CN104993056A - 一种宽频谱柔性光电探测器及其制作方法 - Google Patents

一种宽频谱柔性光电探测器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽频谱柔性光电探测器及其制作方法，该探测器自下而上依次包括：柔性衬底层，在柔性衬底层上生长的金属电极层，该金属电极层为栅极，在金属电极层上覆盖生长的介质层，生长或转移覆盖在介质层上的石墨烯层，在石墨烯层的两端设置的第一金属电极和第二金属电极，所述的第一金属电极为源电极，所述的第二金属电极为漏电极。本发明可快速探测到石墨烯中光生载流子引起的源漏电极之间的光电流变化。因为石墨烯禁带宽度为零，且具有高电子迁移率、低电阻率，发明能够实现宽频谱、响应迅速的光电探测。同时因光电探测器采用柔性衬底，故本发明形状可弯曲伸展，形成柔性探测，具有广泛应用前景。

Description

一种宽频谱柔性光电探测器及其制作方法
技术领域
本发明涉及柔性探测技术领域，尤其是涉及一种宽频谱柔性光电探测器及其制作方法。
背景技术
对于光电探测器而言，探测频谱宽度和响应速度是衡量其性能的生要参数。传统的硅基和砷化镓基的光探测器的波谱范围和探测带宽受到其能带和载流子迁移率的限制，难以实现超快的宽带吸收的光电探测，即传统的光电探测器不能满足某些对器件性能要求严格的应用场合。
和传统的光电探测器的制备材料相比，石墨烯具有优异的光学及电学特性。在可见光范围内，单层石墨烯能透过约97.7％的入射光；石墨烯具有优异的导电性能，其理论载流子迁移率远高于硅。这些优异的性能促使石墨烯在光电探测领域具有广泛的应用前景。
同时，石墨烯具有独特二维平面结构和狄拉克锥形电子能带结构、以及紫外到近红外的宽谱光吸收特性。石墨烯的狄拉克能带结构将导致光生载流子倍增效应，避免了传统半导体pn结光电转换过程中热电子热能的损失，具有高速高效光电检测性能。同时由于用石墨烯制作的光电探测器可以实现在很宽的波长范围内实现探测。采用石墨烯构建的光电探测器，具有探测波谱范围宽、超快响应速度的工作特性。
另一方面，石墨烯主要是由单层或几层碳原子薄膜支撑，是世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料，其具有高达～1.0TPa的杨氏模量，有很好的机械韧性。将大面积生长的石墨烯薄膜转移到任意柔性材料上，可随之弯曲、折叠，对石墨烯的柔性特征的应用可获得可弯曲伸展的柔性光电探测器。与传统光电探测相比，柔性探测技术拥有众多优点：
(1)器件可弯曲与伸展，由此可诞生众多新型应用领域
(2)可以在柔性和大面积衬底上采用大规模印刷技术加工实现，生产成本低廉；
(3)加工设备简单，前期投入成本低；
(4)加工过程属于低温工艺，工艺简单，不会对环境造成污染。
中国专利CN 102473844A公开了一种使用栅极氧化物层上的单层或多层石墨烯作为光子探测层的光探测器。公开了具有源极、漏极和栅极电极的不同配置的多个实施方式。另外，公开了包含多个光探测元件的光探测器阵列，用于诸如成像和监控等应用。在石墨烯层之下的光波导可嵌入衬底或栅极氧化物层内，以将光子引导至石墨烯层。在该发明中，背栅极由硅背栅极(重掺杂或轻掺杂)组成，由于硅材料特性，此发明公开的光探测器不具有柔性特征，发明不可被弯曲折叠，而本发明公开的宽频谱柔性探测器采用柔性衬底及柔性介质层，器件可弯曲与伸展，由此可诞生众多新型应用领域。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可弯曲折叠、弯折后器件的电学性能保持不变的宽频谱柔性光电探测器及其制作方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种宽频谱柔性光电探测器，自下而上依次包括：
柔性衬底层，
在柔性衬底层上生长的金属电极层，该金属电极层为栅极，
在金属电极层上覆盖生长的介质层，
生长或转移覆盖在介质层上的石墨烯层，
在石墨烯层的两端设置的第一金属电极和第二金属电极，所述的第一金属电极为源电极，所述的第二金属电极为漏电极。
所述的柔性衬底层为超薄玻璃、高分子聚合物或金属箔片，所述的高分子聚合物为聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
所述的金属电极层为通过电子束蒸发生长在柔性衬底层上的金层，厚度在200nm以内。
所述的介质层为有机材料层、透明Al2O3层或铁电介质层，厚度在50nm以内，其中，有机材料为聚四乙烯苯酚、聚乙烯吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
石墨烯沟道被转移放置在介质层上。所述石墨烯层为单层或多层石墨烯，其厚度为5nm以内。
所述的第一金属电极和第二金属电极的材料为金、铝或钛，厚度为10-100nm。
在源电极和漏电极之间施加固定偏压，源栅电极之间施加栅极电压；当光波垂直入射衬底时，石墨烯吸收入射光子产生载流子，通过调节栅极电压来调制所述石墨烯层的光电流，进而产生外部信号达到探测的目的。因为石墨烯禁带宽度为零，在室温下具有超高电子迁移率、很低的电阻率，发明能够实现光谱带宽、响应迅速的光电探测。同时因光电探测器采用柔性衬底，发明中使用的主要材料均具有可弯曲特性，故本发明属于柔性电子器件，探测器的形状可弯曲折叠，应用灵活。
宽频谱柔性光电探测器的制作方法，采用以下步骤：
(1)清洗衬底：将柔性衬底层清洗干净；
(2)制作栅电极：通过电子束蒸发或磁探测射方法在柔性衬底层上生长一层金属电极层；
(3)制作介质层：通过原子层淀积或旋涂在金属电极层上方生长介质层；
(4)制作石墨烯层：在介质层上直接生长或通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯沟道；
(5)制作电极：用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯层上制作器件的源电极和漏电极。
所述的石墨烯层为单层或数层。
石墨烯沟道采用CVD法生长或机械剥离后转移到介质层上。
与现有光电探测技术相比，本发明具有以下优点：
(1)为了解决传统硅基衬底无法满足便携，耐磨损，可伸缩，以及较高透明度的技术特点，故本发明采用的材料均有可弯曲可伸展的柔性特征，发明具有可弯曲折叠的优点，在弯折后器件的电学性能保持不变。相对传统的硅基光电探测器，本发明可实现柔性探测，便于携带，可伸缩，塑性强，可应用在众多新型领域，具有广阔的应用前景。
(2)由于石墨烯的零禁带的能带特征，故本发明可以在很宽的波长范围(紫外到太赫兹)实现探测。
(3)由于石墨烯的载流子迁移率远高于硅材料载流子迁移率，本发明具有很高的光电响应速度。
(4)相对于中国专利CN 102473844A中背栅极由硅背栅极(重掺杂或轻掺杂)组成，由于硅材料特性，CN 102473844A公开的光探测器不具有柔性特征，发明不可被弯曲折叠，而本发明公开的宽频谱柔性探测将石墨烯薄膜转移到柔性材料上，可随之弯曲、折叠，对石墨烯的柔性特征的应用可获得可弯曲伸展的柔性光电探测器，产生了众多的新型应用领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为石墨烯光电流响应曲线。
图中，1-柔性衬底层、2-金属电极层、3-介质层、4-石墨烯层、5-第一金属电极、6-第二金属电极。
具体实施方式
下文结合特定实例说明的实施方式，此处的实施例及各种特征和有利细节将参考附图中图示以及以下描述中详述的非限制性实施例而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的使此处的实施例难以理解。在制作所述结构时，可以使用半导体工艺中众所周知的传统工艺。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的目的在于提供一种宽频谱柔性光电探测器，其结构如图1所示，柔性光电探测器自下而上依次为：采用柔性材料形成的柔性衬底层1，在柔性衬底层1上生长金属电极层2，在金属电极层2上覆盖生长的介质层3，将石墨烯层4转移到介质层3上，在石墨烯层两端生长第一金属电极5和第二金属电极6。金属电极层2为栅极，第一金属电极5为源极，第二金属电极6为漏极，上述结构构成MOS探测器结构；在源漏电极之间施加固定偏压，源栅电极之间施加栅极电压，当光波垂直入射衬底时，石墨烯吸收入射光子产生载流子，通过调节栅极电压来调制所述石墨烯层的光电流，进而产生外部信号达到探测的目的。
新型宽频谱柔性光电探测器实施例如下：
首先将柔性衬底清洗干净，衬底材料可为超薄玻璃，或高分子聚合物，或金属箔片。高分子聚合物为聚酰亚胺(Polyimide)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的一种。本实施例采用PET做为衬底。
之后通过电子束蒸发或磁探测射方法在在PET层上淀积一层金属栅极，材料为金，厚度在200nm以内。
再通过原子层淀积方法(ALD方法)在金属电极层上生长一层透明Al2O3，厚度在50nm以内。
再在介质层上直接生长或通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯沟道，所述石墨烯层可以为单层或数层石墨烯；生长所述石墨烯的方法通过为CVD法，也可能通过标准机械剥离工艺获得石墨烯，之后通过转移技术转移到介质层上。
再制作源、漏电极：用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻制作源、漏电极，材料为金，材料可以为金，铝，钛中的一种，厚度为10-100nm。
在源漏电极之间施加固定偏压，源栅电极之间施加栅极电压。当光波垂直入射衬底时，本发明可快速探测石墨烯中光生载流子引起的源漏电极之间的光电流变化，其光电响应曲线如图2所示，在无光照时，当栅极电压位于狄拉克点电压时，源漏电流最小，在光照情况下，由于石墨烯产生电子空穴对而产生明显光电流现象。
本发明的柔性探测器采用石墨烯作为沟道。石墨烯是一种零带隙半导体材料，其透光性较好，光谱吸收范围可以从紫外到太赫兹频段，因为采用石墨烯为沟道，本发明可以在一个广泛的频谱范围内工作。此外，石墨烯具有超高的载流子迁移率，故本发明响应速度很快。同时石墨烯具有超高的杨氏模量，将所述石墨烯层为沟道的MOS结构生长在柔性衬底上，可使得此发明具有可弯曲可伸展的特点，实现柔性探测，从而可应用于众多新型领域。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术发案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种宽频谱柔性光电探测器，其特征在于，该探测器自下而上依次包括：
柔性衬底层，
在柔性衬底层上生长的金属电极层，该金属电极层为栅极，
在金属电极层上覆盖生长的介质层，
生长或转移覆盖在介质层上的石墨烯层，
在石墨烯层的两端设置的第一金属电极和第二金属电极，所述的第一金属电极为源电极，所述的第二金属电极为漏电极。
2.根据权利要求1所述的一种宽频谱柔性光电探测器，其特征在于，所述的柔性衬底层为超薄玻璃、高分子聚合物或金属箔片，所述的高分子聚合物为聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
3.根据权利要求1所述的一种宽频谱柔性光电探测器，其特征在于，所述的金属电极层为通过电子束蒸发生长在柔性衬底层上的金层，厚度在200nm以内。
4.根据权利要求1所述的一种宽频谱柔性光电探测器，其特征在于，所述的介质层为有机材料层、透明Al2O3层或铁电介质层，厚度在50nm以内，所述有机材料为聚四乙烯苯酚、聚乙烯吡咯烷酮或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种宽频谱柔性光电探测器，其特征在于，石墨烯沟道被转移放置在介质层上。
6.根据权利要求1所述的一种宽频谱柔性光电探测器，其特征在于，所述的第一金属电极和第二金属电极的材料为金、铝或钛，厚度为10-100nm。
7.如权利要求1所述的宽频谱柔性光电探测器的制作方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)清洗衬底：将柔性衬底层清洗干净；
(2)制作栅电极：通过电子束蒸发或磁探测射方法在柔性衬底层上生长一层金属电极层；
(3)制作介质层：通过原子层淀积或旋涂在金属电极层上方生长介质层；
(4)制作石墨烯层：在介质层上直接生长或通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯沟道；
(5)制作电极：用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯层上制作器件的源电极和漏电极。
8.根据权利要求7所述的一种宽频谱柔性光电探测器的制作方法，其特征在于，所述的石墨烯层为单层或数层，厚度在5nm以内。
9.根据权利要求7所述的一种宽频谱柔性光电探测器的制作方法，其特征在于，石墨烯沟道采用CVD法生长或机械剥离后转移到介质层上。
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