CN107394001A - 一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器，包括单晶硅衬底；形成于单晶硅衬底上的应力层；形成于应力层上的异质结，异质结包括顺序设置的栅电极、第一石墨烯层、介电层、第二石墨烯层、与栅电极平行且等距的源电极和漏电极层结构；应力层使得异质结自组装为微管式三维结构；在上述结构上形成电流测量回路。本发明还公开一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法。通过三维微管结构可以大幅度减小芯片的占用面积，提高单层石墨烯的光吸收率以及光利用率，大幅提高石墨烯光探测器的响应度。
Description
技术领域
本发明涉及光探测器技术领域。更具体地，涉及一种微型超宽带光探测器及其制作方法。
背景技术
光探测器是一种把光信号转换为电信号的光功率测量设备，能检测出入射到其面上的光功率，并把这个光功率的变化转化为相应的电流。其中，超宽带光探测器通过将适用于不同波段的多个探测器集成在一起来实现超宽带光检测，可以同时探测不同波段例如紫外、可见光、红外甚至是太赫兹波的电磁波辐射，在红外成像、遥感、环境监测、天文探测、光谱分析等诸多领域有着非常重要作用。但是，由于超宽带光探测器大多是通过将适用于不同波段的多个探测器集成在一起来实现超宽带光检测的，导致其器件结构和工艺相当复杂。
作为一种二维晶体材料，石墨烯具有优异的电学、力学、热学和光学性能，而且其独特的零带隙能带结构使得超宽带光探测器的实现成为可能。将石墨烯应用在光探测器中的难点在于石墨烯中的光生载流子寿命(亚皮秒)极短。近年来，为实现基于石墨烯的超宽带光探测器，科研工作者通过制作石墨烯-金属结或者石墨烯p-n结，结内的内建电场可以有效的将石墨烯中的光激发电子-空穴(光生载流子)快速分离，从而有效的提取到光电流。2009年，Xia等人首次利用机械剥离石墨烯的方法，制备了金属/石墨烯/金属光电测器，在40GHz的调制频率范围内，光响应无衰退现象。然而，由于光电流只在石墨烯/金属结或者石墨烯p-n结的亚微米范围内产生，石墨烯有效感光面积较小，再加上单层石墨烯对光的吸收率较低(2.3％)，导致石墨烯光探测器的响应度很低。
为提高石墨烯光探测器的响应度，研究人员将石墨烯与量子点或者微腔相结合。2012年Konstantatos等人在背栅石墨烯场效应管器件上旋涂一层PbS量子点，量子点与石墨烯的结合充分发挥了石墨烯高迁移率和量子点光吸收的优势。当光照射在器件上时，量子点中所产生的光生空穴转移到下层的石墨烯沟道层，与此同时量子点中的带负电的光生电子会对石墨烯沟道形成一个很强的负的内建电场进一步增大沟道电导实现高增益(photogating)。然而，由于其探测原理的限制，响应度的增强只发生在与量子点或者微腔产生谐振的波段，即探测光谱范围极为有限，从而严重限制了其在宽带检测领域的应用。
因此，需要提供一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器及其制作方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器及其制作方法，通过三维微管结构可以在大幅度减小芯片的占用面积，提高单层石墨烯的光吸收率以及光利用率，大幅提高石墨烯光探测器的响应度。本发明的一个目的在于提供一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，包括：
制备单晶硅衬底1；
在单晶硅衬底1上形成牺牲层；
在牺牲层上形成应力层3；
在应力层3上制备栅电极8；
在应力层3和栅电极8上形成第一石墨烯层4；
在第一石墨烯层4上形成介电层5；
在介电层5上形成第二石墨烯层6；
在第二石墨烯层6上制备与栅电极8平行且等距的源电极9和漏电极7；
第一石墨烯层4、介电层5、第二石墨烯层6、漏电极7、栅电极8和源电极9构成异质结；
刻蚀牺牲层；
应力层3使得异质结自组装为微管式三维结构；
在上述结构上形成电流测量回路。
第一石墨烯层4、介电层5、第二石墨烯层6、漏电极7、栅电极8和源电极9构成带有源、漏、栅电极的平面二维异质结，应力层3使得该异质结在牺牲层被刻蚀后自组装为微管式三维结构。
优选地，测量回路包括与栅电极8、源电极9串联连接的第一电流表10和第一可调电压源11及与漏电极7、源电极9串联连接的第二电流表13和第二可调电压源12。可调电压源11的正负极分别与电流表10以及源电极9相连，电流表10的另一端与栅电极8相连。可调电压源12的正负极分别与电流表13以及源电极9相连，电流表13的另一端与漏电极相连，形成电流测量回路，从而得到基于石墨烯的微型超宽带光探测器。
优选地，牺牲层为能被刻蚀液刻蚀的金属层，例如铝(Al)、铜(Cu)等金属材料。刻蚀液不会对应力层3、石墨烯层4、介电层5、石墨烯层6、漏电极7、栅电极8和源电极9产生影响。
优选地，第一石墨烯层4和第二石墨烯层6为单层、多层或还原氧化石墨烯。
优选地，介电层5为五氧化二钽(Ta2O5)或氮化硼(BN)介电层。
优选地，漏电极7、栅电极8和源电极9为铬/金(Cr/Au)、钛/金(Ti/Au)、钯/金(Pd/Au)或钛/铂(Ti/Pt)二维晶体电极。
进一步优选地，铬(Cr)、钛(Ti)或钯(Pd)粘附层材料厚度为5nm-30nm，金(Au)或铂(Pt)导电层厚度为10nm-100nm。
优选地，应力层3为SU-8、氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)等具有高透光率的应力层材料。
本发明的另一个目的在于提供一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器。
一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器，包括：
单晶硅衬底1；
形成于单晶硅衬底1上的应力层3；
形成于应力层3上的异质结，异质结包括顺序设置的栅电极8、第一石墨烯层4、介电层5、第二石墨烯层6、与栅电极8平行且等距的源电极9和漏电极7层结构；应力层3使得异质结自组装为微管式三维结构；
在上述结构上形成电流测量回路，测量回路包括与栅电极8、源电极9串联连接的第一电流表10和第一可调电压源11及与漏电极7、源电极9串联连接的第二电流表13和第二可调电压源12。
优选地，第一石墨烯层4的p型掺杂浓度高于所述第二石墨烯层6的p型掺杂浓度。
本发明的有益效果如下：
1、本发明在现有工艺条件下，利用平面加工技术，获得三维微型超宽带光探测器，与二维平面场效应管相比，在极大程度节省新工艺的研发和制版费用的基础上，大幅度减少了芯片占用面积，降低了成本，提高了单位面积内石墨烯的感光面积。
2、本发明通过调整高透光率应力层的应力可以控制同轴微管层数，即可增加单层石墨烯的堆叠层数，从而提高其对光的吸收率；微管式结构形成了光学谐振腔，石墨烯作为光吸收层附着在谐振腔内壁上，微管式光学谐振腔的增强效应提高了石墨烯的量子效率，进而提高了器件的响应速度；微管式结构使得光源在在与微管垂直的平面内绕微管轴做圆周运动时，光入射角始终保持恒定，即接收到的光辐射量保持恒定，从而大幅度提高了光吸收率以及光利用率，使基于单层石墨烯高敏感光探测器的出现成为可能。
3、石墨烯/介电层/石墨烯结构大大提高了异质结空间电场的有效感光面积，从而提高了传感器的响应度。通过对两层石墨烯施加不同的电压使顶层的石墨烯与底层的石墨烯相比p型掺杂浓度更高，使得光照后产生的热电子更容易从顶层石墨烯隧穿到底层石墨烯，与此同时在顶层石墨烯中积累的正的电荷会形成一个很强的正的内建电场进一步增强底层石墨烯电导实现光增益。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器结构示意图。
图2示出一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器制作方法流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器，该探测器的三维微管结构可以在大幅度减小芯片占用面积的同时，提高单层石墨烯的光吸收率以及光利用率；石墨烯/介电层/石墨烯异质结以及光学谐振腔的使用，大幅提高石墨烯光探测器的响应度；使得基于石墨烯的微型超宽带光探测器的出现成为可能。本发明中的基于石墨烯的微型超宽带光探测器利用应力层驱动带有金属电极的石墨烯/介电层/石墨烯异质结自组装为一种微管式三维微型超宽带光探测器装置。
如图1所示，该微型超宽带光探测器具体包括：单晶硅衬底1，在单晶硅衬底1上有牺牲层，在牺牲层上覆盖有应力层3，在应力层3上制作有栅电极8，在栅电极8及应力层3上有第一石墨烯层4，在第一石墨烯层4上有介电层5，介电层5上覆盖有第二石墨烯层6，在第二墨烯层6上与栅电极8平行且等距处制作有源电极9和漏电极7，第一石墨烯层4、介电层5、第二石墨烯层6、漏电极7、栅电极8和源电极9形成了一个带有源、漏、栅电极的平面二维石墨烯/介电层/石墨烯异质结，应力层3使得带有源、漏、栅电极的平面二维石墨烯/介电层/石墨烯异质结在牺牲层被刻蚀后自组装为微管式三维结构。
应注意的是，牺牲层由于被刻蚀，图中并未示出。
该微型超宽带光探测器还包括在上述结构上形成电流测量回路，本发明中的测量回路包括与栅电极8、源电极9串联连接的第一电流表10和第一可调电压源11及与漏电极7、源电极9串联连接的第二电流表13和第二可调电压源12。可调电压源11的正负极分别与电流表10以及源电极9相连，电流表10的另一端与栅电极8相连。可调电压源12的正负极分别与电流表13以及源电极9相连，电流表13的另一端与漏电极相连，形成电流测量回路，从而得到基于石墨烯的微型超宽带光探测器。
对应上述测量回路，本发明可以采用不同的检测方法：
(1)、在测试电路中设计可控的恒定电压源11、12，提供电气表征所需的可调栅源电压Vgs和漏源电压Vds，通过栅源电压Vgs以及漏源电压Vds分对两层石墨烯施加不同的电压使第一石墨烯层4与第二石墨烯层6相比p型掺杂浓度更高，将传感器置于检测环境中，第一石墨烯层4/介电层5/第二石墨烯层6异质结在接收到光信号后产生的热电子更容易从顶层石墨烯4隧穿到底层石墨烯6，顶层石墨烯中积累的正的电荷会形成一个很强的正的内建电场进一步增强了底层石墨烯电导。通过在漏电极7源电极9回路中串联电流表13以读取漏极电流Ids，可以实现对底层石墨烯电导的检测，进而与第二石墨烯层电导对应光信号即可被检测出来。
进一步地，第二石墨烯层6上形成了漏电极7/第二石墨烯层6/源电极9结，结内的内建电场可以有效的将第二石墨烯层6中的光激发电子-空穴快速分离，从而通过串联在漏电极7源电极9回路中的电流表读取到漏极电流Ids，与漏极电流Ids对应光信号即可被检测出来。
(2)、由于光照下第一石墨烯层4/介电层5/第二石墨烯层6异质结中第一石墨烯层4中产生大量的光激发热载流子即自由电子和空穴，热载流子隧穿过介质层进入第二石墨烯层6中，形成垂直于石墨烯平面的方向输运的隧穿电流Igs；通过在栅电极8和源电极9回路中串联电流表10以读取隧穿电流Igs，可以实现对隧穿电流Igs的检测，进而与隧穿电流Igs对应光信号可被检测出来。
如图2所示，本发明还提供了一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，包括：制备单晶硅衬底1；在单晶硅衬底1上形成牺牲层；在牺牲层上形成应力层3；在应力层3上制备栅电极8；在应力层3和栅电极8上形成第一石墨烯层4；在第一石墨烯层4上形成介电层5；在介电层5上形成第二石墨烯层6；在第二石墨烯层6上制备与栅电极8平行且等距的源电极9和漏电极7；第一石墨烯层4、介电层5、第二石墨烯层6、漏电极7、栅电极8和源电极9构成异质结；刻蚀牺牲层；应力层3使得异质结自组装为微管式三维结构；在上述结构上形成电流测量回路。
测量回路包括与栅电极8、源电极9串联连接的第一电流表10和第一可调电压源11及与漏电极7、源电极9串联连接的第二电流表13和第二可调电压源12。可调电压源11的正负极分别与电流表10以及源电极9相连，电流表10的另一端与栅电极8相连。可调电压源12的正负极分别与电流表13以及源电极9相连，电流表13的另一端与漏电极相连，形成电流测量回路，从而得到基于石墨烯的微型超宽带光探测器。
本发明中，第一石墨烯层4、介电层5、第二石墨烯层6、漏电极7、栅电极8和源电极9构成带有源、漏、栅电极的平面二维异质结，应力层3使得该异质结在牺牲层被刻蚀后自组装为微管式三维结构。
本发明中，牺牲层为能被刻蚀液刻蚀的金属层，例如铝(Al)、铜(Cu)等金属材料。刻蚀液不会对应力层3、第一石墨烯层4、介电层5、第二石墨烯层6、漏电极7、栅电极8和源电极9产生影响。其制作方法为：将单晶硅片1置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85摄氏度下将硅片煮15min，去除表面污迹，用去离子水冲洗、烘干；在单晶硅片1上利用光刻技术、薄膜淀积技术和剥离技术制作牺牲层，牺牲层的厚度为10～200nm。
本发明中，第一石墨烯层4和第二石墨烯层6为单层、多层或还原氧化石墨烯。
本发明中，介电层5为五氧化二钽(Ta2O5)或氮化硼(BN)介电层。应注意的是，本发明中的介电层5可为其他具有同等性质的常规介电层，并不限于本发明中五氧化二钽(Ta2O5)或氮化硼(BN)。其制备方法为：通过等离子增强化学气相淀积技术或原子层淀积等薄膜淀积技术淀积介电层5，厚度为5-50nm；利用光刻技术在介电层5区域形成光刻胶掩膜层；采用反应离子刻蚀去除无光刻胶覆盖的介电层5；用丙酮清洗光刻胶，留下介电层5图形，完成介电层5的制备。
本发明中，漏电极7、栅电极8和源电极9为铬/金(Cr/Au)、钛/金(Ti/Au)、钯/金(Pd/Au)或钛/铂(Ti/Pt)二维晶体电极。铬(Cr)、钛(Ti)或钯(Pd)粘附层材料厚度为5nm-30nm，金(Au)或铂(Pt)导电层厚度为10nm-100nm。
其中，栅电极的制备方法如下：通过光刻在栅电极8区域形成光刻胶开孔；用热蒸发或电子束蒸发或者磁控溅射技术淀积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附着在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极8的制备。
源电极与漏电极的制备方法如下：通过光刻在栅电极8及漏电极7区域形成光刻胶开孔；用热蒸发或电子束蒸发技术淀积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附着在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极8及漏电极7的制作。
本发明中，应力层3为SU-8、氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)等具有高透光率的应力层材料。其制备方法为：通过等离子增强化学气相淀积技术淀积SiNx层；利用光刻技术在应力层3区域形成光刻胶掩膜层；采用反应离子刻蚀去除无光刻胶覆盖的SiNx层；用丙酮清洗光刻胶，留下应力层3图形，完成应力层3的制备。
刻蚀牺牲层时，将芯片浸入牺牲层的刻蚀溶液中；SiNx应力层3驱动第一石墨烯层4、介电层5、第二石墨烯层6、漏电极7、栅电极8和源电极9自组装为基于石墨烯的微型超宽带光探测器。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是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它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，其特征在于，包括：
制备单晶硅衬底(1)；
在所述单晶硅衬底(1)上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成应力层(3)；
在所述应力层(3)上制备栅电极(8)；
在所述应力层(3)和栅电极(8)上形成第一石墨烯层(4)；
在所述第一石墨烯层(4)上形成介电层(5)；
在所述介电层(5)上形成第二石墨烯层(6)；
在所述第二石墨烯层(6)上制备与所述栅电极(8)平行且等距的源电极(9)和漏电极(7)；
所述第一石墨烯层(4)、介电层(5)、第二石墨烯层(6)、漏电极(7)、栅电极(8)和源电极(9)构成异质结；
刻蚀所述牺牲层；
所述应力层(3)使得所述异质结自组装为微管式三维结构；
在上述结构上形成电流测量回路。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，其特征在于，所述测量回路包括与栅电极(8)、源电极(9)串联连接的第一电流表(10)和第一可调电压源(11)及与漏电极(7)、源电极(9)串联连接的第二电流表(13)和第二可调电压源(12)。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，其特征在于，所述牺牲层为能被刻蚀液刻蚀的金属层。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，其特征在于，所述第一石墨烯层(4)和第二石墨烯层(6)为单层、多层或还原氧化石墨烯。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，其特征在于，所述介电层(5)为五氧化二钽或氮化硼介电层。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，其特征在于，所述漏电极(7)、栅电极(8)和源电极(9)为铬/金、钛/金、钯/金或钛/铂二维晶体电极。
7.根据权利要求6所述的基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，其特征在于，所述铬、钛或钯粘附层材料厚度为5nm-30nm，所述金或铂导电层厚度为10nm-100nm。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯的微型超宽带光探测器的制作方法，其特征在于，所述应力层(3)为SU-8、氧化硅或氮化硅。
9.一种基于石墨烯的微型超宽带光探测器，其特征在于，包括：
单晶硅衬底(1)；
形成于所述单晶硅衬底(1)上的应力层(3)；
形成于所述应力层(3)上的异质结，所述异质结包括顺序设置的栅电极(8)、第一石墨烯层(4)、介电层(5)、第二石墨烯层(6)、与所述栅电极(8)平行且等距的源电极(9)和漏电极(7)层结构；所述应力层(3)使得所述异质结自组装为微管式三维结构；
在上述结构上形成电流测量回路，所述测量回路包括与栅电极(8)、源电极(9)串联连接的第一电流表(10)和第一可调电压源(11)及与漏电极(7)源电极(9)串联连接的第二电流表(13)和第二可调电压源(12)。
10.根据权利要求9所述的基于石墨烯的微型超宽带光探测器，其特征在于，所述第一石墨烯层(4)的p型掺杂浓度高于所述第二石墨烯层(6)的p型掺杂浓度。
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