CN105428435A - 一种高灵敏度紫外光探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度紫外光探测器，采用紫外光吸收型有机薄膜作为光电吸收层吸收紫外光，并采用具有高迁移率的石墨烯作为电流通道传输载流子，可大大缩短光电反应时间、提高器件光电灵敏度；同时，石墨烯和有机薄膜作为柔性材料，也为器件的柔性集成化提供了一种可行方案。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种高灵敏度紫外光探测器及其制作方法。
背景技术
紫外光波段一般分布在200nm～400nm，并且，通常可将其波段分为三部分，即：UVA320～340nm、UVB290nm～320nm和UVC200～240nm。通常太阳中的UVC会被臭氧层吸收掉，UVB会对表皮产生强烈的光损伤，UVA会穿过表皮进入真皮，导致表皮老化和变黑。
紫外光探测器是探测器的一种，可以利用光敏元件通过光伏模式和光导模式将紫外光信号转换为可测量的电信号。
在民用和军事上，对紫外光的探测一直有着广泛的应用，并可根据紫外光的三个不同波段(即UVA、UVB和UVC)制作具有相应波段屏蔽作用的紫外光探测器。高灵敏度的紫外光探测器在工业应用上，可以进行火灾预警、臭氧监测等。而应用到个人健康方面，可包括防范紫外光伤害、紫外光光疗等等医疗卫生领域。紫外光探测器在军事上的应用更加重要，主要可应用在导弹制导、生化分析、紫外通讯等方面。
近年来，宽禁带半导体(如GaN，InGaN)等灵敏度很高的紫外光探测器已逐步替代体积大、工作电压高的真空管和在可见光区域有干扰的硅基紫外光探测器。
随着物联网的发展、可穿戴设备的需求和柔性器件的研究和发展，由有机薄膜代替固体块材作为沟道层的研究设计，为柔性器件集成提供了一种方案。
但是，传统的有机薄膜也同时存在着响应时间长、迁移率低的缺点。并且，在以往研究中，有机物光电探测器的光电高灵敏度和快速反应不可兼得。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高灵敏度紫外光探测器及其制作方法，可以大大缩短光电反应时间并提高器件光电灵敏度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高灵敏度紫外光探测器，包括：一半导体衬底，建立在衬底上的栅极，以及形成沟道的石墨烯片；其中，石墨烯片上叠设有紫外光吸收型有机薄膜，石墨烯片的两端耦合源、漏电极，并通过栅氧层与栅极隔离。
优选地，所述有机薄膜为C5-BTBT。
优选地，所述C5-BTBT中掺杂有p-DR1。
优选地，所述p-DR1的掺杂比例为4-6％。
优选地，所述石墨烯片为一至多层。
优选地，所述源、漏电极为金属电极。
优选地，所述金属电极材料为Au。
一种高灵敏度紫外光探测器的制作方法，包括：提供一半导体衬底，在所述衬底上制备栅极和作为沟道的石墨烯片；在石墨烯片上形成紫外光吸收型有机薄膜，并在有机薄膜上制备源、漏电极。
优选地，石墨烯片沟道的制备方法包括：通过机械剥离方法或者CVD方法获得单层、双层或多层石墨烯片，将获得的石墨烯片转移到所述衬底上；形成紫外光吸收型有机薄膜的方法包括：在转移后的石墨烯片上旋涂紫外光吸收型有机物成膜，并在真空中干燥成型；制备源、漏电极的方法包括：在有机薄膜的两端通过真空蒸发方法淀积电极金属，形成源、漏金属电极。
优选地，所述衬底为刚性或柔性衬底，所述紫外光吸收型有机薄膜为掺杂有p-DR1的C5-BTBT，所述电极金属为Au。
从上述技术方案可以看出，本发明通过采用紫外光吸收型有机薄膜作为光电吸收层吸收紫外光，并采用具有高迁移率的石墨烯作为载流子输运层传输载流子，从而可大大缩短光电反应时间、提高器件光电灵敏度；同时，石墨烯和有机薄膜作为柔性材料，也为器件的柔性集成化提供了一种可行方案。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例中的一种高灵敏度紫外光探测器结构示意图；
图2是图1中的高灵敏度紫外光探测器的探测电路结构示意图；
图3是本发明一较佳实施例中的一种高灵敏度紫外光探测器的制作方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例中的一种高灵敏度紫外光探测器结构示意图。如图1所示，本发明的一种高灵敏度紫外光探测器，建立在一半导体衬底上，以具有背栅型的紫外光探测器结构为例，包括：设于衬底100上的背栅200，并采用石墨烯片400作为形成沟道的材料。背栅200与石墨烯片沟道400之间通过栅氧层300进行隔离。作为一可选的实施方式，所述衬底不限于硅材料衬底，也可以为其他刚性衬底，还可以选用柔性衬底。在本实施例中，采用硅材料衬底100，其厚度约为210nm。此外，在本发明的高灵敏度紫外光探测器结构中，也可以采用顶栅型结构。
请继续参阅图1。在石墨烯片400上叠设有紫外光吸收型有机薄膜500，石墨烯片400的两端耦合源(S)、漏(D)电极600。从而，本发明的高灵敏度紫外光探测器具有三层结构，第一层是衬底层，包括衬底100、背栅200及栅氧层300；第二层是沟道层，可将通过机械剥离或者CVD方法得到的石墨烯片400转移到硅衬底上作为沟道材料，并通过旋涂方法将有机物旋涂到石墨烯片400上形成紫外光吸收型有机薄膜500；第三层是电极层，包括源(S)、漏(D)电极600。
上述本发明的高灵敏度紫外光探测器，采用有机薄膜吸收紫外光，并采用石墨烯作为电流通道传输载流子。单层石墨烯由单层碳原子构成，是目前已知迁移率较高的一种二维半导体材料，其迁移率在常温常压下为60000cm2V-1·S-1，且可弯曲，透光性好。将石墨烯应用在本发明中作为沟道材料，可将紫外光探测器的反应速度由秒量级提高到纳秒量级，并使得灵敏度最高可以达到10^8A/W。
作为一优选的实施方式，在上述本发明的高灵敏度紫外光探测器结构中，所述有机薄膜可采用C5-BTBT(2,7-dipentyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，2,7-二苯基[1]苯并噻吩[3,2-B][1]苯并噻吩)，其吸收紫外光波段约为280-370nm。由于C5-BTBT只吸收紫外光，因而器件就无需对光源进行过滤。上述有机薄膜在吸收紫外光后产生的光载流子(主要是空穴)通过隧穿到石墨烯价带中，石墨烯在器件中作为载流子输运层，从而可大大提高光感应的灵敏度、缩短光电反应时间。石墨烯和有机薄膜作为柔性材料，可以集成在刚性的硅衬底上，也可以集成在柔性衬底上，为器件的柔性化和小型化提供了一种可行方案。
作为一优选的实施方式，所述石墨烯片400可为一至多层，即可由单层石墨烯构成，也可由双层石墨烯或多层石墨烯叠加起来构成。所述C5-BTBT有机薄膜500中可掺杂有有机物p-DR1(dispersered1，分散红1；分子式为C16H18N4O3)，目的旨在将C5-BTBT吸收紫外光后产生的光电子束缚在p-DR1的能级中，以增加电子空穴的寿命，进一步提高光电响应灵敏度。作为优选，所述p-DR1的掺杂比例可为4-6％，例如在本实施例中，可在C5-BTBT中掺杂5％的p-DR1。
作为一优选的实施方式，所述源、漏电极600可采用金属电极，例如采用Au作为金属电极材料，并通过真空蒸发方法淀积到石墨烯片上的有机薄膜左右两端。
上述本发明的高灵敏度紫外光探测器的工作原理为：紫外光源通过器件的光学窗口到达器件。当有机物C5-BTBT吸收紫外光后，有机薄膜产生光电子(电子空穴对),电子跃迁到有机薄膜导带,空穴则在有机薄膜的价带中；其中，当C5-BTBT中掺杂有有机物p-DR1时，该掺杂有机物会在有机薄膜的能带中产生缺陷态，从而将产生的光电子束缚在缺陷态中，使电子和空穴不易复合，增加电子空穴对寿命。空穴通过有机薄膜和石墨烯之间的势垒产生量子隧穿效应隧穿到石墨烯的价带中，一方面很好地隔离了电子和空穴，另一方面更增加了电子空穴的复合难度，可以使器件电流快速达到饱和,增加了器件的光电反应速度。
请参阅图2，图2是图1中的高灵敏度紫外光探测器的探测电路结构示意图。如图2所示，紫外光源可通过器件的光学窗口到达器件(如图示源、漏之间的空心箭头所指)。在对紫外光进行探测时，将器件背栅极接地Vgs＝0，源、漏间加偏置Vds＜0。此时由于受到紫外光光照，有机薄膜瞬间产生电子空穴对，电子被束缚在掺杂有机物p-DR1中，空穴经过隧穿到达石墨烯价带。通过两端电极上的偏置，空穴在石墨烯中不断产生，并由源端输运到漏端，光电流形成。光电流随着光强度的增大而增大，通过测试光电流的变化和外部电路的显示即可得到紫外光的强度值。
当对背栅极加栅压例如Vgs＝-60V的脉冲电压(1微秒)时，电子与空穴复合，重置器件。重复以上步骤，即可刷新数据。
下面通过具体的实施方式，对本发明的一种高灵敏度紫外光探测器的制作方法进行详细的说明。
请参阅图3，图3是本发明一较佳实施例中的一种高灵敏度紫外光探测器的制作方法流程图；并可同时参考图1加以理解。以制备背栅型的紫外光探测器结构为例，如图3所示，本发明的一种高灵敏度紫外光探测器的制作方法，可包括以下步骤：
如框01所示，步骤S01：提供一半导体衬底，在所述衬底上制备背栅和栅氧层。
作为一可选的实施方式，所述衬底不限于硅材料衬底，也可以为其他刚性衬底，还可以选用柔性衬底。在本实施例中，采用硅材料衬底，其厚度约为210nm。此外，也可以制备顶栅型的紫外光探测器结构。
如框02所示，步骤S02：制备由单层、双层或多层石墨烯组成的石墨烯片，作为沟道材料。
可通过机械剥离方法来获得高质量、层数均匀的单层或双层石墨烯，构成石墨烯片；或者采用更为接近量化技术的CVD方法来获得单层或多层石墨烯，构成石墨烯片。
如框03所示，步骤S03：将制备好的石墨烯片转移到所述衬底上。
在转移时，可利用光学显微镜找到石墨烯，并通过拉曼光谱方法确定石墨烯片的层数和均匀度。
如框04所示，步骤S04：在石墨烯片上制备紫外光吸收型有机薄膜。
可通过旋涂方式，在转移后的石墨烯片上涂覆一层紫外光吸收型有机物成膜，该有机物例如可为C5-BTBT(2,7-dipentyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，2,7-二苯基[1]苯并噻吩[3,2-B][1]苯并噻吩)；其中，旋涂速度可为2000rmp，时间为120s；然后，在真空中干燥成型。
还可在C5-BTBT中掺杂p-DR1(dispersered1，分散红1；分子式为C16H18N4O3)，掺杂比例可为4-6％，例如5％。当C5-BTBT吸收紫外光后，有机薄膜产生光电子(电子空穴对)，掺杂有机物p-DR1可将产生的光电子束缚，使电子和空穴不易复合，增加电子空穴对寿命。
如框05所示，步骤S05：在有机薄膜上制备源、漏电极。
可通过真空蒸发方法，在石墨烯片上的有机薄膜两端淀积电极金属，例如淀积100nm的金属金(Au)，形成源、漏金属电极，并完成本发明高灵敏度紫外光探测器的制作。
综上所述，本发明通过采用紫外光吸收型有机薄膜作为光电吸收层吸收紫外光，并采用具有高迁移率的石墨烯作为载流子输运层传输载流子，从而可大大缩短光电反应时间、提高器件光电灵敏度；同时，石墨烯和有机薄膜作为柔性材料，也为器件的柔性集成化提供了一种可行方案。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高灵敏度紫外光探测器，其特征在于，包括：一半导体衬底，建立在衬底上的栅极，以及形成沟道的石墨烯片；其中，石墨烯片上叠设有紫外光吸收型有机薄膜，石墨烯片的两端耦合源、漏电极，并通过栅氧层与栅极隔离。
2.根据权利要求1所述的紫外光探测器，其特征在于，所述有机薄膜为C5-BTBT。
3.根据权利要求2所述的紫外光探测器，其特征在于，所述C5-BTBT中掺杂有p-DR1。
4.根据权利要求3所述的紫外光探测器，其特征在于，所述p-DR1的掺杂比例为4-6％。
5.根据权利要求1所述的紫外光探测器，其特征在于，所述石墨烯片为一至多层。
6.根据权利要求1所述的紫外光探测器，其特征在于，所述源、漏电极为金属电极。
7.根据权利要求6所述的紫外光探测器，其特征在于，所述金属电极材料为Au。
8.一种高灵敏度紫外光探测器的制作方法，其特征在于，包括：提供一半导体衬底，在所述衬底上制备栅极和作为沟道的石墨烯片；在石墨烯片上形成紫外光吸收型有机薄膜，并在有机薄膜上制备源、漏电极。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，石墨烯片沟道的制备方法包括：通过机械剥离方法或者CVD方法获得单层、双层或多层石墨烯片，将获得的石墨烯片转移到所述衬底上；形成紫外光吸收型有机薄膜的方法包括：在转移后的石墨烯片上旋涂紫外光吸收型有机物成膜，并在真空中干燥成型；制备源、漏电极的方法包括：在有机薄膜的两端通过真空蒸发方法淀积电极金属，形成源、漏金属电极。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述衬底为刚性或柔性衬底，所述紫外光吸收型有机薄膜为掺杂有p-DR1的C5-BTBT，所述电极金属为Au。
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