CN108493287B - 一种偏压调制的高灵敏光电探测器及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏压调制的高灵敏光电探测器及其制备方法与应用，其中，光电探测器的制备方法，包括：步骤A、在n型硅片的上表面制作绝缘层；步骤B、在所述n型硅片的下表面制作底电极，在所述绝缘层上制作顶电极；步骤C、采用ECR等离子体溅射工艺在掺杂硼元素的SiO2基片上制作石墨烯嵌入式碳膜；步骤D、将所述石墨烯嵌入式碳膜转移至所述顶电极的上表面，并且所述n型硅片和所述顶电极均与所述石墨烯嵌入式碳膜接触。本方法制备的光电探测器能偏压调制费米能级，具有对微弱光线（pW级）的灵敏探测能力；并且本制备方法拥有成本低、易于大面积制造的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光电传感器技术领域，尤其涉及一种偏压调制的高灵敏光电探测器及其制备方法与应用。
背景技术
二维材料主要分为三类：1）六元环蜂窝状二维纳米单原子层晶体；2）过渡金属硫化物和金属卤化为代表的三原子层晶体；3）金属氧化物和双金属氢氧物。由于这些二维材料的优异性能使其在能源储存、吸附、催化、光电等方面展现出巨大应用潜能。
石墨烯材料在室温下具有高达15000cm2/V·s的电子迁移率、高透光性、大比表面积和优异的力学性能，这些特性使得石墨烯在触摸显示屏、发光二极管中得到较大的应用。但是石墨烯零带隙会导致漏电流比较大，灵敏度不好，并且现有的石墨烯制备方法（主要为机械剥离法、化学气相沉积法）也不方便规模化制造。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种偏压调制的高灵敏光电探测器及其制备方法与应用，旨在解决现有的器件灵敏度不好且不方便规模化制造的技术问题。
本发明的技术方案如下：
一种光电探测器的制备方法，包括：
步骤A、在n型硅片的上表面制作绝缘层；
步骤B、在所述n型硅片的下表面制作底电极，在所述绝缘层上制作顶电极；
步骤C、采用ECR等离子体溅射工艺在掺杂硼元素的SiO2基片上制作石墨烯嵌入式碳膜；
步骤D、将所述石墨烯嵌入式碳膜转移至所述顶电极的上表面，并且所述n型硅片和所述顶电极均与所述石墨烯嵌入式碳膜接触。
所述的光电探测器的制备方法，其中，所述步骤A中，所述绝缘层的材料为SiO2或绝缘的金属氧化物。
所述的光电探测器的制备方法，其中，所述步骤A中，SiO2绝缘层由所述n型硅片经过表面氧化再经过蚀刻形成。
所述的光电探测器的制备方法，其中，所述步骤C中，ECR等离子体溅射工艺的参数为：碳靶上施加的电压为-450~-550V，SiO2基片上施加的电压为+20V~+120V，沉积时间为25~35min。
所述的光电探测器的制备方法，其中，所述步骤C中，所述石墨烯嵌入式碳膜的厚度为60~80nm。
所述的光电探测器的制备方法，其中，在所述步骤C之后、所述步骤D之前，还包括：
步骤C1、采用氢氟酸腐蚀去除SiO2基片，得到所述石墨烯嵌入式碳膜。
所述的光电探测器的制备方法，其中，所述步骤C1中，所述氢氟酸的质量分数为35~45%。
一种光电探测器，由下至上依次包括n型硅片、绝缘层、顶电极和石墨烯嵌入式碳膜，所述n型硅片的下表面还制作有底电极，所述n型硅片和所述顶电极均与所述石墨烯嵌入式碳膜接触，所述石墨烯嵌入式碳膜的边界量子阱中富含电子，呈n型。
一种提升如上所述的光电探测器性能的方法，在所述光电探测器上施加从所述n型硅片到所述石墨烯嵌入式碳膜的电压，提升所述光电探测器的光电性能。
所述的方法，其中，所述光电探测器在光波长为300-1100nm范围内具有光电响应。
有益效果：本发明提供了一种如上所述的光电探测器的制备方法，采用电子回旋共振（ECR）等离子体溅射系统，在n型硅片上制备了一种在非晶碳膜中含有大量石墨烯边缘嵌入式结构的新型纳米碳膜，即石墨烯嵌入式碳膜。本发明的碳膜的边界量子阱中富含电子，呈（弱）n型，与底部的n型导电硅片构成具有光电转换特性的n-n异质结，不同于传统的碳膜/P型硅光电传感器，本发明的光电探测器能偏压调制费米能级，石墨烯嵌入式碳膜与n型硅片之间的范德华结合具有超低漏电流、对微弱光线（pW级）的灵敏探测能力；并且本制备方法拥有成本低、易于大面积制造的优点。
附图说明
图1为本发明的光电探测器的结构示意图。
图2为本发明的光电探测器的测试原理图。
图3为本发明实施例2的光电探测器分别在黑暗与40mW功率785nm波长的激光照射下的伏安特性曲线。
图4为本发明实施例2的光电探测器测试时的光谱响应图。
图5为本发明实施例2的光电探测器测试时的时间响应图。
图6为本发明实施例1的光电探测器分别在黑暗、59nW和4.2μW功率785nm波长的激光照射下的伏安特性曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种偏压调制的高灵敏光电探测器及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种偏压调制的高灵敏光电探测器的制备方法的较佳实施例，包括：
步骤A、在n型硅片的上表面制作绝缘层；
步骤B、在所述n型硅片的下表面制作底电极，在所述绝缘层上制作顶电极；
步骤C、采用ECR等离子体溅射工艺在掺杂硼元素的SiO2基片上制作石墨烯嵌入式碳膜；
步骤D、将所述石墨烯嵌入式碳膜转移至所述顶电极的上表面，并且所述n型硅片和所述顶电极均与所述石墨烯嵌入式碳膜接触。
本发明采用电子回旋共振（ECR）等离子体溅射系统，在n型硅片上制备了一种在非晶碳膜中含有大量石墨烯边缘嵌入式结构的新型纳米碳膜，即石墨烯嵌入式碳膜。本发明的碳膜的边界量子阱中富含电子，呈（弱）n型，与底部的n型导电硅片构成具有光电转换特性的n-n异质结，不同于传统的碳膜/P型硅光电传感器，本发明的光电探测器能偏压调制费米能级，石墨烯嵌入式碳膜与n型硅片之间的范德华结合具有超低漏电流、对微弱光线（pW级）的灵敏探测能力；并且本制备方法拥有成本低、易于大面积制造的优点。
优选地，所述步骤A中，所述绝缘层的材料为SiO2或绝缘的金属氧化物。优选SiO2作为绝缘层材料，可直接将所述n型硅片表面的氧化物（SiO2）进行蚀刻，得到所需的绝缘层图形，制作方便，且界面结合好。
优选地，所述步骤C中，ECR等离子体溅射工艺的参数为：碳靶上施加的电压为-450~-550V（优选-500V），SiO2基片上施加的电压为+20V~+120V（优选+80V），沉积时间为25~35min（优选30min）。具体地，首先对系统腔室进行抽真空，气压＜7.5×10-5Pa（例如气压为7×10-5Pa）后，开始向系统腔室通入氩气，控制气体流量保持腔室气压为（3.5-4.5）×10-2Pa（例如4×10-2Pa），在施加微波与磁场后产生氩气等离子体，然后在前述电压参数下，沉积相应的时间，即可得到石墨烯嵌入式碳膜。
优选地，所述石墨烯嵌入式碳膜的厚度为60~80nm（例如70nm），不同于传统的石墨烯只有几个原子层厚度(小于1nm）本发明的石墨烯嵌入式碳膜为垂直生长的厚度较厚的碳薄膜，该碳膜的边界量子阱中富含电子，从而使得所述石墨烯嵌入式碳膜具有弱n性。
优选地，在所述步骤C之后、所述步骤D之前，还包括：
步骤C1、采用氢氟酸腐蚀去除SiO2基片，得到所述石墨烯嵌入式碳膜。具体地，可以将石墨烯嵌入式碳膜与SiO2基片的结合体放入质量分数为35~45%（例如40%）的氢氟酸中，待SiO2基片完全溶解后，得到单独的石墨烯嵌入式碳膜。
本发明提供了一种偏压调制的高灵敏光电探测器的较佳实施例，如图1所示，由下至上依次包括n型硅片1、绝缘层2、顶电极3和石墨烯嵌入式碳膜4，所述n型硅片的下表面1还制作有底电极5，所述n型硅片和所述顶电极均与所述石墨烯嵌入式碳膜接触，所述石墨烯嵌入式碳膜的边界量子阱中富含电子，呈n型。
即本发明的呈（弱）n型的碳膜与底部的n型硅片构成具有光电转换特性的n-n异质结，不同于传统的碳膜/P型硅光电传感器，本发明的光电探测器能偏压调制费米能级，石墨烯嵌入式碳膜与n型硅片之间的范德华结合具有超低漏电流、对微弱光线（pW级）的灵敏探测能力。
本发明还提供了上述光电探测器的应用，即提升所述光电探测器的光电性能的方法，具体是：在所述光电探测器上施加从所述n型硅片到所述石墨烯嵌入式碳膜的电压，来提升所述光电探测器的光电性能。测试表明，所述光电探测器在光波长为300-1100nm范围内具有光电响应。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1 石墨烯嵌入式碳膜/n型硅光电探测器的制备
（1）选取n型单面抛光导电硅片，用10%氢氟酸溶液去除硅片上自身氧化层（即蚀刻），留下足够大小的SiO2氧化层作为绝缘层部分，然后放入真空电阻蒸镀设备中，在10-4Pa气压下完成蒸镀过程，控制蒸发料金的蒸发速度在2nm/s左右完成30nm厚的底部金电极蒸镀，同理，在腌模板的覆盖下留出二氧化硅绝缘层部分，并在绝缘层上蒸镀30nm厚的顶部金电极。
（2）选取掺杂硼元素的单面抛光导电SiO2基片，使用丙酮溶液经超声洗净后放入电子回旋共振等离子溅射系统当中，对系统腔室进行抽真空，在真空度达到7×10-5Pa后，开始向系统腔室通入氩气，控制气体流量保持腔室气压为4×10-2Pa，在施加微波与磁场后产生氩气等离子体，在碳靶上施加-500V电压、二氧化硅基片上施加+80V电压，吸引等离子体中的电子诱导碳原子沉积在SiO2基片上，沉积过程持续30min，得到厚度为70nm左右的石墨烯嵌入式碳膜。
（3）待SiO2基片在腔室系统中充分冷却后取出，将石墨烯嵌入式碳膜与SiO2基片的结合体放入15ml 质量分数为40%的氢氟酸中浸泡，约24 h后SiO2基片被充分腐蚀，得到单独的石墨烯嵌入式碳膜。
（4）将石墨烯嵌入式碳膜使用无水乙醇溶液清洗干净，然后固定于制备好的n型硅片上，并确保n型硅片和所述顶电极均与所述石墨烯嵌入式碳膜接触，形成范德华接触，构成异质结，光电探测器制备完成。
实施例2 对照样品的制作
制作与实施例1结构相同的探测器，只是碳膜的制作方法不一样，碳膜的制作方法为：在N型硅片上直接通过ECR沉积碳膜，而非实施例1中的化学剥离法。
实施例3 性能测试
将实施例1和2中的探测器分别记为样品A和样品B，进行测试，测试原理如图2所示。
对样品B进行测试，分别在黑暗与40mW功率785nm波长的激光照射下的伏安特性曲线如图3所示，在图中横坐标为0处，即外加偏压为零时，碳膜与n型硅片是一个n-n的异质结结构，黑暗状况下的电流与光照状况下的电流相差很小，甚至可以说是相等，因此光响应度很小。当施加外加的负偏压时，光电流（光照情况下的电流减去黑暗情况下的电流）增大，即光响应度增大，通过对外加偏压的调制发现光电流的大小随着外加偏压的增大而增大，在外加偏压达到-2V时逐渐达到饱和，因此，本发明可通过增加上述的偏压来提升所述光电探测器的光电性能，这也是本发明n-n型探测器的特性所在。具体地，光电探测器在光波长为300-1100nm范围内具有光电响应，光电响应度最高可达0.25A/W，如图4所示。并且该光电探测器对光具有2.2微秒级别的超快响应速度，如图5所示。
进一步对比化学剥离法与ECR直接沉积法工艺对探测器的光电性能的影响，对样品A进行测试，分别在黑暗、59nW和4.2μW功率785nm波长的激光照射下的伏安特性曲线如图6所示，化学剥离法工艺制作的碳膜与n型硅为范德华接触下，探测器拥有更好的光电特性，其中：（1）拥有超低漏电流，在图3中的器件其漏电流在3mA左右，而图6显示，通过化学剥离并进行范德华接触的光电探测的暗电流在nA级别；（2）对微弱光线有着很高且灵敏的光响应度，图3中的器件在40mW功率785nm波长的激光照射下的响应度为0.25A/W左右，并且在激光功率微弱的情况下，探测器由于漏电流较大将不起作用，而通过化学剥离并进行范德华接触的光电探测对微弱光线59纳瓦、4.2微瓦级别785nm波长的光仍然具有很高的灵敏度，并且进过换算后，其光响应度分别为2.66A/W和1.36A/W。并且样品A在前述的“300-1100nm”范围内均具有光电响应。因此，本发明的化学剥离法制备的光电探测器，灵敏度更高，光电性能更优。
综上所述，本发明提供了一种偏压调制的高灵敏光电探测器及其制备方法与应用，通过采用电子回旋共振（ECR）等离子体溅射系统，在n型硅片上制备了一种在非晶碳膜中含有大量石墨烯边缘嵌入式结构的新型纳米碳膜，即石墨烯嵌入式碳膜。本发明的碳膜的边界量子阱中富含电子，呈（弱）n型，与底部的n型导电硅片构成具有光电转换特性的n-n异质结，不同于传统的碳膜/P型硅光电传感器，本发明的光电探测器能偏压调制费米能级，石墨烯嵌入式碳膜与n型硅片之间的范德华结合具有超低漏电流、对微弱光线（pW级）的灵敏探测能力；并且本制备方法拥有成本低、易于大面积制造的优点；本发明还提供了上述光电探测器的应用，即提升所述光电探测器的光电性能的方法，在测量所述光电探测器的光电性能时，在所述光电探测器上施加从所述n型硅片到所述石墨烯嵌入式碳膜的电压。测试表明，所述光电探测器在光波长为300-1100nm范围内具有光电响应，并具有2.2微秒级别的超快响应速度。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤A、在n型硅片的上表面制作绝缘层；
步骤B、在所述n型硅片的下表面制作底电极，在所述绝缘层上制作顶电极；
步骤C、采用ECR等离子体溅射工艺在掺杂硼元素的SiO2基片上制作石墨烯嵌入式碳膜；
步骤D、将所述石墨烯嵌入式碳膜转移至所述顶电极的上表面，并且所述n型硅片和所述顶电极均与所述石墨烯嵌入式碳膜接触；
所述石墨烯嵌入式碳膜的边界量子阱中富含电子，呈n型。
2.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，所述绝缘层的材料为SiO2或绝缘的金属氧化物。
3.根据权利要求2所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，SiO2绝缘层由所述n型硅片经过表面氧化再经过蚀刻形成。
4.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，ECR等离子体溅射工艺的参数为：碳靶上施加的电压为-450~-550V，SiO2基片上施加的电压为+20V~+120V，沉积时间为25~35min。
5.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，所述石墨烯嵌入式碳膜的厚度为60~80nm。
6.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，在所述步骤C之后、所述步骤D之前，还包括：
步骤C1、采用氢氟酸腐蚀去除SiO2基片，得到所述石墨烯嵌入式碳膜。
7.根据权利要求6所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤C1中，所述氢氟酸的质量分数为35~45%。
8.一种光电探测器，其特征在于，由下至上依次包括n型硅片、绝缘层、顶电极和石墨烯嵌入式碳膜，所述n型硅片的下表面还制作有底电极，所述n型硅片和所述顶电极均与所述石墨烯嵌入式碳膜接触，所述石墨烯嵌入式碳膜的边界量子阱中富含电子，呈n型。
9.一种提升如权利要求8所述的光电探测器性能的方法，其特征在于，在所述光电探测器上施加从所述n型硅片到所述石墨烯嵌入式碳膜的电压，提升所述光电探测器的光电性能。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光电探测器在光波长为300-1100nm范围内具有光电响应。
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