CN103702930B - 用于将光子能转换为电能的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的示例实施例，一种装置，包括纳米柱（36）以及石墨烯薄膜（15），石墨烯薄膜（15）与纳米柱（36）的第一端接触，其中纳米柱（36）包括金属，触点被配置为在石墨烯薄膜（15）中形成本征场区（26），并且其中装置（11）被配置为从本征场区（26）中的光生载流子生成光电流。

Description

用于将光子能转换为电能的方法和装置
技术领域
本申请总体上涉及用于将光子能转换为电能的方法和装置。
背景技术
光检测器通过将吸收的光子能转换为电能(典型地，以电流的形式)来测量光子通量或光功率。它们被广泛用于诸如遥控器、电视机、DVD播放器和相机之类的一系列常用设备。
发明内容
在权利要求中阐明了本发明的示例的各种方面。
根据本发明的第一方面，提供了一种装置，该装置包括纳米柱以及石墨烯薄膜，石墨烯薄膜与纳米柱的第一端接触，其中纳米柱包括金属，触点被配置为在石墨烯薄膜中形成本征场区(intrinsic fieldregion)，并且其中该装置被配置为从本征场区中的光生载流子生成光电流。
根据本发明的第二方面，提供一种制造装置的方法，该方法包括：提供纳米柱；提供与纳米柱的第一端接触的石墨烯薄膜，其中触点被配置为在石墨烯薄膜中形成本征场区；以及将该装置配置为从本征场区中的光生载流子生成光电流。
根据本发明的第三方面，提供一种将光能转换为电能的方法，该方法包括：使用装置，该装置包括纳米柱和石墨烯薄膜，石墨烯薄膜与纳米柱的第一端接触，其中纳米柱包括金属，触点被配置为在石墨烯薄膜中形成本征场区，并且其中该装置被配置为从本征场区中的光生载流子生成光电流；以及用可见光子(light photon)照射本征场区以生成光电流。
根据第四方面，提供一种被记录在载体上的计算机程序，该计算机程序包括被配置为执行、控制或实现本文所描述的任何方法的计算机代码。
附图说明
为了更全面地理解本发明的示例实施例，现在结合附图参考以下描述，其中：
图1示意性地图示了根据本发明的一个方面的装置；
图2示意性地图示了根据本发明的一个方面的肖特基接触的能带图；
图3a是示出用于制造根据本发明的一个方面的装置的步骤的流程图；以及
图3b是示出用于制造根据本发明的一个发面的装置的步骤的流程图。
具体实施方式
多数现有的光检测器利用内部光效应，其中光子的吸收导致载流子从价带被激发到导带，从而导致电流。典型地，材料的吸收限制光谱带宽。例如，基于IV族和III-V族半导体的光检测器不在更长的波长吸收，因为这些材料传输具有比半导体带隙小的能量的辐射。石墨烯吸收从紫外到太赫的范围。作为结果，基于石墨烯的光检测器可以工作在宽得多的波长范围上。通过载子迁移率确定响应时间，并且石墨烯具有高迁移率，因此石墨烯光检测器可以是超快的。
已经既从试验上又从理论上研究了石墨烯的光电响应。已经报道了在0.514μm、0.633μm、1.5μm和2.4μm的波长处的响应。由于石墨烯的超宽带吸收，预期有宽得多的光谱。已经报道了高达40GHz的光响应。光检测器的最大可能操作带宽典型地被它们的渡越时间以及光生电流的有限持续时间所限制。石墨烯光检测器的被渡越时间限制的带宽可以超过1500GHz，超过已知光检测器的带宽。通过参考附图的图1至图3，理解本发明的示例实施例及其潜在优点。
图1描述了包括纳米柱36的阵列、石墨烯薄膜15、第一金电极33a、第二金电极33b、衬底31、电流检测器A和绝缘氧化物层32的装置11的示意图。
图2描述了在图1中示出的纳米柱36之一的第一端21的示意图，石墨烯薄膜15与第一端21接触22。
阵列16中的每个纳米柱包括金属，并且触点22被配置为在石墨烯薄膜15中形成本征场区26。在触点22处，石墨烯带边25具有与肖特基(Schottky)势垒24基本上相同的能量；肖特基势垒24起因于在石墨烯和金属之间的功函数的差值。在本征场区26中，作为电荷重新分配的结果，形成本征电场。本征场区26跨在石墨烯层15和纳米柱的阵列之间的接口延伸。本征场区26从触点22延伸介于100nm和200nm之间的距离而进入石墨烯层15中。
装置11被配置为从本征场区中的光生载流子生成光电流。由(例如在石墨烯薄膜15中)被吸收的光子P光生的电子-空穴对可以在本征场区26中分离，以形成自由电子和自由空穴。在本征电场的影响下，自由电子和自由空穴的移动导致跨本征场区26并且介于第一金电极33a和第二金电极33b之间的光电流I。由电流检测器A检测光电流I。装置11因此可以用作光检测器，以通过测量光电流I来检测光子P。
存在两个主要现象，其使得装置11成为高效光检测器。石墨烯层15自身可以几乎不吸收撞击(imping)在装置11上的辐射，然而，纳米柱36的阵列可以提供用于陷光的有效结构。由于局部场增强和相关的等离子效应，作为在纳米柱阵列36和石墨烯层15之间的接触的结果，可以增强在石墨烯层中的光子吸收。尽管在该示例中第一电极33a包括金，但是在空气中不显著氧化的其它金属可以被用于形成与石墨烯的接触，并且这些材料可以包括下列各项中的一项或多项：铂、钯和镍。在本征电场的影响下，自由电子和自由空穴的移动，导致跨本征场区26的光电流，该本征场区26从触点22延伸介于100nm和200nm之间的距离而进入石墨烯层15。通过应用导致触点22的多重性(multiplicity)的配置，光电流可以相应地增加。
通过在图3a和图3b中示意性地图示的过程来制造装置11。衬底31(其在该情况下是重掺杂的硅晶片)的表面被热氧化，以产生100nm厚的二氧化硅绝缘层32。沉积与绝缘层32接触的第一金电极33a以及与硅晶片31接触的第二金电极33b。在图3a中示出的步骤1，通过光刻法(photolithography)沉积牺牲光刻胶(photoresist)层35，并且通过使用缓冲的HF蚀刻剂的湿法过程、通过局部蚀刻而在二氧化硅层32中产生开口34，以暴露下面的硅晶片31。
在图3a中示出的步骤2，通过在感性耦合的等离子室中的硅蚀刻过程来制造硅纳米柱36。该室包括感性耦合线圈，该线圈从被引入到该室的气体生成等离子。具有在15分钟和40分钟之间的持续时间的该过程包括硅晶片表面的交替钝化以及蚀刻。该蚀刻具有两个阶段：蚀刻通过钝化形成的钝化层，以及然后蚀刻通过蚀刻钝化层而被暴露的硅表面。在整个硅蚀刻过程期间，室温为40℃，并且硅晶片温度为20-30℃。在钝化期间：进入该室的C4F8气体流量为85sccm，循环时间为10-16s，线圈功率为500-600W，以及室压为18mTorr。在蚀刻循环期间，SF6气体流量为130sccm，O2气体流量为13sccm，循环时间为9s，线圈功率为500-600W，衬底功率为10-20W，以及室压为38mTorr。通过该过程，可以获得具有在50-100nm范围内的直径以及在100nm和800nm之间的平均间距的硅纳米柱36。
镍然后被溅射到纳米柱36的阵列上，以形成金属化的Si纳米柱，牺牲光刻胶35被移除，并且在步骤3，在纳米柱36的阵列上沉积石墨烯薄片37，以形成在纳米柱36和第一金电极33a之间的电接触。在图3b中示出的步骤3，装置被配置为通过电连接电极33a和电极33b到电流检测器A而从在本征场区中的光生载流子生成光电流。在备选示例中，纳米柱36的阵列还可以包括金属碳纳米管，诸如多壁碳纳米管。
在不以任何方式限制以下出现的权利要求的范围、解释或应用的情况下，本文所公开的示例实施例中的一个或多个示例实施例的技术效果是为了引起对入射到光检测器上的辐射的快速检测。本文所公开的示例实施例中的一个或多个示例实施例的另一技术效果是为了制造能够检测在宽的波长光谱上的辐射的光检测器。
如果需要，可以以不同顺序和/或彼此同时地执行本文所讨论的不同功能。此外，如果需要，上述功能中的一个或多个功能可以是可选的或者可以被组合。
尽管本发明的各种方面在独立权利要求中被阐明，但是本发明的其它方面包括来自所述实施例和/或具有独立权利要求的特征的从属权利要求的特征的其它组合，而不仅仅包括在权利要求中明确阐明的组合。
在本文中还注意到，虽然以上描述了本发明的示例实施例，但是这些描述不应被视为限制性的。相反地，存在若干变化和修改，其可以在不背离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下做出。

Claims (16)

1.一种用于将光子能转换为电能的装置，包括纳米柱以及石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜与所述纳米柱的第一端接触，其中所述纳米柱包括金属，在所述金属与所述石墨烯之间形成触点，所述触点被配置为在所述石墨烯薄膜中形成本征场区，并且其中所述装置被配置为从所述本征场区中的光生载流子生成光电流。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属包括下列各项中的至少一项：金、铂、钯以及镍。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述纳米柱是下列各项中的一项：纳米线、单壁纳米管或多壁纳米管。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述石墨烯薄膜包括至少一层石墨烯。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括基本上平行的纳米柱的阵列，并且其中所述石墨烯薄膜同时与多个纳米柱物理接触，以在所述石墨烯薄膜中形成多个本征场区。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述纳米柱具有介于20nm和500nm之间的平均直径。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述纳米柱具有介于100nm和400nm之间的平均间距。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中所述装置包括第一电触点和第二电触点，并且其中所述石墨烯薄膜与所述第一电触点接触。
9.一种光检测器，包括根据权利要求1至8中任一项所述的装置。
10.一种用于将光子能转换为电能的方法，包括：
提供包括金属的纳米柱；
提供与所述纳米柱的第一端接触的石墨烯薄膜，其中在所述金属与所述石墨烯之间形成触点并且所述触点被配置为在所述石墨烯薄膜中形成本征场区；以及
从所述本征场区中的光生载流子生成光电流。
11.根据权利要求10所述的方法，其中提供纳米柱包括提供形成纳米柱的阵列的一部分的纳米柱。
12.根据权利要求11所述的方法，其中通过使用自掩蔽蚀刻过程蚀刻衬底来制造所述阵列。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述自掩蔽蚀刻过程是深度反应离子蚀刻过程。
14.根据权利要求12所述的方法，其中还通过将所述金属沉积到所蚀刻的衬底上来提供所述纳米柱。
15.根据权利要求14所述的方法，其中使用溅射过程来沉积所述金属。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中所述方法还包括提供第一电触点和第二电触点，以使得所述石墨烯薄膜与所述第一电触点物理接触。
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