CN107579128A - 一种基于石墨烯的焦平面成像器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于石墨烯的焦平面成像器件及其制备方法，属于光电探测技术领域。基于石墨烯的焦平面成像器件，采用石墨烯和硫化铅量子点复合作为像元，其中高载流子迁移率的石墨烯为电荷传输层，硫化铅量子点为石墨烯基光敏吸收层，使器件在可见至近红外波段具有高灵敏和宽光谱的响应，同时焦平面像元的设计，使石墨烯在成像领域实现了应用。

Description

一种基于石墨烯的焦平面成像器件及其制备方法
技术领域
一种基于石墨烯的焦平面成像器件及其制备方法，将石墨烯与传统焦平面探测器成像技术兼容，具有较好的响应度和宽光谱响应范围，属于光电探测技术领域。
背景技术
光学成像技术在军事、生产和生活中均有着广泛地应用，然而当前可见光区成像主要采用硅基探测器，由于硅的带隙限制，对红外波段的响应只能到1100nm附近，红外波段的成像则依赖于铟镓砷、碲镉汞等探测器，因此要实现从可见至1600nm近红外的成像，需要两种相机的结合，不可避免地大幅增加了成像的成本和制备工艺的复杂程度。因此，凾需一种新的材料能够实现高响应宽光谱的成像。
石墨烯正好具有这方面的优势，作为一种仅原子层的厚度的二维晶体，石墨烯可与现有的硅工艺线完美兼容，并且能够避免由于像元尺寸减小带来的漏电现象，从而有望实现超高密度像元阵列，从而实现高分辨率。石墨烯还具有超高的载流子迁移率和零带隙的特性，使石墨烯有望实现超宽光谱吸收和快速探测。因此石墨烯在成像领域的应用将解决目前成像技术中面临的一系列问题。
发明内容
本发明的目的是公开一种基于石墨烯的焦平面成像器件及其制备方法，其采用二维材料石墨烯为沟道材料，使石墨烯与传统的硅工艺兼容，并且具备较好的光电性能，制备方法简单，适合投入成像应用。
一种高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件，包括多个石墨烯基光敏像元和像元引出电极；
石墨烯基光敏像元，衬底为高掺杂硅层(6)、高掺杂硅层上为二氧化硅绝缘层(5)、二氧化硅绝缘层上为石墨烯层(2)，石墨烯层(2)的两边部分上表面为相对平行设置的两粘附层(4)，在石墨烯层(2)的中间部分上表面也即相对平行的两粘附层(4)之间为硫化铅量子点层(1)；相对平行两粘附层(4)上分别为一金属电极层(3)，两金属电极层一个为像元漏极，一个为公共源极；多个石墨烯基光敏像元平行的设置成两排(11)，两排石墨烯基光敏像元的公共源极向里，并共同通过公共端(12)与公共源极引出端(9)相连；两排石墨烯基光敏像元的像元漏极向外，且每个像元漏极均通过一个电极引线(8)与一个像元漏极引出端(7)连接；多个石墨烯基光敏像元的衬底高掺杂硅层(6)和高掺杂硅层上的二氧化硅绝缘层(5)为同一整体的结构；两排的石墨烯基光敏像元非正对对称排布，进行交叉间隔非对称排布；像元漏极引出端、电极引线、公共端、公共源极引出端和对准标记作为像元引出电极，两排的石墨烯基光敏像元构成中心像元(11)，在中心像元的两侧面设有对准标记用于石墨烯基光敏像交叉间隔排布。
两金属电极层连线方向统一为长度方向，石墨烯层为一长方形层，其宽度与硫化铅量子点层的宽度相等，小于粘附层的宽度，粘附层的宽度、长度分别与金属电极层的宽度、长度对应相等；石墨烯基光敏像元从上表面看为一工型结构；
优选的，所述高掺杂硅层为p型掺杂，电阻率为0.05-0.20Ω·cm，厚度优选为400μm。
优选的，所述二氧化硅绝缘层厚度优选为300nm。
优选的，所述粘附层厚度为5-10nm，材质为钛或铬。
优选的，所述相对平行设置的金属电极层厚度为50-60nm，材质为金，具有高功函数。
优选的，所述石墨烯层为单层石墨烯，由化学气相沉积法制备所得的，由原先的铜箔转移至所述二氧化硅层上。
优选的，所述硫化铅量子点层厚度为60-80nm，硫化铅量子点粒径为4.5-5.5nm。
优选的，所述像元引出电极材质为：5-10nm厚的的钛或铬作为粘附层，粘附层上粘附厚度为50-100nm的金。
优选的，所述像元漏极引出端为较小面积的电极，约100μm×100μm。
优选的，所述电极引线为依据每个像元的漏极引出，连接至像元漏极引出端。
优选的，所述公共源极引出端为较大面积的电极，约500μm×500μm，以满足与读出电路互联时的多次焊接需求。
优选的，所述对准标记为千分尺对准标记，以实现像元与像元引出电极的精确对准。
优选的，所述像元数量为128×1，为避免盲元影响，实际设置数量为136×1。
本发明还提供了一种高灵敏宽光谱的石墨烯焦平面成像器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用丙酮、异丙醇、去离子水依次清洗具有二氧化硅层的高掺杂硅衬底；
(2)将化学气相沉积法生长的铜基石墨烯转移至所述步骤(1)已清洗的二氧化硅层上；
(3)采用微纳加工技术，将所述步骤(2)中已转移至二氧化硅层上的石墨烯薄膜刻蚀成多条带状结构；按照多个石墨烯基光敏像元平行的设置成两排时石墨烯层对应的位置；
(4)在所述步骤(3)的每一条石墨烯层条带两端蒸镀或沉积粘结层，并在粘结层上沉积金属电极和像元引出电极；
(5)在所述步骤(4)的两金属电极对之间的石墨烯条带表面旋涂硫化铅量子点层，得到高灵敏宽光谱的石墨烯焦平面成像器件。
优选的，步骤(1)还包括采用氩等离子体对二氧化硅层进行亲水处理。
优选的，步骤(2)铜基石墨烯转移时，铜箔的两面均匀石墨烯，背面的相对较少，还包括用氧等离子体除去铜箔背面生长的石墨烯。
优选的，步骤(3)采用光刻和氧等离子体刻蚀，将连续的石墨烯薄膜加工成分散的多条石墨烯带。
优选的，步骤(4)采用光刻和电子束蒸镀，同时沉积石墨烯像元的金属电极和像元引出电极。
优选的，步骤(5)旋涂硫化铅量子点层时采用了层层旋涂和配体交换，使石墨烯和硫化铅量子点实现更有效地电荷传输，一般硫化铅量子点表面具有配体油酸，导电性差，采用硫化铅量子点的甲苯溶液和乙二硫醇配体的乙腈溶液进行层层旋涂和配体交换。
本发明提出的基于石墨烯的焦平面成像器件，采用石墨烯和硫化铅量子点复合作为像元，其中高载流子迁移率的石墨烯为电荷传输层，硫化铅量子点为石墨烯基光敏吸收层，使器件在可见至近红外波段具有高灵敏和宽光谱的响应，同时焦平面像元的设计，使石墨烯在成像领域实现了应用。
附图说明
图1为本发明中基于石墨烯的焦平面成像器件的石墨烯基光敏像元的结构立体示意图。
图2为本发明中基于石墨烯的焦平面成像器件的像元引出电极的平面分布图。
图3为本发明中基于石墨烯的焦平面成像器件的图2中的中心像元11的平面分布图。
图4为本发明中基于石墨烯的焦平面成像器件的光谱响应特性曲线，横坐标为光源的波长，纵坐标为器件的光响应度。
附图中的标记：1-硫化铅量子点层；2-石墨烯层；3-相对设置的金属电极层；4-粘附层；5-二氧化硅绝缘层；6-高掺杂硅层；7-像元漏极引出端；8-电极引线；9-公共源极引出端；10-对准标记；11-中心像元、12-公共端，13石墨烯基光敏像元。
具体实施方式
下文将结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
图1为一种基于石墨烯的焦平面成像器件中的石墨烯基光敏像元，自下而上依次设置有高掺杂硅层6、二氧化硅绝缘层5、粘附层4、相对设置的金属电极层3、石墨烯层2和硫化铅量子点层1；石墨烯层2和硫化铅量子点层1设置在相对设置的金属电极层3中间。所述高掺杂硅层6为p型掺杂，电阻率为0.05-0.20Ω·cm，厚度为400μm；所述二氧化硅绝缘层5厚度为300nm；所述石墨烯层2为化学气相沉积法制备所得的单层石墨烯，由原先的铜箔转移至所述的硅/二氧化硅衬底上；所述硫化铅量子点层1厚度为60-80nm，硫化铅量子点粒径为4.5-5.5nm；所述相对设置的金属电极层3为50-60nm的金，所述粘附层4为5-10nm的钛或铬。
图2为一种基于石墨烯的焦平面成像器件中的像元引出电极，由像元漏极引出端7、电极引线8、公共源极引出端9、对准标记10共同组成。所述像元引出电极材质为5-10nm的钛或铬粘附层和50-100nm的金；所述像元漏极引出端为较小面积的电极，约100μm×100μm；所述电极引线为依据每个像元的漏极引出，连接至像元漏极引出端；所述公共源极引出端为较大面积的电极，约500μm×500μm，以满足与读出电路互联时的多次焊接需求；所述对准标记为千分尺对准标记，以实现像元与像元引出电极的精确对准；所述像元数量为128×1，为避免盲元影响，实际设置数量为136×1。
如图1所示，高掺杂硅层6具有较好的导电能力，可作为背栅对石墨烯像元的费米能级进行调控；二氧化硅绝缘层5为绝缘介质，使高掺杂硅层6通过二氧化硅绝缘层5发挥栅压的调控作用；粘附层4为与硅衬底表面具有较好粘附性的钛或铬，以增强金属电极层3与石墨烯层2的接触；相对设置的金属电极层3为具有高功函数的金电极，以与石墨烯形成较好的欧姆接触，用于给所述石墨烯基光敏像元外加偏压；单层石墨烯具有高载流子迁移率和单原子层厚度，石墨烯层2在所述石墨烯基光敏像元中充当电荷传输层；通过调节硫化铅量子点粒径，使其在成像所需的可见至近红外波段有较好的吸收，硫化铅量子点层1在所述石墨烯基光敏像元中充当光敏吸收层，并与石墨烯之间形成能级势垒，在光照下，硫化铅量子点层1中产生的光生电子-空穴对于能级势垒处分离，光生电子保留在硫化铅量子点层1内，光生空穴传入石墨烯层2中，使所述石墨烯基光敏像元具有较高的响应度。
本发明的一种基于石墨烯的焦平面成像器件中的石墨烯基光敏像元通过如下方法步骤制备：
(1)采用丙酮、异丙醇、去离子水各15min依次超声清洗具有二氧化硅层的硅衬底，烘干后采用氩等离子体处理2min，使硅衬底表面具有亲水性。
(2)在化学气相沉积法生长在铜箔上的石墨烯表面旋涂质量分数为8％的PMMA溶液，干燥后采用氧等离子体处理10min，除去铜箔背面生长的多余石墨烯。接着置于0.1M的过硫酸铵溶液中进行铜的腐蚀，腐蚀完毕后将PMMA/石墨烯薄膜转移至洁净的硅衬底上，最后在丙酮中浸泡2小时，溶解PMMA。在400度还原性气氛(Ar/H2＝100sccm:100sccm)中退火1小时，除掉没有完全溶解的PMMA，得到转移至硅衬底上的石墨烯薄膜。
(3)采用紫外光刻和氧等离子体刻蚀，将连续的石墨烯薄膜加工成分散的石墨烯条带，条带尺寸为10μm×8μm。
(4)采用紫外光刻和电子束蒸镀，在石墨烯条带两端沉积对应的粘结层和像元源漏两极，得到石墨烯像元。
(5)配置体积分数为2％的乙二硫醇配体溶液(溶剂为乙腈)和30mg/ml的硫化铅量子点溶液(溶剂为甲苯，量子点配体为油酸)，转速为2500转/分，在石墨烯像元表面依次交叉旋涂硫化铅量子点和乙二硫醇溶液，即层层旋涂和配体交换。最终量子点层厚度约60-80nm，得到具有可见至近红外光响应的石墨烯基光敏像元。
如图2所示，像元漏极引出端7包括136个电极，其中每个电极都与图1所示的像元漏极连接，136个电极的分布如图2中所示；电极引线8用于分别连接每个像元的漏极和像元引出端7；公共源极引出端9包括2个相互对称的较大的公共电极，用于与图1所示的像元源极连接以及接地；对准标记10用于使所述像元引出电极与所述石墨烯基光敏像元的两极实现精确地对准；中心像元11包括136个图1所示的光敏像元。
如图3所示，136个中心像元11(1&2)依据公共电极引出端9两排平行而不对称分布，每个中心像元11尺寸相同，均为10μm×8μm；中心像元11两端的电极即源漏两极，其中漏极通过电极引线8连接至图2中的像元漏极引出端7，源极连接至公共源极引出端9。
如图4所示，本发明中的基于石墨烯的焦平面成像器件在450nm-1600nm的可见至近红外波段均有较好的响应，为本发明今后投入可见至近红外的成像应用打下了基础。
本发明的一种基于石墨烯的焦平面成像器件中的像元引出电极由紫外光刻和电子束蒸镀制备。像元漏极引出端7、电极引线8、公共源极引出端9和对准标记10采用同样的金属材质，均为具有高功函数的金电极和钛或铬粘附层；像元漏极引出端7和公共源极引出端9由于成像读出电路焊接需要，采用机械掩膜和电子束蒸镀，沉积较厚的约100nm的金。
通过上述方法制备的基于石墨烯的焦平面成像器件，在可见至近红外的不同波长的光照下通过半导体参数分析仪测试光电流值的大小，得到该焦平面成像器件的光谱响应特性；通过焦平面成像器件与读出电路互联，实现可见光至近红外图像的光电转换与图像信号输出；在不同功率的光照下测试光电流值的大小，通过计算得到该焦平面成像器件的响应度，nW级别的光照下响应度达到105A/W，并在可见至近红外波段均有响应。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可做出若干改进与变型，这些改进与变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件，其特征在于，包括多个石墨烯基光敏像元和像元引出电极；
石墨烯基光敏像元，衬底为高掺杂硅层(6)、高掺杂硅层上为二氧化硅绝缘层(5)、二氧化硅绝缘层上为石墨烯层(2)，石墨烯层(2)的两边部分上表面为相对平行设置的两粘附层(4)，在石墨烯层(2)的中间部分上表面也即相对平行的两粘附层(4)之间为硫化铅量子点层(1)；相对平行两粘附层(4)上分别为一金属电极层(3)，两金属电极层一个为像元漏极，一个为公共源极；多个石墨烯基光敏像元平行的设置成两排(11)，两排石墨烯基光敏像元的公共源极向里，并共同通过公共端(12)与公共源极引出端(9)相连；两排石墨烯基光敏像元的像元漏极向外，且每个像元漏极均通过一个电极引线(8)与一个像元漏极引出端(7)连接；多个石墨烯基光敏像元的衬底高掺杂硅层(6)和高掺杂硅层上的二氧化硅绝缘层(5)为同一整体的结构；两排的石墨烯基光敏像元非正对对称排布，进行交叉间隔非对称排布；像元漏极引出端、电极引线、公共端、公共源极引出端和对准标记作为像元引出电极，两排的石墨烯基光敏像元构成中心像元(11)，在中心像元的两侧面设有对准标记用于石墨烯基光敏像交叉间隔排布。
2.按照权利要求1所述的一种高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件，其特征在于，两金属电极层连线方向统一为长度方向，石墨烯层为一长方形层，其宽度与硫化铅量子点层的宽度相等，小于粘附层的宽度，粘附层的宽度、长度分别与金属电极层的宽度、长度对应相等；石墨烯基光敏像元从上表面看为一工型结构。
3.按照权利要求1所述的一种高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件，其特征在于，所述高掺杂硅层为p型掺杂，电阻率为0.05-0.20Ω·cm，厚度优选为400μm，二氧化硅绝缘层厚度优选为300nm。
4.按照权利要求1所述的一种高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件，其特征在于，粘附层厚度为5-10nm，材质为钛或铬。
5.按照权利要求1所述的一种高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件，其特征在于，相对平行设置的金属电极层厚度为50-60nm，材质为金，具有高功函数。
6.按照权利要求1所述的一种高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件，其特征在于，石墨烯层为单层石墨烯。
7.按照权利要求1所述的一种高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件，其特征在于，所述硫化铅量子点层厚度为60-80nm，硫化铅量子点粒径为4.5-5.5nm。
8.按照权利要求1所述的一种高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件，其特征在于，所述像元引出电极材质为：5-10nm厚的的钛或铬作为粘附层，粘附层上粘附厚度为50-100nm的金；所述像元漏极引出端为较小面积的电极，约100μm×100μm；电极引线为依据每个像元的漏极引出，连接至像元漏极引出端；所述公共源极引出端为较大面积的电极，约500μm×500μm；像元数量实际设置数量为136×1。
9.制备权利要求1-8任一项所述的高灵敏宽光谱的基于石墨烯的焦平面成像器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用丙酮、异丙醇、去离子水依次清洗具有二氧化硅层的高掺杂硅衬底；
(2)将化学气相沉积法生长的铜基石墨烯转移至所述步骤(1)已清洗的二氧化硅层上；
(3)采用微纳加工技术，将所述步骤(2)中已转移至二氧化硅层上的石墨烯薄膜刻蚀成多条带状结构；按照多个石墨烯基光敏像元平行的设置成两排时石墨烯层对应的位置；
(4)在所述步骤(3)的每一条石墨烯层条带两端蒸镀或沉积粘结层，并在粘结层上沉积金属电极和像元引出电极；
(5)在所述步骤(4)的两金属电极对之间的石墨烯条带表面旋涂硫化铅量子点层，得到高灵敏宽光谱的石墨烯焦平面成像器件。
10.按照权利要求9的制备方法，其特征在于，步骤(1)还包括采用氩等离子体对二氧化硅层进行亲水处理；步骤(2)铜基石墨烯转移时，铜箔的两面均匀石墨烯，背面的相对较少，还包括用氧等离子体除去铜箔背面生长的石墨烯；步骤(3)采用光刻和氧等离子体刻蚀，将连续的石墨烯薄膜加工成分散的多条石墨烯带；步骤(4)采用光刻和电子束蒸镀，同时沉积石墨烯像元的金属电极和像元引出电极；步骤(5)旋涂硫化铅量子点层时采用了层层旋涂和配体交换，硫化铅量子点表面具有配体油酸，采用硫化铅量子点的甲苯溶液和乙二硫醇配体的乙腈溶液进行层层旋涂和配体交换。
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