CN105957955A - 一种基于石墨烯平面结的光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于石墨烯平面结的光电探测器，包括衬底，所述衬底表面两端各设置一个金属电极，所述金属电极之间连接有石墨烯整体条带，所述石墨烯整体条带一端为宽条带部，一端为窄条带部。发明提出的石墨烯平面结型光电探测器，利用不同宽度石墨烯条带能带结构的差异，引起宽窄条带塞贝克系数的差异，从而基于光热电效应，实现零偏压光电探测。本发明的器件结构和工艺流程简单，避免了冗繁的石墨烯化学掺杂工艺，并可实现并联结构提高光响应度；基于石墨烯的红外吸收特性，本发明提供的光电探测器可用于中远红外和太赫兹光电探测，是一种极具实用性的光电探测器结构。

Description

一种基于石墨烯平面结的光电探测器

技术领域

本发明属光电探测技术领域，涉及一种基于石墨烯平面结的光电探测器。

背景技术

石墨烯是一种新兴的二维原子晶体材料，其超宽的光吸收波段和超快的载流子迁移率，以及对硅基集成电路工艺的兼容性，使得石墨烯材料特别适用于光电探测器制作。目前基于石墨烯材料的光电探测器已经在宽波段探测和超快光电探测器方面取得了显著的进展。

目前，基于石墨烯的光电探测器主要基于光电导型、内建电场光伏型、光热电型和测辐射热计型(参见Koppens F.H.L.et al.,“Photodetectors based on graphene,othertwo-dimensional materials and hybrid systems”,Nature Nanotechnology,9,780,2014)。光电导型石墨烯光电探测器主要面临暗电流大的问题，内建电场光伏型由于石墨烯的单层结构导致内建电场作用范围有限。在专利方面，已经公开的专利以光电导型和内建电场光伏型为主，基于光热电型和测辐射热计型的较少。杨盛谊等人于2011年申请的专利“一种基于胶体量子点及石墨烯为光电极的光电探测器及其制备方法”201110237300.8，就公开了一种量子点增强吸收的石墨烯光电导型光电探测器，其特点在于量子点的加入大大增强了石墨烯的光吸收，同时利用光调制效应增加光电流，实现较高的光响应度，但是由于石墨烯薄膜的半金属特性，此结构的石墨烯存在暗电流较大的问题。周大华等人于2015年申请的专利“基于石墨烯薄膜的光电探测器及其制备方法”201510825269.8，公开了一种基于石墨烯背栅晶体管的光伏型石墨烯光电探测器，利用金属-石墨烯接触的内建电场，实现光生载流子分离，但是由于金属接触区域的局限性，此结构的光电探测探测效率较低，光响应度受到较大限制。

近期的研究表明，光热电型光电探测器是石墨烯光电探测各项机理中占主导作用。然而，目前观察到的光热电现象主要基于单层-双层石墨烯界面(参见Xu X.D.et al.,“Photo-Thermoelectric Effect at a Graphene Interface Junction”,Nano Letters,10,562,2010)、顶栅背栅同时调制的双栅器件(参见Gabor N.M.et al.,“Hot Carrier–Assisted Intrinsic Photoresponse in Graphene”,Science,4,334,2011)等复杂结构中，不利于光电探测器的应用开发。

总的来说，石墨烯的特殊能带结构使其成为很有希望的光电探测器材料，但是目前的石墨烯光电探测器结构普遍存在暗电流偏大、效率较低等问题，一种工艺简单，具有实际工艺操作性的光热电型石墨烯光电探测器结构具有重大的潜力需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯平面结的光电探测器，基于不同宽度石墨烯材料能带结构差异引起的光热电效应，在平面结附近形成一定的光电压和光电流，实现零偏压光信号探测。

本发明的基于石墨烯平面结的光电探测器，包括衬底，所述衬底表面两端各设置一个金属电极，所述金属电极之间连接有石墨烯整体条带，所述石墨烯整体条带一端为宽条带部，一端为窄条带部，所述石墨烯整体条带的最大宽度小于100纳米。

作为优选，所述石墨烯整体条带为一条，或者平行设置的多条。

作为优选，所述衬底为绝缘衬底，或者所述衬底为覆盖有一层绝缘层的非绝缘衬底。

作为优选，所述衬底设置有凹槽，所述石墨烯整体条带悬空于凹槽之上。

作为优选，所述石墨烯整体条带为单层或双层。

作为优选，所述金属电极包括但不限于金、铬、钛、钯、铝、钪或银。

本发明还提供一种基于石墨烯平面结的光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)衬底准备：所述衬底为绝缘衬底或者覆盖有一层绝缘层的非绝缘衬底；

(2)制备石墨烯薄膜并转移至衬底上；

(3)在石墨烯薄膜表面沉积金属形成金属电极；

(4)刻蚀石墨烯薄膜形成石墨烯条带；

(5)利用微纳加工技术，使石墨烯条带形成宽条带部和窄条带部。

作为优选，步骤(1)还包括通过刻蚀技术在衬底上形成凹槽。

作为优选，步骤(2)所述石墨烯薄膜的制备方法包括利用化学气相沉积生长石墨烯薄膜，基底采用表面平整的铜箔。

作为优选，步骤(2)石墨烯的转移为湿法转移；转移可一次或两次。

作为优选，步骤(3)利用光刻技术在底层石墨烯表面进行电极图形化，通过镀膜机沉积金属并结合剥离工艺，形成金属电极。

作为优选，步骤(4)利用光刻和氧等离子体刻蚀技术，形成石墨烯条带，然后去除光刻胶。

作为优选，步骤(5)利用微纳加工技术，形成不同宽度的石墨烯条带。可以采用但不限于聚焦氦离子束加工技术。

本发明提供的石墨烯平面结的光电探测器，其主要原理是，通过不同宽度的石墨烯条带形成能带结构不同的石墨烯平面结两端器件，利用平面结作为核心光敏结构，基于平面结两端能带差异引起的塞贝克系数差异，通过光热电效应实现光电探测，如图1所示。基于光热电效应的器件光电流由下式决定：

$I=\frac{(S_1-S_2)\mathrm{\Δ}T}{R}$

可见，结附近的塞贝克系数之差S₁-S₂是光电流产生的决定因素，而石墨烯材料的塞贝克系数与能带结构密切相关，对于小于100纳米的石墨烯条带，能带结构随着石墨烯条带的宽度而变化，从而引起塞贝克系数的变化。此外，从上面的公式可以看出，结两端材料的温度差对于可探测光电流的大小有重要影响，而加入悬空结构可以大大增加结两端石墨烯条带的温度差，有利于提高探测器可响应的光电流水平。同时，由于宽度小于100纳米的石墨烯条带将会形成一定的禁带宽度，避免了石墨烯薄膜半金属特性带来的较大的暗电流，所以石墨烯条带的引入对暗电流产生抑制作用。

本发明提出的石墨烯平面结型光电探测器，避免了冗繁的石墨烯化学掺杂工艺，利用能带结构的差异形成平面结，可实现并联结构提高光响应度，结构简单是一种极具实用性的光电探测器结构。

附图说明

图1是本发明石墨烯平面结光热电效应原理图

图2是本发明石墨烯平面结光电探测器的平面图

图3是本发明石墨烯平面结光电探测器的剖面图

图4是本发明实施例中的石墨烯平面结阵列的平面图

附图标记说明

1 石墨烯整体条带的宽条带部

2 石墨烯整体条带的窄条带部

3，4 金属电极

5 凹槽

6 衬底

具体实施例

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

下面结合附图详细说明本发明提出的石墨烯平面结型光电探测器，如图2-4所示。主要工艺步骤包括：

1、衬底6准备。衬底6为绝缘衬底或者具有一层绝缘层的非绝缘衬底。在本实施例中，采用覆盖有热氧化二氧化硅的重掺杂P型硅衬底。衬底6在使用前，利用SC1+SC2溶液方式清洗。优选在衬底6上形成凹槽5：采用光刻+湿法腐蚀工艺，利用稀释的HF酸(HF饱和溶液：H₂O＝10:1)刻蚀掉凹槽5区域硅片表面的部分氧化硅，形成凹槽5，之后用丙酮去除光刻胶，其中凹槽5深度为20纳米～200纳米；

2、石墨烯生长。利用化学气相沉积仪生长石墨烯薄膜，基底采用表面较为平整的铜箔，原料为分析纯乙醇。在高温作用下，乙醇中的碳原子通过在铜衬底上吸附、迁移等过程后沉积在衬底表面形成石墨烯薄膜。最终获得的石墨烯薄膜层数控制在1～2层。

3、石墨烯转移。利用PMMA胶有机光刻胶作为支撑体，将石墨烯从铜箔上转移到硅片表面。将石墨烯切割成大约所需尺寸(在本实施例中，可选3cm*3cm)，用胶布粘贴到硬质衬底上，比如硅片上，然后将PMMA溶液旋涂至石墨烯表面，转速为2000转～4000转，随后在烘箱中100度烘烤10分钟。将上述旋涂有PMMA的石墨烯和铜箔从硬质衬底上取下后，先利用氧等离子刻蚀去除背面的石墨烯，然后用湿法腐蚀去除铜箔，以FeCl₃+HCl溶液(1:1)为刻蚀溶液，反应时间为3小时～12小时。溶铜完成后，利用去离子水反复漂洗，然后将带有PMMA的石墨烯放置到硅片衬底上，等待半小时左右，然后100度后烘10分钟，再将硅片进入丙酮溶液去除PMMA胶，石墨烯转移完成。

4、金属电极3,4。金属电极采用光刻+剥离的方式制备，金属电极可采用热蒸镀或者电子束蒸镀制备。在本实施例中，采用Cr+Au组合，厚度分别为5纳米+45纳米。

5、石墨烯条带化。此工步主要实现微米级的石墨烯条带化，基于光刻+反应离子刻蚀的方式加工。

6、平面结制备。此工步可以但不限于物理或者化学刻蚀方式，在此实施例中，利用聚焦氦离子束实现小于100纳米的不同宽度石墨烯条带，即宽条带部1和窄条带部2。

为了增大光电流信号，提高探测水平，本发明的平面结结构可以实现平面结阵列，如图4所示，具体工艺步骤与上述实施例完全一致。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，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，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动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方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯平面结的光电探测器，其特征在于，包括衬底，所述衬底表面两端各设置一个金属电极，所述金属电极之间连接有石墨烯整体条带，所述石墨烯整体条带一端为宽条带部，一端为窄条带部，所述石墨烯整体条带的最大宽度小于100纳米。

2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述石墨烯整体条带为一条，或者平行设置的多条平面结阵列。

3.根据权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底为绝缘衬底，或者所述衬底为覆盖有一层绝缘层的非绝缘衬底。

4.根据权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底设置有凹槽，所述石墨烯整体条带悬空于凹槽之上。

5.根据权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于，所述石墨烯整体条带为单层或双层。

6.根据权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于，所述金属电极包括但不限于：金、铬、钛、钯、铝、钪、银。

7.一种基于石墨烯平面结的光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)衬底准备：所述衬底为衬底绝缘或者覆盖有一层绝缘层的非绝缘衬底；

(2)制备石墨烯薄膜并转移至衬底上；

(3)在石墨烯薄膜表面沉积金属形成金属电极；(4)刻蚀石墨烯薄膜形成石墨烯条带；

(5)利用微纳加工技术，使石墨烯条带形成宽条带部和窄条带部。

8.根据权利要求7所述光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述石墨烯薄膜的制备方法包括利用化学气相沉积生长石墨烯薄膜，基底采用表面平整的铜箔；以PMMA胶作为支撑体将铜箔上的石墨烯薄膜转移到已经刻蚀好凹槽的衬底上。

9.根据权利要求7或8所述光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：利用光刻和氧等离子体刻蚀技术，形成石墨烯条带，然后用去除光刻胶。

10.据权利要求7或8所述光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述的微纳加工技术，采用但不限于聚焦氦离子束加工技术。