CN107316915A - 可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器及其制备方法。本方法提供的可见光光探测器，包括单晶硅衬底、二氧化硅介质层、氮化硅波导层、SU8波导、连续的二硫化钼层、连续的石墨烯层、金属电极。通过利用单层二硫化钼对可见光的强吸收和石墨烯的超高电子迁移率，我们得到了在可见光波段的高响应率光探测器。通过结果分析表明，本发明的一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器得响应度可达32 A/W,可用于制作大规模集成光电系统。
Description
技术领域
本发明涉及光电元件技术领域，特别涉及一种可见光波段的集成光电探测器及其制备方法。
背景技术
光是信息传输的重要载体，光电探测器是光通信系统中应用最为广泛的光电器件之一，传统的半导体光电探测器在应对器件系统微型化、扁平化遇到了瓶颈。近年来，随着石墨烯和类石墨烯材料的崛起，这些纳米材料的发展给新型的光电探测器开启了一扇大门。
石墨烯是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，由于它具有优良的强度、柔韧性、透明度、导电性、导热性在光电领域得到了长足的发展。类石墨烯材料-二硫化钼是有六方晶系或多层二硫化钼组成的具有三明治夹心层状结构的化合物，二硫化钼因其具有纳米尺度的二维层状结构并且单层的二硫化钼结构是直接带隙的半导体，在可见光波段对光的吸收效率能够达到5% ~ 10%，因此同样在光电器件领域得到了广泛而深度的研究。
这些二维材料可以依靠范德瓦尔茨力相互叠加在一起，构成新的混合材料，这种混合材料的优势在于它具有相对应叠加材料的各个优良的性质，例如将单层的石墨烯和单层的二硫化钼混合叠加在一起形成混合结构，这种混合结构可以充分利用石墨烯的超高电子迁移率，又可以利用单层二硫化钼对可见光的高吸收效率，从而可以制备成具有高增益、高响应的光电探测器件。另外，将石墨烯/二硫化钼结构集成于光波导结构，可以让该混合结构更好的与光耦合，从而提高其综合性能。
发明内容
本发明的目的在于通过利用单层二硫化钼对可见光的强吸收和石墨烯的超高电子迁移率，得到了在可见光波段的高响应率光探测器。
本发明的一方面提供一种可见光波段的基于氮化硅波导集成石墨烯二硫化钼的光电探测器，其特征在于，包括单晶硅衬底、二氧化硅介质层、氮化硅波导层、SU8波导、连续的二硫化钼层、连续的石墨烯层、金属电极；单晶硅衬底的表面沉积二氧化硅介质层，二氧化硅介质层的表面为氮化硅波导层，SU8波导位于氮化硅波导层的两端之上，连续的二硫化钼层平铺于氮化硅波导层之上，与二氧化硅介质层接触，连续的石墨烯层平铺于连续的二硫化钼层之上；金属电极位于氮化硅波导层两侧，与连续的石墨烯层接触。
本发明的另一方面还提供了上述技术方案所述的可见光光电探测器的制备方法，包括以下的步骤：
1) 在单晶硅衬底的表面利用化学气相沉积在300摄氏度的环境中生长一层二氧化硅介质层，形成单晶硅-二氧化硅复合材料；
2)在所述步骤（1）得到的单晶硅-二氧化硅复合材料的表面利用化学气相沉积在300摄氏度的环境中生长一层氮化硅层，形成单晶硅-二氧化硅-氮化硅复合材料；
3)在所述步骤（2）得到的单晶硅-二氧化硅-氮化硅复合材料中对氮化硅进行刻蚀，得到氮化硅波导层；
4)依次将连续单层的二硫化钼、石墨烯转移至所述步骤（3）得到的氮化硅波导层上，形成薄膜和波导的组合结构；
5)在所述步骤（4）得到的组合结构上旋涂一层SU8电子胶，利用电子束光刻，制作成SU8波导；
6)在所述步骤（5）得到的结构中利用光刻技术制作出电极区域，利用电子束蒸镀，镀上钛和金电极，得到二硫化钼和石墨烯混合机构的光电探测器。
优选的，连续的二硫化钼层和连续的石墨烯层均为单层。所述连续的单层石墨烯的厚度为0.2 ～ 0.5nm。
优选的，所述连续的单层二硫化钼的厚度为0.6 ～1.2nm。
优选的，所述金属电极材料为钛和金。
优选的，所述金属电极材料钛的厚度为5 ～ 15 nm。
优选的，所述金属电极材料金的厚度为185 ～ 195nm。
优选的，所述氮化硅波导的厚度为150～170nm。
优选的，所述氮化硅波导的宽度为390～410nm。
优选的，所述SU8波导的厚度为0.9～1.1um。
优选的，所述SU8波导的宽度为0.9～1.1um。
优选的，所述介质层二氧化硅的厚度为1.6～2um。
优选的，所述单晶硅基底的厚度为500～550um。
本发明提供了一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器，基于单晶硅衬底、二氧化硅介质层、氮化硅波导、SU8耦合波导、二硫化钼和石墨烯的混合结构，两端金属电极。为了更好的让二硫化钼层与光耦合，本发明将二硫化钼和石墨烯的混合结构转移到氮化硅波导结构之上，通过利用二硫化钼层对光子的高效吸收，将光生载流子的电子转移到石墨烯层，再利用石墨烯的超高的电子迁移率将光生电子传输到两端电极，从而获得了具有高响应率和快响应速度的可见光光电探测器。实验结果表明，本发明提供的基于氮化硅波导的可见光光电探测器在测试波长为532nm时，响应灵敏度可达32 A/W,可用于制作大规模集成光电系统。
附图说明
图1本发明的一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器的三维示意图；
图2是本发明的一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器的俯视图；
图3 是本发明的一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器的截面图；
图4是本发明的一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器的制作流程图；
图5为实施例中使用的连续单层二硫化钼转移前后的拉曼光谱图；
图6为实施例中使用的连续单层中石墨烯转移前后的拉曼光谱图；
图7为实施例在不同的入射光功率，波长为532nm激光下光电流曲线图；
图8为实施例在不同的入射光功率下对应的光响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的可见光波段的集成光电探测器及其制备方法做详细说明。
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有放大或者缩小，并不代表实际产品的尺寸。
参照图1、图2和图3，本发明的一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器包括：SU8波导1、连续的单层石墨烯2、连续的单层二硫化钼3、氮化硅波导层4、两端金属电极（漏极-源极）5、介质二氧化硅介质层6、衬底单晶硅（背栅电极）7；介质二氧化硅介质层6的厚度为1.6um-2um，利用化学气相沉积在衬底单晶硅7的表面；氮化硅波导层4利用化学气相沉积在介质二氧化硅介质层6的表面，氮化硅的厚度为150nm-170nm；SU8波导1位于氮化硅波导层4的两端之上，厚度为0.9um-1.1um，利用电子束曝光制作出；连续单层的二硫化钼3平铺于氮化硅波导层4之上，介质二氧化硅介质层6接触；连续的单层石墨烯2平铺于连续单层二硫化钼3之上；两端金属电极5位于氮化硅波导层4两侧，与连续的单层石墨烯2接触；两端金属电极5的材料为Ti/Au合金，其厚度分别为Ti=10nm，Au=190nm。
器件在工作状态下，光子的吸收主要在连续的二硫化钼3中，光生载流子在连续单层二硫化钼3和连续单层石墨烯2界面层中分离，光生电子转移到石墨烯2层中，在两端金属电极5的电压驱动下，形成光电流。衬底单晶硅7作为器件的栅极，通过给衬底单晶硅7施加电压，对连续单层的石墨烯2进行调制，调节电子的浓度。
本发明提出一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器及其制备方法，目的在于制作一种高响应可见光波段的可用于光电集成系统中，通过利用二硫化钼对光子的高吸收效率和石墨烯的高迁移率从而制作出高性能的可见光光电探测器。
参照图4，本发明制作一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器制备方法流程示意图，具体工艺步骤如下：
a)单晶硅衬底，将单晶硅衬底一次放入丙酮、异丙醇、超纯水中清洗；
b)在单晶硅衬底的表面，通过化学气相沉积，沉积一层厚度为1.6um-2um二氧化硅介质层；
c)在（b）中制作的二氧化硅的表面生长一层厚度为150nm-170nm的氮化硅层；
d)依次（c）中的氮化硅上旋涂光刻胶、曝光、显影、等离子刻蚀，制作出氮化硅波导；
e)利用湿法转移的方法依次将二硫化钼和石墨烯转移到氮化硅波导之上，依次在二硫化钼和石墨烯上旋涂、光刻、等离子刻蚀出可用区域，最后进行退火处理；
f)在二硫化钼和石墨烯的表面依次旋涂一层SU8胶、电子束曝光、显影，制作出SU8波导；
g)依次将（f）的片子进行旋涂光刻胶、曝光、显影、表面氧离子处理，制作出电极区域；
h)将上述的器件放在电子束蒸镀中，进行金属电极的制作，依次蒸镀Ti=10nm，Au=190nm，完成整个器件的制作。
本实施例中使用的连续单层二硫化钼，采用波长为633nm的拉曼光谱图如图5所示，从图5可以看出转移前后E1 2g 和A1g两峰值之间的距离在22 cm-1，并且没有明显的其它峰值出现，预示着本发明使用的二硫化钼薄膜为单层，没有明显的缺陷。
本实施例中使用的连续单层石墨烯，采用波长为633nm的拉曼光谱图如图6所示，从图6可以看出没有D缺陷峰的出现，表明本发明采用的石墨烯没有明显的缺陷。
实施例中制备的一种可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器，在波长532nm光照下，不同的光功率对应的光电流曲线如图7所示，由图可知光电流随着光功率的增加而增加，与理论结果一致，表明了结果的可靠性。
实施例制备的一种可见光波段的集成石墨烯/二硫化钼的光电探测器，在波长532nm光照下，不同的光功率对应的光响应度曲线图如图8所示，由图可知响应度随着光强的增加而减小与公式拟合一致，表明了结果的可靠性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。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，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种可见光波段的基于氮化硅波导集成石墨烯二硫化钼的光电探测器，其特征在于，包括单晶硅衬底、二氧化硅介质层、氮化硅波导层、SU8波导、连续的二硫化钼层、连续的石墨烯层、金属电极；单晶硅衬底的表面沉积二氧化硅介质层，二氧化硅介质层的表面为氮化硅波导层，SU8波导位于氮化硅波导层的两端之上，连续的二硫化钼层平铺于氮化硅波导层之上，与二氧化硅介质层接触，连续的石墨烯层平铺于连续的二硫化钼层之上；金属电极位于氮化硅波导层两侧，与连续的石墨烯层接触。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的连续的二硫化钼层和连续的石墨烯层均为单层。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的连续的石墨烯层厚度为0.5nm ~ 2 nm或者/和面积为1 ~ 9 cm2。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的连续的二硫化钼层厚度为0.5 ~ 2 nm或者/和面积为1 ~ 2 cm2。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的金属电极的材料为钛和金。
6.根据权利要求5所述的光电探测器，其特征在于，所述的金属电极中钛厚度为5 ~ 15nm，金的厚度为185 ~ 195 nm。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的氮化硅波导层的厚度为150~ 170 nm；宽度为350 ~ 450 nm。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述的所述SU8波导的厚度为0.9 ~1.1 um；宽度为0.9 ~ 1.1 um。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于， 所述的二氧化硅介质层的厚度为1.6 ~ 2 um；生长温度为300摄氏度。
10.权利要求1~9任意一项所述可见光波段的基于氮化硅波导集成石墨烯/二硫化钼的光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)在单晶硅衬底的表面利用化学气相沉积在300摄氏度的环境中生长一层二氧化硅介质层，形成单晶硅-二氧化硅复合材料；
2)在所述步骤（1）得到的单晶硅-二氧化硅复合材料的表面利用化学气相沉积在300摄氏度的环境中生长一层氮化硅层，形成单晶硅-二氧化硅-氮化硅复合材料；
3)在所述步骤（2）得到的单晶硅-二氧化硅-氮化硅复合材料中对氮化硅进行刻蚀，得到氮化硅波导层；
4)依次将连续单层的二硫化钼、石墨烯转移至所述步骤（3）得到的氮化硅波导层上，形成薄膜和波导的组合结构；
5)在所述步骤（4）得到的组合结构上旋涂一层SU8电子胶，利用电子束光刻，制作成SU8波导；
6)在所述步骤（5）得到的结构中利用光刻技术制作出电极区域，利用电子束蒸镀，镀上钛和金电极，得到二硫化钼和石墨烯混合机构的光电探测器。
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