CN108075009A - 基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器及其制备方法，该石墨烯红外传感器包括硅片，部分的硅片上方具有绝缘层，绝缘层的上方具有电极层，当选择具有二氧化硅层的硅片时，则直接于部分的硅片上方形成电极层，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。本发明使用新型纳米石墨烯材料作为感光材料,并加入光子晶体汇聚特定波长红外线，提高了光响应率，并且其制备过程简单，成本低，是一种无需制冷的量子传感器。
Description
技术领域
本发明属于光电传感器领域，具体涉及一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器及其制备方法。
背景技术
红外检测技术有着极其广泛的应用，并且随着红外检测技术的不断的发展及普及，新的应用被不断开发。目前主要集中在四种商业用途：红外热像仪，汽车主动安全技术，智能手机中的红外成像及监控领域。预计到2017年底，商用成像市场份额将超过军事用途，占据市场50%以上，达到30亿美金。红外热像仪应用集中在电气设备检测、机电设备检测、建筑检测及产品品质控制。将红外传感器安装于车辆上，可以在夜间或雾、霾等气候条件下有效地提高驾驶员视距，从而成为重要的安全驾驶辅助手段。
目前红外探测技术主要有两种：制冷式窄带半导体探测和非制冷式热量传感器。制冷式窄带半导体例如InSb和HgCdTe具有灵敏度高、响应速度快等优势，然而，复杂的加工流程和制冷设备的要求大大提高其加工成本。非制冷式热量传感器无需外加制冷设备，主要依靠热敏感元件受热电阻发生改变来进行检测。其成本较低，但是灵敏度及响应速度不及制冷式窄带半导体。而且，不论是制冷式还是非式制冷探测器，都只能针对某一较宽的红外波长范围进行检测，无法有效区分不同波长的红外光。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明涉及一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器及其制备方法。
本发明提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，包括硅片，部分的硅片的抛光面上具有连续且厚度均匀的绝缘层，绝缘层的上方具有连续且厚度均匀的电极层，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。
所述绝缘层与电极层之间具有连接层，所述硅片的厚度为300到1000微米，所述绝缘层的厚度为200-500纳米，所述绝缘层的材质为二氧化硅，所述电极层的厚度为100到300纳米，所述电极层的材质为金，所述连接层的厚度为20到30纳米，所述连接层的材质为铬，所述感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积为100到1000000平方微米。
所述光子晶体部分形成为周期性排列的六边形或者圆形孔洞，所述光子晶体部分的厚度为400-700纳米，光子晶体周期为4到10微米，圆形孔洞直径或六边形外接圆直径与光子晶体周期之比为0.6到0.8之间。
本发明还提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，包括表面具有二氧化硅层的硅片，于具有二氧化硅层一侧的部分的硅片上方具有电极层，电极层分为形成为处于硅片上方两端的两个间隔的部分，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。
所述具有二氧化硅层一侧的部分的硅片与电极层之间具有连接层，所述硅片的厚度为300到1000微米，所述二氧化硅层的厚度为200-500纳米，所述电极层的厚度为100到300纳米，所述电极层的材质为金，所述连接层的厚度为20到30纳米，所述连接层的材质为铬，所述感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积为100到1000000平方微米。
所述光子晶体部分形成为周期性排列的六边形或者圆形孔洞，所述光子晶体部分的厚度为400-700纳米，光子晶体周期为4到10微米，圆形孔洞直径或六边形外接圆直径与光子晶体周期之比为0.6到0.8之间。
本发明提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：预清洗硅片；
步骤 2：于硅片上制备图形化光刻胶层；
步骤3：利用溅射技术于图形化光刻胶的上方顺次沉积绝缘层和电极层；
步骤 4：溶解光刻胶层，去除覆盖在光刻胶层上方绝缘层和电极层；
步骤 5：利用聚酸甲酯转移技术转移石墨烯至部分电极层以及部分硅片的上方，并利用原子力显微镜进行表面处理，提高电子迁移率；
步骤6：于剩余的全部的电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的硅片上方旋涂光刻胶层，并利用光刻技术对光刻胶层进行图案化处理以制备光子晶体部分。
所述步骤5和步骤6之间还包含一个步骤：利用掺杂技术向感光纳米石墨烯材料层中注入电子，调节费米能级到达狄拉克点附近。
本发明还提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：预清洗具有二氧化硅层的硅片；
步骤 2：于具有二氧化硅层一侧的硅片上方制备图形化光刻胶层；
步骤3：利用溅射技术于图形化光刻胶的上方沉积电极层；
步骤 4：溶解光刻胶层，去除覆盖在光刻胶层上方绝缘层和电极层；
步骤 5：利用聚酸甲酯转移技术转移石墨烯至部分电极层以及部分硅片的上方，并利用原子力显微镜进行表面处理，提高电子迁移率；
步骤6：于剩余的全部的电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的硅片上方旋涂光刻胶层，并利用光刻技术对光刻胶层进行图案化处理以制备光子晶体部分。
所述步骤5和步骤6之间还包含一个步骤：利用掺杂技术向感光纳米石墨烯材料层中注入电子，调节费米能级到达狄拉克点附近。
本发明具有以下优点：
本发明相比于传统红外探测器，使用新型纳米石墨烯材料作为感光材料,具有高电子迁移率及宽波段光响应率的优点；
本发明相比于传统红外探测器，加入光子晶体汇聚特定波长红外线，提高了光响应率；
本发明相比于传统红外探测器，利用光子晶体实现针对特定波长红外线的高灵敏检测；
本发明相比于传统红外探测器，通过化学掺杂调节石墨烯费米能级，实现对不同波长的不同灵敏度检测；
本发明相比于传统红外探测器，其制备过程简单，成本低；
本发明相比于传统红外探测器，是一种无需制冷的量子传感器。
附图说明
图1A是本发明具有石墨烯-硅异质结结构的石墨烯红外传感器的结构示意图；
图1B是本发明中具有金属-石墨烯-金属结构的石墨烯红外传感器的结构示意图；
图2A是本发明中制备具有石墨烯-硅异质结结构的石墨烯红外传感器的方法流程图；
图2B是本发明中制备具有金属-石墨烯-金属结构的石墨烯红外传感器的方法流程图；
图3是光子晶体部分的的原子力显微镜图像；
图4是本发明中基于光子晶体的石墨烯红外传感器对不同波段红外线光响应率的检测比较（使用与不使用光子晶体的比较）；
图5是利用原子力显微镜表面处理前和表面处理后的石墨烯图像及截面高度图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明的目的在于提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其制备是通过一种对特定波长红外线的光响应放大方法，通过设计光子晶体结构及尺寸以产生更高灵敏度的光电传感器。对于特定波长红外线，通过设计光子晶体周期及缺陷位置和尺寸，光子晶体可以将入射红外线汇聚到石墨烯表面以达到增强光响应率的目的。石墨烯吸收红外线能量后，产生光致载流子，在外加电场的作用下，被电极收集形成光电流。石墨烯作为感光材料，通过聚酸甲酯转移的方法，放置于硅基底上形成石墨烯-硅异质结结构的石墨烯红外感测器，或者放置于预先做好电极的具有二氧化硅层的硅片上，形成金属-石墨烯-金属结构的石墨烯红外感测器。基于原子力显微镜的纳米机器人被用于处理石墨烯表面进而提高石墨烯电子迁移率等电学性质。通过表面掺杂技术向石墨烯注入富余电子，调节石墨烯费米能级，进而控制石墨烯在不同波段的吸光率，实现对特定波段的响应。本发明采用SU-8型光刻胶作为光子晶体制备材料，直接旋涂于感光纳米石墨烯材料层、电极层以及硅片上方表面，通过光刻技术，利用预先图形化的铬板掩膜来制备高精度的光子晶体部分。
本发明提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器,分别由于采用基底的区别有两种不同的结构，分别如图1A和图1B所示。
如图1A所示，所述石墨烯红外传感器具有石墨烯-硅异质结结构,具体包括：
硅片，其厚度为300到1000微米，为P型硅或者N型硅，其电阻率1-10欧姆·厘米；
部分的该硅片上方具有连续的、非间断的且厚度均匀的绝缘层，其材质为二氧化硅，厚度为200-500纳米；
设置于绝缘层上方的连续的、非间断的且厚度均匀的电极层，该电极层利用溅射方法沉积，其先于绝缘层上方连续的、非间断的且厚度均匀的沉积20到30纳米厚的金属铬作为连接层，然后再于连接层上方沉积100到300纳米厚的金作为电极层；
利用转移方法于部分的电极层上方以及未设置有绝缘层的部分的硅片上方设置感光纳米石墨烯材料层，感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积范围为100到1000000平方微米（其与电极层以及需要覆盖的部分硅片的面积相对应）；以及
于感光纳米石墨烯材料层上方、剩余全部的电极层上方、未设置有绝缘层和感光纳米石墨烯材料层的剩余全部的硅片的上方通过光刻技术制备的光子晶体部分，该光子晶体部分的厚度为700纳米左右，光子晶体部分的光子晶体周期为4到10微米之间，其覆盖整个产品的表面。
如图1B所示，所述石墨烯红外传感器具有金属-石墨烯-金属结构,具体包括：
硅片，其厚度为100到300纳米，该硅片采用某一层表面具有二氧化硅层的硅片，选择这种类型的硅片由于已经具有二氧化硅层作为绝缘层，因此后续步骤中可以省略沉积绝缘层的步骤，其中二氧化硅层的二氧化硅绝缘层的厚度为200到500纳米；
设置于部分硅片上方的处于硅片上方两端的电极层，该电极层利用溅射方法沉积，其先于具有二氧化硅层一侧的硅片上方沉积20到30纳米厚的金属铬作为连接层，然后再于连接层上方沉积100到300纳米厚的金作为电极层；
利用转移方法于部分的电极层上方以及未设置有电极层的部分的硅片上方设置感光纳米石墨烯材料层，感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积范围为100到1000000平方微米（与电极层的电极区域面积匹配）；以及
于感光纳米石墨烯材料层上方、剩余全部的电极层上方、未设置有绝缘层和感光纳米石墨烯材料层的剩余全部的硅片的上方通过光刻技术制备的光子晶体部分，该光子晶体部分的厚度为700纳米左右，光子晶体部分的光子晶体周期为4到10微米之间，其覆盖整个产品的表面。
以上两种结构的区别在于基底所采用硅片的形式不同，如采用普通的硅片即不带有二氧化硅层的硅片，则其需要于基片上方沉积绝缘层，进而形成石墨烯-硅异质结结构,如采用具有二氧化硅层的硅片，则不需要于硅片上方沉积绝缘层，可直接于部分的硅片上方沉积电极层，进而形成金属-石墨烯-金属结构。
本发明还提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，对应制备具有石墨烯-硅异质结结构的石墨烯红外传感器的制备方法，如图2A所示，包括以下几个主要步骤：
步骤1：如图2A中的S1，预清洗硅片，该硅片厚度为300到1000微米，为P型硅或者N型硅，电阻率为1-10欧姆·厘米；
步骤 2：如图2A中的S2，利用光刻技术于硅片上方制备3微米左右图形化的AZ5214E光刻胶层（即于硅片上方部分沉积光刻胶层，而非表面完全沉积光刻胶层）；
步骤 3：如图2A中的S3（图中未示出连接层），于图形化的光刻胶层上方利用溅射方法沉积200纳米到500纳米厚的二氧化硅材质的绝缘层，再于所述绝缘层的上方利用溅射方法先沉积20纳米到30纳米厚的金属铬作为连接层，再于连接层上方沉积100纳米到300纳米厚的金作为电极层；
步骤 4：如图2A中的S4，使用有机溶剂溶解光刻胶层，进而使被去除的光刻胶层上方的连接层、绝缘层和电极层均被去除。直接沉积于硅基底上的连接层、电极层和绝缘层均被保留下来；
步骤 5：如图2A中的S5，利用浓度为20毫克每毫升的聚酸甲酯溶液（溶剂为氯仿）转移图形化后的、方形石墨烯至预先做好电极层以及部分的硅片上方。通过步骤5完成中间产品上，石墨烯并不完全铺满整个电极层以及基底的表面，而是铺设于部分的硅片上方以及部分的电极层上方，如图2A所示，两个铺设的部分是连续的铺设，不形成间断；
步骤 6：利用有机溶剂溶解聚酸甲酯，形成感光纳米石墨烯材料层；
步骤 7：利用原子力显微镜接触式扫描模式对制备得到的感光纳米石墨烯材料层进行表面杂质去除处理，表面杂质覆盖率降低95%，如图5所示，利用进而提高电子迁移率至800到1000cm2/Vs；
步骤 8：利用氯化金溶液向感光纳米石墨烯材料层进行掺杂（注入电子浓度为1.23-1.4×1013/cm2），调节费米能级到狄拉克点附近（4.5电子伏到4.8电子伏之间）；
步骤 9：如图2A中的S6，于剩余的全部的电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的全部的基底上方旋涂SU-8型光刻胶层，然后利用光刻技术于剩余的全部电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的全部硅片上方进行图案化过程，形状结果如图3所示。图形化后的光刻胶固化为固体。在固化的光刻胶上形成周期性排列的圆形或六边形孔洞，这种具有特定图案的固化光刻胶即为光子晶体。光子晶体部分的光子晶体的结构为如图3所示，为周期性排列的六边形或者圆形孔洞，孔洞的深度为400-700纳米左右。相邻孔洞中心间距为光子晶体周期，光子晶体周期是4微米到10微米之间，优选为5微米。圆形孔洞直径或六边形外接圆直径与光子晶体周期之比为0.6到0.8之间。对制备光子晶体之前和之后的传感器进行光响应率测量，如图4所示，发现在特定波长实现了光响应率增强的目的。
本发明还提供一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，对应制备具有金属-石墨烯-金属结构的石墨烯红外传感器的制备方法，如图2B所示，包括以下几个主要步骤：
步骤1：如图2B中的S1’，预清洗具有100到300纳米厚的硅片，该硅片为表层具有二氧化硅层的硅片；
步骤 2：如图2B中的S2’，利用光刻技术在具有二氧化硅层一层的硅片的表面制备图形化的3微米左右图形化的AZ5214E光刻胶层（即于硅片上方表面沉积部分光刻胶层，而非表面完全沉积光刻胶层）；
步骤 3：如图2B中的S3’，利用溅射方法于光刻胶上方先沉积20纳米到30纳米厚的金属铬作为连接层，然后再沉积100纳米到300纳米厚的金作为电极层；
步骤 4：如图2B中的S4’，使用有机溶剂溶解光刻胶，使光刻胶上方沉积的连接层以及电极层全部去除，在部分硅片上方形成电极层；
步骤 5：如图2B中的S5’，利用浓度为20毫克每毫升的溶液（溶剂为氯仿）聚酸甲酯转移图形化后的、方形石墨烯到预先做好电极层以及部分的硅片上方，通过步骤5完成中间产品上，石墨烯并不完全铺满整个电极层以及硅片的表面，而是铺设于部分的硅片上方以及部分的电极层上方，如图2B所示，两个铺设的部分是连续的铺设，不形成间断；
步骤 6：利用有机溶剂溶解聚酸甲酯，形成感光纳米石墨烯材料层；
步骤 7：利用原子力显微镜接触式扫描模式对制备得到的感光纳米石墨烯材料层进行表面杂质去除处理，表面杂质覆盖率降低95%，如图5所示，利用进而提高电子迁移率至800到1000 cm2/Vs；
步骤 8：利用氯化金溶液向感光纳米石墨烯材料层注入电子进行掺杂（注入电子浓度为1.23-1.4×1013/cm2），调节费米能级到狄拉克点附近（4.5电子伏到4.8电子伏之间）；
步骤 9: 如图2B中的S6’，于剩余的全部的电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的全部的基底上方旋涂SU-8型光刻胶层，然后利用光刻技术于剩余的全部电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的全部硅片上方进行图案化过程，形状结果如图3所示。图形化后的光刻胶固化为固体。在固化的光刻胶上形成周期性排列的六边形或者圆形孔洞，这种具有特定图案的固化光刻胶即为光子晶体。光子晶体部分的光子晶体的结构为如图3所示，为周期性排列的六边形或者圆形孔洞，孔洞的深度为400-700纳米左右。相邻孔洞中心间距为光子晶体周期。光子晶体周期是4微米到10微米之间，圆形孔洞直径或六边形外接圆直径与光子晶体周期之比为0.6到0.8之间。
上述制备方法与制备石墨烯-硅异质结结构的石墨烯红外感测器的区别仅在于省略了制备绝缘层的步骤，这是由于采用具有二氧化硅层的硅片作为基底，其中的二氧化硅层直接作为绝缘层，进而可以省略后续绝缘层的制备方法，直接将电极层制备在基底上方。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，包括硅片，部分的硅片的抛光面上具有连续且厚度均匀的绝缘层，绝缘层的上方具有连续且厚度均匀的电极层，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，所述绝缘层与电极层之间具有连接层，所述硅片的厚度为300到1000微米，所述绝缘层的厚度为200-500纳米，所述绝缘层的材质为二氧化硅，所述电极层的厚度为100到300纳米，所述电极层的材质为金，所述连接层的厚度为20到30纳米，所述连接层的材质为铬，所述感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积为100到1000000平方微米。
3.根据权利要求1或2所述的基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，所述光子晶体部分形成为周期性排列的六边形或者圆形孔洞，所述光子晶体部分的厚度为400-700纳米，光子晶体周期为4到10微米，圆形孔洞直径或六边形外接圆直径与光子晶体周期之比为0.6到0.8之间。
4.一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，包括表面具有二氧化硅层的硅片，于具有二氧化硅层一侧的部分的硅片上方具有电极层，电极层分为形成为处于硅片上方两端的两个间隔的部分，部分的电极层以及部分的硅片上方具有感光纳米石墨烯材料层，剩余全部的电极层、感光纳米石墨烯材料层的上方以及剩余全部的硅片的上方具有通过光刻制备的光子晶体部分。
5.根据权利要求4所述的基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，所述具有二氧化硅层一侧的部分的硅片与电极层之间具有连接层，所述硅片的厚度为300到1000微米，所述二氧化硅层的厚度为200-500纳米，所述电极层的厚度为100到300纳米，所述电极层的材质为金，所述连接层的厚度为20到30纳米，所述连接层的材质为铬，所述感光纳米石墨烯材料层的厚度为1到3层碳原子，面积为100到1000000平方微米。
6.根据权利要求4或5所述的基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器，其特征在于，所述光子晶体部分形成为周期性排列的六边形或者圆形孔洞，所述光子晶体部分的厚度为400-700纳米，光子晶体周期为4到10微米，圆形孔洞直径或六边形外接圆直径与光子晶体周期之比为0.6到0.8之间。
7.一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：预清洗硅片；
步骤 2：于硅片上制备图形化光刻胶层；
步骤3：利用溅射技术于图形化光刻胶的上方顺次沉积绝缘层和电极层；
步骤 4：溶解光刻胶层，去除覆盖在光刻胶层上方绝缘层和电极层；
步骤 5：利用聚酸甲酯转移技术转移石墨烯至部分电极层以及部分硅片的上方，并利用原子力显微镜进行表面处理，提高电子迁移率；
步骤6：于剩余的全部的电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的硅片上方旋涂光刻胶层，并利用光刻技术对光刻胶层进行图案化处理以制备光子晶体部分。
8.根据权利要求7所述的基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤5和步骤6之间还包含一个步骤：利用掺杂技术向感光纳米石墨烯材料层中注入电子，调节费米能级到达狄拉克点附近。
9.一种基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：预清洗具有二氧化硅层的硅片；
步骤 2：于具有二氧化硅层一侧的硅片上方制备图形化光刻胶层；
步骤3：利用溅射技术于图形化光刻胶的上方沉积电极层；
步骤 4：溶解光刻胶层，去除覆盖在光刻胶层上方绝缘层和电极层；
步骤 5：利用聚酸甲酯转移技术转移石墨烯至部分电极层以及部分硅片的上方，并利用原子力显微镜进行表面处理，提高电子迁移率；
步骤6：于剩余的全部的电极层上方、感光纳米石墨烯材料层上方以及剩余的硅片上方旋涂光刻胶层，并利用光刻技术对光刻胶层进行图案化处理以制备光子晶体部分。
10.根据权利要求9所述的基于光子晶体光响应增强技术的石墨烯红外传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤5和步骤6之间还包含一个步骤：利用掺杂技术向感光纳米石墨烯材料层中注入电子，调节费米能级到达狄拉克点附近。
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