的。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明异质结型光电探测器具有如下结构：
在硅基底1的表面覆有二氧化硅层2，在二氧化硅层2的表面分散有平铺的碲化锌纳米带4，在所述碲化锌纳米带4的两端分别设置有欧姆电极3作为输出一极，所述欧姆电极3与所述碲化锌纳米带4呈欧姆接触；在所述碲化锌纳米带4上交叠覆有石墨烯5，所述石墨烯5位于两个欧姆电极3之间且与欧姆电极3隔离；在所述石墨烯5上设置有欧姆电极6作为另一输出极，所述欧姆电极6与所述石墨烯5呈欧姆接触且与碲化锌纳米带4和欧姆电极3隔离；
所述碲化锌纳米带4为P型碲化锌纳米带；所述石墨烯5为N型石墨烯；
所述欧姆电极3和欧姆电极6为金电极。
本发明异质结型光电探测器的制备方法如下：
将碲化锌纳米带4分散到硅基底1表面的二氧化硅层2上，随后采用紫外光刻技术在二氧化硅层2上光刻出一对电极图案，然后利用电子束镀膜技术蒸镀得到一对欧姆电极3，所述欧姆电极3与所述碲化锌纳米带4呈欧姆接触；将石墨烯5覆于二氧化硅层2的表面，利用紫外光刻技术在二氧化硅层2上光刻出与碲化锌纳米带4交叠且位于两个欧姆电极3之间并与欧姆电极3隔离的电极图案，然后利用氧等离子轰击除去电极图案以外的石墨烯得到石墨烯5，再利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术制备得到欧姆电极6，所述欧姆电极6与石墨烯5形成欧姆接触且与碲化锌纳米带4和欧姆电极3隔离。
本发明异质结型光电探测器具有如下结构：
在硅基底7的表面覆有二氧化硅层8，在二氧化硅层8的表面平铺有石墨烯9，在石墨烯9上设置有绝缘层10，在所述绝缘层10的表面分散有碲化锌纳米带11且所述碲化锌纳米带11的一部分与石墨烯9接触；在绝缘层10上设置有欧姆电极12，所述欧姆电极12与碲化锌纳米带11呈欧姆接触；在石墨烯9上设置有欧姆电极13，所述欧姆电极13与绝缘层10、欧姆电极12和碲化锌纳米带11隔离；
所述碲化锌纳米带11为P型碲化锌纳米带；所述石墨烯9为N型石墨烯；
所述欧姆电极3和欧姆电极6为金电极。
本发明异质结型光电探测器的制备方法如下：
将石墨烯9平铺到硅基底7表面的二氧化硅层8上，采用紫外光刻和磁控溅射镀膜技术在石墨烯9的表面制备绝缘层10，将碲化锌纳米带11分散到绝缘层10上的边缘位置使所述碲化锌纳米带11有部分与石墨烯9交叠接触，利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在绝缘层10上制备欧姆电极12，所述欧姆电极12与所述碲化锌纳米带11呈欧姆接触；再次利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在石墨烯9上制备欧姆电极13，所述欧姆电极13与绝缘层10、欧姆电极12和碲化锌纳米带11隔离。
所述绝缘层10选自氮化硅(Si3N4)、氧化哈(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)或二氧化硅(SiO2)，绝缘层10的厚度为10纳米至10微米。
本发明金电极的厚度为100nm。
本发明使用的P型碲化锌纳米带4和N型石墨烯5是按照现有技术采用化学气相沉积方法在水平管式石英炉中合成[1][2]。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明涉及了一种工艺较为简单，成本低廉的的方法制备了P型碲化锌与N型石墨烯异质结型光电探测器。由于结区其内在电场的加速作用，异质结结型光电探测器探测速度明显优于光电导型探测器。此外，石墨烯具有柔性、透明以及高电导率等特点，使探测器具备了较好的接收被探测光的能力，因此具备了较高的响应度和增益。所以，利用碲化锌纳米带和石墨烯构筑成异质结型光电探测器具备了较高的探测率、较高的响应度、增益以及较快的探测速度，有利于光电探测器在快速光电集成电路中的应用。
[1]Di Wu，Yang Jiang，Yugang Zhang，Junwei Li，Yongqiang Yu，Yuping Zhang，Zhifeng Zhu，LiWang，Chunyan Wu，Linbao Luo and Jiansheng Jie ′Device structure-dependent field-effect andphotoresponse performances of p-type ZnTe：Sb nanoribbons′，J.Mater.Chem.，2012，22，6206.
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四、附图说明
图1为本发明P型碲化锌纳米带与N型石墨烯异质结型光电探测器的结构示意图。
图中标号：1为硅基底；2为二氧化硅层；3为欧姆电极；4为碲化锌纳米带；5为石墨烯；6为欧姆电极。
图2为本发明P型碲化锌纳米带与N型石墨烯异质结型光电探测器的结构示意图。
图中标号：7为硅基底；8为二氧化硅层；9为石墨烯；10为绝缘层；11为碲化锌纳米带；12为欧姆电极；13为欧姆电极。
图3为实施例1制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯异质结型光电探测器在黑暗下和在光照下的电流-电压曲线。
图4为实施例1制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯异质结型光电探测器光响应-时间曲线。
图5为实施例2制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯异质结型光电探测器在黑暗下和在光照下的电流-电压曲线。
图6为实施例2制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯异质结型光电探测器光响应-时间曲线。
五、具体实施方式
实施例1：
本实施例P型碲化锌纳米带与N型石墨烯异质结型光电探测器具有如下结构：
参见图1，在覆有二氧化硅层2的硅基底1的表面分散有平铺的碲化锌纳米带4，在所述碲化锌纳米带4的两端分别设置有100纳米厚的金电极3作为输出一极，所述金电极3与所述碲化锌纳米带4呈欧姆接触；在所述碲化锌纳米带4上交叠覆有石墨烯5，所述石墨烯5位于两个金电极3之间且与金电极3隔离；在所述石墨烯5上设置有100纳米厚的金电极6作为另一输出极，所述金电极6与所述石墨烯5呈欧姆接触且与碲化锌纳米带4和金电极3隔离；
其中碲化锌纳米带4为P型碲化锌纳米带；所述石墨烯5为N型石墨烯。
本实施例中P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器的制备方法如下：
首先，利用化学气相沉积方法在水平管式石英炉中合成碲化锌纳米带4和石墨烯5，将碲化锌纳米带4分散到覆有二氧化硅层2的硅基底1的表面，二氧化硅层2的厚度为300纳米，随后采用紫外光刻技术在二氧化硅层2上光刻出一对电极图案，然后利用电子束镀膜技术蒸镀得到一对100纳米厚的金电极3，所述金电极3与所述碲化锌纳米带4呈欧姆接触；将石墨烯5覆于二氧化硅层2的表面，利用紫外光刻技术在二氧化硅层2上光刻出与碲化锌纳米带4交叠且位于两个金电极3之间并与金电极3隔离的电极图案，然后利用氧等离子轰击除去电极图案以外的石墨烯得到石墨烯5，再利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术制备得到100纳米厚的金电极6，所述金电极6与石墨烯5形成欧姆接触且与碲化锌纳米带4和金电极3隔离，由碲化锌纳米带4与石墨烯5形成异质结。
本实施例制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器在黑暗中和光照下测得的电流与电压关系曲线如图3所示，从图中看出制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器对光有明显的响应，电导从暗场下的32nS(纳西门子)上升到196nS，提高了6.125倍，响应度为1.79×104A/W，增益为4×104。本实施例制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器在对光开关转换随时间关系曲线如图4所示，其中1区是在光照下，2区是在暗场中。从图中可以看出制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器具有很快的响应速度和稳定性，其下降沿和上升沿时间分别为0.72毫秒，0.32毫秒。
实施例2：
如图2所示，本实施例P型碲化锌纳米带与N型石墨烯异质结型光电探测器具有如下结构：
在覆有二氧化硅层8的硅基底7的表面平铺有石墨烯9，在石墨烯9上设置有30纳米厚的绝缘层10，在所述绝缘层10的表面分散有碲化锌纳米带11且所述碲化锌纳米带11的一部分与石墨烯9接触；在绝缘层10上设置有100纳米厚的金电极12，所述金电极12与碲化锌纳米带11呈欧姆接触；在石墨烯9上设置有100纳米厚的金电极13，所述金电极13与绝缘层10、金电极12和碲化锌纳米带11隔离；
所述碲化锌纳米带11为P型碲化锌纳米带；所述石墨烯9为N型石墨烯。
本实施例中所述绝缘层10为氮化硅。
本实施例中P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器的制备方法如下：
首先，利用化学气相沉积方法在水平管式石英炉中合成碲化锌纳米带11和石墨烯9，将石墨烯9平铺到覆有二氧化硅层8的硅基底7的表面，采用紫外光刻和磁控溅射镀膜技术在石墨烯9的表面制备30纳米厚的绝缘层10，将碲化锌纳米带11分散到绝缘层10上的边缘位置使所述碲化锌纳米带11有部分与石墨烯9交叠接触，利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在绝缘层10上制备100纳米厚的金电极12，所述金电极12与所述碲化锌纳米带11呈欧姆接触；再次利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在石墨烯9上制备100纳米厚的金电极13，所述金电极13与绝缘层10、金电极12和碲化锌纳米带11隔离。
本实施例制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器在黑暗中和光照下测得的电流与电压关系曲线如图5所示，从图中看出制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器对光有明显的响应，电导从暗场下的70nS(纳西门子)上升到250nS，提高了3.57倍，响应度为2.3×104A/W，增益为5.2×104。本实施例制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器在对光开关转换随时间关系曲线如图6所示，其中1区是在光照下，2区是在暗场中。从图中可以看出制备的P型碲化锌纳米带与N型石墨烯结型光电探测器具有很快的响应速度和稳定性，其下降沿和上升沿时间分别为0.94毫秒，0.48毫秒。

Claims (5)

1.一种异质结型光电探测器，其特征是具有如下结构：
在硅基底(1)的表面覆有二氧化硅层(2)，在二氧化硅层(2)的表面分散有平铺的碲化锌纳米带(4)，在所述碲化锌纳米带(4)的两端分别设置有欧姆电极(3)作为输出一极，所述欧姆电极(3)与所述碲化锌纳米带(4)呈欧姆接触；在所述碲化锌纳米带(4)上交叠覆有石墨烯(5)，所述石墨烯(5)位于两个欧姆电极(3)之间且与欧姆电极(3)隔离；在所述石墨烯(5)上设置有欧姆电极(6)作为另一输出极，所述欧姆电极(6)与所述石墨烯(5)呈欧姆接触且与碲化锌纳米带(4)和欧姆电极(3)隔离；
所述碲化锌纳米带(4)为P型碲化锌纳米带；所述石墨烯(5)为N型石墨烯；
所述欧姆电极(3)和欧姆电极(6)为金电极。
2.一种权利要求1所述的异质结型光电探测器的制备方法，其特征在于按如下步骤制备：
将碲化锌纳米带(4)分散到硅基底(1)表面的二氧化硅层(2)上，随后采用紫外光刻技术在二氧化硅层(2)上光刻出一对电极图案，然后利用电子束镀膜技术蒸镀得到一对欧姆电极(3)，所述欧姆电极(3)与所述碲化锌纳米带(4)呈欧姆接触；将石墨烯(5)覆于二氧化硅层(2)的表面，利用紫外光刻技术在二氧化硅层(2)上光刻出与碲化锌纳米带(4)交叠且位于两个欧姆电极(3)之间并与欧姆电极(3)隔离的电极图案，然后利用氧等离子轰击除去电极图案以外的石墨烯得到石墨烯(5)，再利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术制备得到欧姆电极(6)，所述欧姆电极(6)与石墨烯(5)形成欧姆接触且与碲化锌纳米带(4)和欧姆电极(3)隔离。
3.一种异质结型光电探测器，其特征是具有如下结构：
在硅基底(7)的表面覆有二氧化硅层(8)，在二氧化硅层(8)的表面平铺有石墨烯(9)，在石墨烯(9)上设置有绝缘层(10)，在所述绝缘层(10)的表面分散有碲化锌纳米带(11)且所述碲化锌纳米带(11)的一部分与石墨烯(9)接触；在绝缘层(10)上设置有欧姆电极(12)，所述欧姆电极(12)与碲化锌纳米带(11)呈欧姆接触；在石墨烯(9)上设置有欧姆电极(13)，所述欧姆电极(13)与绝缘层(10)、欧姆电极(12)和碲化锌纳米带(11)隔离；
所述碲化锌纳米带(11)为P型碲化锌纳米带；所述石墨烯(9)为N型石墨烯；
所述欧姆电极(3)和欧姆电极(6)为金电极。
4.根据权利要求3所述的异质结型光电探测器，其特征在于：所述绝缘层(10)选自氮化硅、氧化哈、氧化锆、氧化铝或二氧化硅。
5.一种权利要求3或4所述的异质结型光电探测器的制备方法，其特征在于按如下步骤制备： 
将石墨烯(9)平铺到硅基底(7)表面的二氧化硅层(8)上，采用紫外光刻和磁控溅射镀膜技术在石墨烯(9)的表面制备绝缘层(10)，将碲化锌纳米带(11)分散到绝缘层(10)上的边缘位置使所述碲化锌纳米带(11)有部分与石墨烯(9)交叠接触，利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在绝缘层(10)上制备欧姆电极(12)，所述欧姆电极(12)与所述碲化锌纳米带(11)呈欧姆接触；再次利用紫外光刻技术和电子束镀膜技术在石墨烯(9)上制备欧姆电极(13)，所述欧姆电极(13)与绝缘层(10)、欧姆电极(12)和碲化锌纳米带(11)隔离。 
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