CN103117316A - 基于超材料结构的石墨烯晶体管、光探测器及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种基于超材料结构的石墨烯晶体管、光探测器及其应用。该石墨烯晶体管包括自下而上依次设置的衬底、栅极金属层、栅极介质层、石墨烯层和源极与漏极金属层；其中至少源极与漏极金属层的局部区域具有周期性微纳米结构，所述周期性微纳米结构与栅极金属层及栅极介质层配合形成具有完全吸收特性的超材料结构，通过改变周期性微纳米结构以及栅极介质层材料的折射率和厚度等，可以调控超材料结构的光吸收频段。本发明因为超材料结构的波长选择性完美吸收特性，具有更高灵敏度和窄带响应，通过选择不同超材料结构可以工作在可见光到红外甚至更长波段，通过将工作在不同波段的光探测器集成设置，还可以构成超宽带工作的图像传感器、光谱检测分析设备等。

Description

基于超材料结构的石墨烯晶体管、光探测器及其应用
技术领域
本发明涉及一种光探测器件，具体涉及一种基于微纳结构增强吸收的石墨烯场效应晶体管、光探测器和其成像应用。
背景技术
石墨烯是一种碳元素的二维层状材料结构，单层石墨的厚度约为0.35纳米，具有非凡的电学、光学和机械等特性。十层以下的石墨都被认为是石墨烯。自从2004年单层石墨烯被成功研制，石墨烯引起了广泛关注。石墨烯因其Dirac-Fermi性质，具有线性的能带结构，具有迄今已发现材料中最高的载流子迁移率（200000cm2V-1s-1），因此被广泛的应用于高频纳米电子器件领域。石墨烯同样具有非凡的光学特性，在紫外、可见光到红外波段（300nm到6μm）具有平坦的吸收带，而且吸收特性可以通过加电压来调控（《Science》，第320卷，第206页），因此可以实现宽带高速的光电转换。尽管石墨烯与光具有非常强的相互作用，单层石墨烯（0.34nm厚）在上述波段的吸收就达到了惊人的2.3%（《Physical Review Letters》，第101卷，第196405页；《Science》，第320卷，第1308页），然而由于石墨烯太薄，利用单层或者多层（<10层）的石墨烯对光的有效吸收还远低于目前的其他体材料或者量子阱结构的效率。
近年，各种增强石墨烯与光相互作用，特别是光吸收的研究越来越多。2012年澳大利亚Mueller教授小组提出将石墨烯放在两个一维布拉格光栅反射镜中间，通过微腔增强光子态密度的办法来增强石墨烯与近红外光的相互作用，与没有微腔结构的情况相比，观察到26倍的光吸收增强（《Nano Letters》，第12卷，第2773页）；而在《Nano Letters》同一卷的第3808页公布了利用金属纳米结构的表面等离激元效应来增强光吸收的另一个技术，实验结果获得8倍的可见光波段光电流提高；2012年美英德三国的联合研究小组提出用金属微腔结合晶体管结构来提高石墨烯光探测器的灵敏度，观察到20倍的可见光波段光电流提高（《Nature Communications》，第3卷，第906页）。此外，2011年美国科学家采用石墨烯晶体管观察到二维电子气导致的太赫兹波的吸收现象（《Nature Nanotechnology》，第6卷，第630页）。可以看到基于石墨烯的探测器已经展示了从可见光到太赫兹波的超宽工作范围，虽然上述这些技术通过微腔或者等离激元等效应都展示了一定程度的石墨烯光吸收性能提升，然而技术工艺的复杂度以及性能提升的限制需要业界进一步探索更有效的技术方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的主要目的之一在于提供一种基于超材料结构的石墨烯晶体管，它包括自下而上依次设置的衬底、栅极金属层、栅极介质层、石墨烯层以及源极与漏极金属层；
其中，至少所述源极与漏极金属层的局部区域具有周期性微纳米结构，所述周期性微纳米结构与栅极金属层及栅极介质层配合形成具有近完全吸收特性的超材料结构。
进一步的，所述超材料结构的阻抗Z等于或接近于（例如，偏差幅度可控制在±10%以内）真空阻抗376.7Ω，其中，                                                
Figure 2013100365557100002DEST_PATH_IMAGE001
，ε和μ分别为所述超材料结构的介电常数和磁导率。
进一步的，所述源极与漏极金属层的下端面与石墨烯层接触，形成用于连接所述晶体管的源极与漏极的导电沟道。
所述源极与漏极金属层包括源极和漏极，其中，至少所述源极和漏极的局部区域交错排布并形成周期性微纳米结构。
作为较为优选的实施方案之一，所述源极与漏极金属层的厚度为20-200nm。
作为较为优选的实施方案之一，所述栅极金属层的厚度应足以完全阻止光线透过，尤其优选为50nm以上。
所述栅极介质层的材料采用低光吸收的介电材料，例如，可选自但不限于氧化硅、氮化硅或三氧化二铝等。
本发明的另一目的在于提供一种光探测器，它包括如上所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管。
本发明的又一目的在于提供前述基于超材料结构的石墨烯晶体管或前述光探测器在光谱检测分析设备或图像传感设备中的应用。
本发明的再一目的在于提供一种图像传感设备或光谱检测分析设备，它包括阵列分布的复数个如上所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管和/或如上所述的光探测器。
与现有技术相比，本发明的优点至少在于：
通过将石墨烯层集成在具有近完全吸收特性的超材料结构中，从而提高石墨烯对光的吸收，即探测器的灵敏度；
同时，由于超材料的特有结构，通过采用两个金属层分别作为晶体管结构的栅极以及源极与漏极，而将石墨烯层作为导电沟道夹在两层金属中间，可以把超材料结构和晶体管结构结合起来构成高速的晶体管探测器；
此外，石墨烯层中的多层石墨烯的禁带宽度可调，且在可见光、红外甚至更长波段都有吸收，而超材料结构也具有工作波段的可调性，因此通过优化设计可以获得超宽带的高速高灵敏石墨烯晶体管光探测器，再通过将不同波段的石墨烯光探测器集成起来，还可以形成单片的宽带光探测阵列，并且具有多波段成像能力。
附图说明
以下结合附图进一步解释说明本发明的内容。但是，以下附图仅仅是本发明的理想化实施例的示意图，其中为了清楚展示本发明所涉及器件的结构，对其中选定的层和区域的厚度进行了适当放大，但其作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。另外，本发明所示的实施例亦不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。概言之，如下附图是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。
图１为本发明一可选实施方案中基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器的纵向剖面示意图；
图2为本发明一可选实施方案中基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器的俯视示意图；
图3为本发明又一可选实施方案中基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器的俯视示意图；
图4为本发明的一种基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器于成像应用时的一可选实施例的俯视图；
图5为本发明的一种基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器于成像应用时的又一可选实施例的纵向剖面示意图。
具体实施方式
本发明的一个方面旨在提供一种基于超材料结构的石墨烯晶体管，其可具有场效应晶体管结构，并可包括从下至上依次形成在衬底上的栅极金属层、栅极介质层、石墨烯层、源极与漏极金属层，其中，源极与漏极金属层的部分结构形成周期性的金属微纳米结构，并且与栅极金属层和栅极介质层一起构成具有近完全吸收特性的超材料结构。
当将前述石墨烯晶体管应用为光探测器时，前述周期性微纳米结构的周期应小于光探测器的工作波长，从而保证其超材料结构特性，但对于前述周期性微纳米结构的周期单元的形态而言，并不存在限制，其可以根据实际应用的需要而定。
前述衬底可选用但不限于硅片、玻璃、塑料、不锈钢等硬质或柔性衬底，用于支撑石墨烯晶体管结构。
前述栅极金属层可以采用一层连续的金属薄膜，其材料可选用但不限于金、银、铜、铝、铂、钛等，其厚度优选在50nm以上，尤其是50nm-300nm。
前述的栅极介质层的材质优选为低光吸收的介电材料（例如在可见光波段），比如，可选用但不限于二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝等。
前述的石墨烯层可采用10层以下的石墨烯，其位于栅极金属层与栅极介质层上，并且与源极与漏极金属层的下表面接触，形成源极与漏极间的导电沟道。
前述源极与漏极金属层可选自且不限于金、银、铜、铝、铂、钛等单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构，其厚度优选为20-200nm。
作为较佳实施方案之一，至少前述源极与漏极的局部区域交错排列并构成周期性的微纳米结构。
前述栅极金属层、栅极介质层、源极与漏极金属层一起构成具有近完全吸收的超材料结构。进一步的，通过调控前述栅极介质层的折射率和厚度，源极与漏极的周期结构和厚度，可以优化设计工作在不同波段的近完全吸收的超材料结构。例如，作为较佳的应用方案之一，可以通过电磁场数值分析方法优化超材料结构的介电常数ε和磁导率μ，使得超材料结构的阻抗等于或接近于376.7Ω，从而获得表面的阻抗匹配，抑制反射损耗，获得近100%完全陷光。
前述石墨烯层位于超材料结构中，但很薄(<5nm)，所以并不影响超材料结构的电磁特性。
藉由前述石墨烯晶体管，并通过调控其超材料结构的吸收频段，可以构成不同波段的超高灵敏度高速光探测器。
该基于超材料结构的石墨烯晶体管或由其形成的光探测器在工作时，入射电磁波与前述超材料结构相互作用并被完全局域在超材料结构中，因此入射电磁波与石墨烯层的相互作用得到大大增加，进而极大提高了石墨烯层对入射电磁波的吸收。
又，由于源极与漏极的接触对其下石墨烯的费米能级的改变，使其与石墨烯沟道形成了内建电场，并且源极与漏极金属层的周期微纳米结构交错排列，即使在无源漏极偏压的情况下，光生载流子在石墨烯层导电沟道内也可以非常快速的分别流向源极与漏极，整个过程提高了石墨烯探测器的光电转换效率。若在源极与漏极之间适当加上电压，将进一步提高光电响应。
由于石墨烯可以在可见光到红外甚至更长波段具有均匀的光吸收，因此本发明的石墨烯晶体管及光探测器可以优化设计工作在可见光到红外甚至更长波段。
由于不同波段光探测器共享相同的材料和器件设计，完全可以将不同波段的光探测器集成起来，形成单片的宽带光探测阵列，并且具有多波段成像能力。有鉴于此，本发明的另一个方面旨在提供前述基于超材料结构的石墨烯晶体管及光探测器的成像应用。进一步的讲，其原理在于：
由于石墨烯具有可见光到太赫兹波段的吸收特性，而超材料结构的吸收带可以通过优化结构参数实现可见光到太赫兹波段的调控，综合这两点可以将具有不同超材料结构的工作在不同波段的石墨烯晶体管或光探测器集成为阵列，获得单片的宽光谱的光谱分析能力，并且也可以把不同波段探测器类似可见光彩色图像传感器组成一个像素，将此像素再进行周期排列，构成多波段的图像传感器。
再及，本发明的又一个方面旨在提供一种制备前述基于超材料结构的石墨烯晶体管的方法，作为其中的可实施方案之一，该方法可以包括如下步骤：
（1）在衬底上通过金属薄膜沉积的方法制备栅极金属层；
（2）在栅极金属层上通过薄膜沉积方法制备栅极介质层；
（3）通过气相沉积方法、机械剥离法、氧化还原法、溶剂剥离法或溶剂热法配合衬底转移技术在栅极介质层上制作石墨烯层；
（4）在石墨烯层上通过曝光与显影制作出源极与漏极窗口，由石墨烯导电沟道连接，然后通过剥离与金属薄膜沉积方法制备源极与漏极金属层。
综述之，本发明的特点主要在于：
首先，该石墨烯晶体管或光探测器采用了晶体管结构，其以石墨烯作为导电沟道，实现超快的光生载流子收集，并且利用石墨烯的超宽带光吸收，获得单片的宽带光探测能力；
其次，通过优化设计晶体管结构使其源极与漏极金属层的周期性微纳米结构、栅极介质层和栅极金属层一起构成具有近完全吸收的超材料结构，从而提高位于超材料结构中石墨烯层的光吸收效率，而且超材料结构的工作频率可以优化设计工作在可见光到太赫兹的超宽波段；
结合上述两点，本发明的石墨烯晶体管和光探测器有望展现高速高带宽高灵敏的性能，且通过将具有不同超材料结构的、工作在不同波段的石墨烯晶体管、光探测器组成超级像素，并周期排列形成图像传感器阵列，获得单片的多波段成像能力。
下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明： 
实施例1：参阅图1所示系本实施例基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器纵向剖面图，其包括衬底11、栅极金属层22、栅极介质层33、石墨烯层44、源极55和漏极66金属层，图中箭头77所示系入射光。该实施例中栅极金属层22构成超材料的反射层，源极55与漏极66金属层构成超材料的表面阻抗匹配层，通过优化设计栅极介质层33和源极55与漏极66的周期结构，可得到预设波段的近完全吸收。同时栅极金属层22可以作为晶体管的栅极对石墨烯层44的禁带进行调控并且形成载流子导电沟道，获得光电转换。本实施例通过将石墨烯层集成到超材料结构中，从而提高了入射光与石墨烯的相互作用，即提高光电转换效率；超材料与晶体管结构的兼容性，又保证了采用场效应晶体管，可以快速分离光生载流子，获得光信号到电信号的转换。其源极与漏极如图2所示基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器的俯视示意图，其包括石墨烯层44、源极55和漏极66。可以看到石墨烯层44在源极55与漏极66间形成连接构成导电沟道，并且源极55与漏极66形成一维周期结构，有利于光生载流子的收集，同时组成超材料的表面阻抗匹配层，对偏振方向垂直于此一维光栅结构的入射光波形成近零的反射，从而提高探测器的光电转换效率。
实施例2：本实施例的纵向剖面图可参阅图1，俯视示意图参阅图3，其与实施例1的不同之处主要在于，本实施例中源极55和漏极66形成二维周期结构，其构成的超材料的表面阻抗匹配层对不同偏振方向的入射光均能形成近零的反射，从而进一步提高探测器的光电转换效率。
实施例3：参阅图4所示系本实施例基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器做成像应用的俯视示意图，其中A、B、C、D分别是工作在不同预设波段的石墨烯晶体管光探测器，其结构可以为实施例1和实施例2中的任一个。通过将A、B、C、D探测器集成为一个像素I，并周期排列构成整个图像传感器，就可以获得多波段的成像。比如，A和D分别是蓝色和红色波段石墨烯晶体管光探测器，B和C均为绿色波段石墨烯晶体管光探测器，就构成了一个类似RGB（红绿蓝）彩色图像传感器。优化不同波段的石墨烯晶体管光探测器的各种集成方案，可以获得多波段组合的超级相机。
实施例4：参阅图5所示系本实施例基于超材料结构的石墨烯晶体管光探测器做成像应用的纵向剖面示意图，其包括衬底11，栅极金属层22，栅极介质层330、331和332，石墨烯层440、441和442，源极550、551和552，漏极660、661和662。图中箭头77所示系入射光。不同于实施例3中将不同波段的石墨烯光探测器进行平面内的集成，本实施例将不同波段的超材料结构在垂直于石墨烯层方向级联并构成多波段石墨烯光探测器，使得不同波段的入射光77在不同石墨烯层440、441和442进行光电转换，可分别获得不同波段的光谱信息，实现可见光波段的彩色成像或者宽谱范围的光谱成像。本实施例由于不需要在平面内集成不同波段石墨烯光探测器，因此节省了平面内空间，提高了空间分辨率。
需要说明的是，本发明所揭示的乃较佳实施例的多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。

Claims (10)

1.一种基于超材料结构的石墨烯晶体管，其特征在于，它包括自下而上依次设置的衬底、栅极金属层、栅极介质层、石墨烯层以及源极与漏极金属层；
其中，至少所述源极与漏极金属层的局部区域具有周期性微纳米结构，所述周期性微纳米结构与栅极金属层及栅极介质层配合形成具有近完全吸收特性的超材料结构。
2.根据权利要求1所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管，其特征在于，所述超材料结构的阻抗Z等于或接近于真空阻抗376.7Ω，其中，                                                
Figure 2013100365557100001DEST_PATH_IMAGE001
，ε和μ分别为所述超材料结构的介电常数和磁导率。
3.根据权利要求1所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管，其特征在于，所述源极与漏极金属层的下端面与石墨烯层接触，形成用于连接所述晶体管的源极与漏极的导电沟道。
4.根据权利要求1或3所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管，其特征在于，所述源极与漏极金属层包括源极和漏极，其中，至少所述源极和漏极的局部区域交错排布并形成周期性微纳米结构。
5.根据权利要求4所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管，其特征在于，所述源极与漏极金属层的厚度为20 -200nm。
6.根据权利要求1所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管，其特征在于，所述栅极金属层的厚度在50nm以上。
7.根据权利要求1所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管，其特征在于，所述栅极介质层的材料采用低光吸收的介电材料，所述低光吸收的介电材料包括氧化硅、氮化硅或三氧化二铝。
8.一种光探测器，其特征在于，它包括权利要求1-7中任一项所述的基于超材料结构的石墨烯晶体管。
9.权利要求1-7中任一项所述基于超材料结构的石墨烯晶体管或权利要求8所述光探测器在光谱检测分析设备或图像传感设备中的应用。
10.一种图像传感设备或光谱检测分析设备，其特征在于，它包括阵列分布的复数个权利要求8所述的光探测器。
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