CN106952981A - 一种基于石墨烯的宽波段探测器结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于石墨烯的宽波段探测器结构及其制作方法，该结构从下到上依次包括硅衬底、反射层及绝缘层，绝缘层上形成有金属天线和电极，金属天线和电极上形成有石墨烯层，石墨烯层覆盖部分电极和全部金属天线图形，石墨烯层上形成有钙钛矿量子点层，钙钛矿量子点层完全覆盖石墨烯层。本发明利用石墨烯和钙钛矿量子点结合实现对可见光与近红外辐射的探测，且钙钛矿量子点层对可见光、近红外波段的红外辐射有较强的吸收能力；利用金属天线与石墨烯结合实现对中红外与远红外辐射的探测，且特定的金属天线结构对中红外与远红外波段的红外辐射有较强的吸收能力；解决了传统石墨烯光探测器探测能力弱和金属天线探测波段窄的问题。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的宽波段探测器结构及其制作方法。
背景技术
石墨烯(Grahpene)是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其具有优异的机械、电学、热学及光学性能，自2004年Novoselov和Geim的团队用机械剥离法制备出室温存在的单层石墨烯以来，其已逐渐成为研究的热点。在目前已知的材料中，石墨烯无疑是最薄的，单层石墨烯厚度仅为0.3纳米(一个碳原子厚度)，但它也同时是最坚硬的纳米材料。石墨烯可吸收2.3％的白光，远高于碳的其他同素异形体。石墨烯在常温下即可观察霍尔效应。石墨烯是一种半金属零带隙材料。这使得它可以通过控制栅极来调节石墨烯的传导率，而且能使得它不可能在低于一定限度的条件下关闭，开启禁带的几种方法已经提出并论证。
石墨烯光探测器大致分为金属石墨烯接触式光探测器，等离子体共振型光探测器，量子点石墨烯混合光探测器，石墨烯异质结型光探测器等等。2009年，FengnianXia，Thomas Mueller等人利用机械剥离的石墨烯做出了金属石墨烯接触式光探测器，也是第一个石墨烯光电探测器，它的出现引起了广泛的关注，不足是响应度只有0.5mA/W。2010年Echtermeyer研究了不同纳米结构对光电响应的影响，发现改变纳米结构尺寸可以调节不同波长的光吸收，从而基于石墨烯制备出等离子体共振型光探测器，可惜该探测器对光的吸收并不高。2012年，Gerasimos Konstantatos提出了将量子点和石墨烯混合，从而制备出量子点石墨烯混合光探测器，器件响应度很高，不过存在暗电流太大，响应速度慢，开关比低等缺点。石墨烯异质结对光有很好的响应度，而且是石墨烯本身对光的吸收，ChangOhKim团队于2013年做的石墨烯异质结实验表明，石墨烯异质结对600-1200nm波长的光有很强的吸收作用，但是对可见光、近红外的吸收能力弱。
综上所述，现有石墨烯光电探测器的光吸收率低、探测能力弱、探测波段窄的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的宽波段探测器结构及其制作方法，该结构和方法可以很好地解决现有石墨烯光探测器探测能力弱、探测波段窄的问题。
为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种基于石墨烯的宽波段探测器结构，从下到上依次包括硅衬底、反射层及绝缘层，绝缘层上形成有金属天线和电极，金属天线和电极上形成有石墨烯层，石墨烯层覆盖部分电极和全部金属天线图形，石墨烯层上形成有钙钛矿量子点层，钙钛矿量子点层完全覆盖石墨烯层。
优选的，反射层采用的金属材料为Cu、Au、Al、Pt或Ag，厚度为100～500nm。
优选的，绝缘层为SiO2、Si3N4、MnO2、MgO或Al2O3薄膜，厚度为300nm～5000nm。
优选的，金属天线和电极采用的金属材料为Cu、Au、Al、Pt或Ag，金属天线图形能够在设计的中红外或远红外频段实现高吸收，不同的金属结构对应不同的吸收峰位置；金属天线的厚度为100nm～500nm，金属线条的宽度为4μm，间隔为3μm。
优选的，钙钛矿量子点层的厚度为10～200nm，该层对400-1100nm的波段有着很强的吸收能力。
一种基于石墨烯的宽波段探测器结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在高掺杂的硅衬底表面沉积一层金属薄膜作为整个器件的底部反射层；
S2、在所述反射层上生长绝缘层；
S3、在所述绝缘层表面沉积金属，采用光刻方式制作金属天线和电极；
S4、在步骤S3的器件表面转移一层化学气象沉积的石墨烯，石墨烯层覆盖部分电极和全部金属天线图形；
S5、在所述石墨烯层上旋涂含有钙钛矿量子点的有机溶液，得到钙钛矿量子点层；
S6、静置干燥器件去除表面溶液，完成器件的制备。
优选的，有机溶液为正己烷、甲苯或氯仿溶液。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)利用石墨烯和钙钛矿量子点结合实现对可见光与近红外辐射的探测，利用金属天线与石墨烯结合实现对中红外与远红外辐射的探测，且金属天线通过微调金属线条的宽度、厚度、间距或者改变金属材料能够调节吸收峰的位置，实现不同波段的探测；解决了传统石墨烯光探测器探测波段窄的问题；
(2)特定的金属天线结构对中红外与远红外波段的红外辐射有较强的吸收能力，钙钛矿量子点层对可见光、近红外波段的红外辐射有较强的吸收能力，提高了探测器在可见光、近红外、中红外、远红外宽波段范围的光吸收率，有效增大探测器的响应度，提高了器件的探测能力；
(3)反射层、绝缘层和顶层复合结构(金属天线、石墨烯层、钙钛矿量子点层)构成谐振腔，进一步提高器件的光吸收率，有效增大探测器的响应度，提高了器件的探测能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明结构的剖视图；
图2为本发明结构的平面示意图；
图3为本发明金属天线的结构示意图；
图4为本发明方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
如图1所示，本实施例提供一种基于石墨烯的宽波段探测器结构，从下到上依次包括硅衬底1、反射层2及绝缘层3，绝缘层3上形成有金属天线5和电极，金属天线5和电极上形成有石墨烯层6，石墨烯层6覆盖部分电极和全部金属天线5图形，如图1和图2所示，电极4(a)和4(b)为没有覆盖的电极两端；石墨烯层6上形成有钙钛矿量子点层7，钙钛矿量子点层7完全覆盖石墨烯层6。图3示出了四种金属天线5的结构，分别为条形天线形状、圆形开口谐振环形状、方形开口谐振环形状和十字形天线形状，不同天线结构虽设计形状不同，其功能均是实现设计太赫兹频点的高效吸收。
一种基于石墨烯的宽波段探测器结构的制作方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1、清洗高掺杂的硅衬底1并吹干，在硅衬底1表面沉积一层300nm厚的Al金属薄膜作为整个器件的底部反射层2；
S2、在反射层2上生长一层500nm的Si3N4绝缘层3；
S3、在绝缘层3表面采用电子束沉积方法制备一层200nm厚的Au层，采用光刻方式将仿真设计的金属天线5和电极同时制备出来，金属天线5的金属线条宽度为4μm，间隔为3μm；
S4、在步骤S3的器件表面转移一层化学气象沉积的CVD石墨烯，形成覆盖部分电极和全部金属天线的石墨烯层6；
S5、在所述石墨烯层6上旋涂含有钙钛矿量子点的甲苯溶液，得到一层厚度60nm的钙钛矿量子点层7；
S6、静置干燥器件去除表面溶液，完成器件的制备。
以上实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于石墨烯的宽波段探测器结构，其特征在于，从下到上依次包括硅衬底、反射层及绝缘层，绝缘层上形成有金属天线和电极，金属天线和电极上形成有石墨烯层，石墨烯层覆盖部分电极和全部金属天线图形，石墨烯层上形成有钙钛矿量子点层，钙钛矿量子点层完全覆盖石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的宽波段探测器结构，其特征在于，所述反射层采用的金属材料为Cu、Au、Al、Pt或Ag，反射层的厚度为100～500nm。
3.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯的宽波段探测器结构，其特征在于，所述绝缘层为SiO2、Si3N4、MnO2、MgO或Al2O3薄膜，绝缘层的厚度为300nm～5000nm。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯的宽波段探测器结构，其特征在于，所述金属天线和电极采用的金属材料为Cu、Au、Al、Pt或Ag。
5.根据权利要求3所述的基于石墨烯的宽波段探测器结构，其特征在于，所述金属天线的厚度为100nm～500nm。
6.根据权利要求3所述的基于石墨烯的宽波段探测器结构，其特征在于，所述钙钛矿量子点层的厚度为10～200nm。
7.一种如权利要求1-6任一权项所述的基于石墨烯的宽波段探测器结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在高掺杂的硅衬底表面沉积一层金属薄膜作为整个器件的底部反射层；
S2、在所述反射层上生长绝缘层；
S3、在所述绝缘层表面沉积金属，采用光刻方式制作金属天线和电极；
S4、在步骤S3的器件表面转移一层化学气象沉积的石墨烯，石墨烯层覆盖部分电极和全部金属天线图形；
S5、在所述石墨烯层上旋涂含有钙钛矿量子点的有机溶液，得到钙钛矿量子点层；
S6、静置干燥器件去除表面溶液，完成器件的制备。
8.根据权利要求7所述的基于石墨烯的宽波段探测器结构的制作方法，其特征在于，所述有机溶液为正己烷、甲苯或氯仿溶液。
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