CN108630782A - 一种宽探测波段双重等离子工作光电探测器及其制备方法 - Google Patents
一种宽探测波段双重等离子工作光电探测器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种宽探测波段双重等离子工作光电探测器及其制备方法，其是采用电子束及退火技术在n‑型硅片的上表面制备双层金纳米颗粒，两层金纳米颗粒之间利用单层石墨烯进行分隔。本发明的双重等离子光电探测器，采用双层金纳米颗粒产生强的双重等离子体共振效应，同时在平面硅肖特基光电探测器中引入金纳米颗粒/石墨烯/金纳米颗粒混合电极，混合电极的特殊结构保证了热电子的有效传输，通过双重等离子体共振电极，拓宽探测器的光电探测波长范围，最终的有效探测波长范围为360‑1330nm，其可在紫外‑可见‑近红外工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电探测器，更具体地说是涉及一种宽探测波段双重等离子工作光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器件可以将感应到的光信号转换为电信号，具有重要的军用价值和广阔的民用市场。光电探测器的种类有很多，其中硅基光电探测器以其成熟的工艺和优异的性能在遥感成像、天文学、农业、制药、环境监测和导航设备等领域有着重要的应用价值。但是近年来，随着光电探测器的需求市场越来越大，人们对于它的性能要求也是越来越严格。从半导体材料到器件结构的选择，光电探测器都面临着新的机遇与挑战。
有研究者开始将金属纳米颗粒的局域等离子体共振效应与光电探测器相结合，表面等离子体共振是在金属和电介质界面处入射光场在适当的条件(能量与动量匹配)下引发金属表面的自由电子相干振荡的一种物理现象。它能够有效地提升器件吸收光子的能力，加快热电子的注入，改善器件响应速度、探测率和灵敏度。但目前应用于光电探测器中的等离子共振结构多为单层，这就大大限制了器件的可提升空间。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种宽探测波段双重等离子工作光电探测器及其制备方法，旨在通过双层金纳米颗粒等离子体共振结构与Si肖特基光电探测器相结合，并利用石墨烯的超薄厚度使得上下两层金纳米颗粒之间产生较强的表面等离子体共振效应，从而更好的吸收光子能量。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明公开了一种宽探测波段双重等离子工作光电探测器，其特点在于：所述宽探测波段双重等离子光电探测器是以n-型硅片为衬底；在所述衬底的上表面形成有第一层金纳米颗粒层，在所述第一层金纳米颗粒层上转移有一层石墨烯层，在所述石墨烯层上形成有第二层金纳米颗粒层，使得两层金纳米颗粒层之间通过石墨烯层隔开；在所述第二层金纳米颗粒层上设置有顶电极；在所述衬底的下表面设置有底电极。
具体的，所述第一层金纳米颗粒层与所述第二层金纳米颗粒层皆是由均匀分布的金纳米颗粒构成。
具体的，所述顶电极和所述底电极皆为通过涂抹银浆而形成的银电极。
上述宽探测波段双重等离子光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
a、将n-型硅片依次使用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，然后使用氮气吹干，作为衬底备用；
b、将衬底放入到电子束沉积腔室中，在衬底上表面蒸镀5nm金薄膜，然后冷却至室温，取出并放入快速退火炉中，在氩气环境中500℃退火30分钟，使金薄膜退火成为由金纳米颗粒均匀分布构成的第一层金纳米颗粒层；
c、在第一层金纳米颗粒层转移一层石墨烯，然后在60℃下烘烤5min以增强石墨烯的粘附性；
d、将衬底再次放入到电子束沉积腔室中，在石墨烯层上蒸镀5nm的金薄膜，然后冷却至室温，取出并放入快速退火炉中，在氩气环境中250℃退火30分钟，使金薄膜退火成为由金纳米颗粒均匀分布构成的第二层金纳米颗粒层；
e、利用银浆分别从衬底的下表面和第二层金纳米颗粒层的顶部引出底电极和顶电极，即完成宽探测波段双重等离子光电探测器的制备。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明的光电探测器采用双层等离子结构，有效的加强了对光的吸收，双层等离子体共振结构是在单层等离子体共振的基础上进一步的改进，上、下两层金纳米颗粒之间产生较强的表面等离子体共振效应，从而更好的吸收光子能量。
2、本发明的光电探测器通过单层石墨烯层来分隔上、下两层金纳米颗粒层，间距为亚纳米量级，使得上、下两层金纳米颗粒之间产生较强的表面等离子体共振效应，提升了能量的转换效率，从而进一步提升了光电探测器的灵敏度。
3、本发明在平面硅肖特基光电探测器中引入金纳米颗粒/石墨烯/金纳米颗粒混合电极，混合电极的特殊结构保证了热电子的有效传输，通过双重等离子体共振电极，拓宽探测器的光电探测波长范围，最终的有效探测波长范围为360-1330nm，其可在紫外-可见-近红外工作，光电探测器在紫外波段的探测性能得到了改善，并在长波波段打破了Si自身1.2ev禁带宽度的束缚，同时获得较高的器件性能。
4、本发明的宽探测波段双层等离子光电探测器由于混合电极与Si形成肖特基结，因此该探测器可在零偏压下工作，节省能耗。
5、本发明从金纳米颗粒层的制备到器件的最终完成，操作简单，极大地简化了宽探测光电探测器的制备流程，大幅地降低了成本，使得宽探测波段双层等离子光电探测器非常易于实现。
附图说明
图1为本发明宽探测波段双层等离子光电探测器的结构示意图；其中1为衬底，2为第一层金纳米颗粒层，3为石墨烯层，4为第二层金纳米颗粒层，5为顶电极，6为底电极；
图2为本发明实施例1中衬底上形成的第一层金纳米颗粒层的场发射扫描电子显微镜图片；
图3为垂直拍摄的实施例1中石墨烯分隔的双层金纳米颗粒的场发射扫描电子显微镜图片；
图4为本发明实施例1中宽探测波段双层等离子光电探测器在黑暗条件下的整流特性曲线；
图5为本发明实施例1中宽探测波段双层等离子光电探测器的I-V曲线的log坐标图；
图6为本发明实施例1中宽探测波段双层等离子光电探测器随波长变化的响应度变化曲线图；
图7为本发明实施例1中宽探测波段双层等离子光电探测器的快速光响应时间图；
图8为本发明实施例1、2中宽探测波段双层等离子光电探测器的光折射率的对比图；
图9为本发明实施例1、2、3中宽探测波段双层等离子光电探测器的光折射率的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例的宽探测波段双层等离子光电探测器，是以n-型硅片为衬底1，在衬底1的上表面形成有第一层金纳米颗粒层2，在第一层金纳米颗粒层2上转移有一层石墨烯层3，在石墨烯层3上形成有第二层金纳米颗粒层4，使得两层金纳米颗粒层之间通过石墨烯层隔开；在第二层金纳米颗粒层4上设置有顶电极5；在衬底1的下表面设置有底电极6。其中：第一层金纳米颗粒层2与第二层金纳米颗粒层4皆是由均匀分布的金纳米颗粒构成。顶电极5和底电极6皆为通过涂抹银浆而形成的银电极。
本实施例的光电探测器按如下步骤进行制备：
1、依次采用丙酮、酒精和去离子水对n-型硅片进行超声清洗，然后利用纯度为99.9％的氮气将n-型硅片吹干，作为衬底备用；
2、将衬底放入到电子束沉积腔室中，在衬底上表面蒸镀5nm金薄膜，然后冷却至室温，取出并放入快速退火炉中，在氩气环境中500℃退火30分钟，使金薄膜退火成为由金纳米颗粒均匀分布构成的第一层金纳米颗粒层；
c、在第一层金纳米颗粒层转移一层石墨烯，然后在60℃下烘烤5min以增强石墨烯的粘附性；
具体的，石墨烯是通过化学气相沉积法在铜箔上生长的，在过硫酸铵溶液中利用辅助湿法化学刻蚀将石墨烯从铜箔上转移出来，然后在去离子水中清洗数次，再转移到金纳米颗粒层上并自然干燥。
d、将衬底再次放入到电子束沉积腔室中，在石墨烯层上蒸镀5nm的金薄膜，然后冷却至室温，取出并放入快速退火炉中，在氩气环境中250℃退火30分钟，使金薄膜退火成为由金纳米颗粒均匀分布构成的第二层金纳米颗粒层；
e、利用银浆分别从衬底的下表面和第二层金纳米颗粒层的顶部引出底电极和顶电极，即完成宽探测波段双重等离子光电探测器的制备。
图2为本实施例中第一层金纳米颗粒层的场发射扫描电子显微镜图片，从图中可以看到，退火后得到的金颗粒为圆形或椭圆形，并且金薄膜退火后形成的金纳米颗粒实际面积约为原有金薄膜的48％，且金纳米颗粒较均匀分布；
图3为垂直拍摄的本实施例的样品中石墨烯分隔的双层金纳米颗粒的场发射扫描电子显微镜图片，从图中可以清晰地看到两层金纳米颗粒被分隔开，且由于第二次退火温度降低，得到的上层金纳米颗粒的直径比下层金纳米颗粒明显增加，上层金纳米颗粒的大小在30nm左右。由此可以得出：采用这种物理方法所制备得到的金纳米颗粒形貌大小都较为均为，且颗粒成稳定状态；
图4本实施例的样品在黑暗条件下的整流特性曲线，从图中可以看出，样品在黑暗条件下，当外加负偏压时通过探测器的电流非常小，而在正偏压的情况下通过探测器的电流迅速上升，具有非常良好的整流特性；
图5为本实施例的样品的I-V曲线的log坐标图，可看出它在0V时的光伏特性，即该探测器可在零偏压下工作，节省能耗；
图6为本实施例的样品随波长变化的响应度变化曲线图，器件在全波段都有一定的响应，这也进一步证明了器件具有一定的宽光谱响应，同时器件在紫外区域有个突出的峰值，这个则与器件上的石墨烯息息相关。对于单层石墨烯来说，它在紫外光谱中有一个吸收峰(约265nm)，峰值强度约为10％；
图7为本实施例样品的时间响应图，从图上观察可以发现频率为10kHz到1MHz这段宽频率范围内器件拥有极好的在开启和闭合状态间的切换能力，并且波形展现出非常好的稳定性以及可重复性。
实施例2
本实施例的宽探测波段双层等离子光电探测器与实施例1的结构相同，制备方法也基本相同，区别仅在于：步骤d中的退火温度为230℃，所得第二层金纳米颗粒的大小由30nm增加到35nm。
本实施例与实施例1第二层金纳米颗粒不同大小时，器件光折射率对比图如图8所示，从图中可以看出在第二层金纳米颗粒尺寸增大的情况下，整体器件的折射率也增加了，从而导致吸收率降低，器件性能有所下降。
实施例3
本实施例的宽探测波段双层等离子光电探测器与实施例1的结构相同，制备方法也基本相同，区别仅在于：步骤d中的退火温度为210℃，所得金纳米颗粒的大小由30nm增加到40nm。
本实施例第二层金纳米颗粒不同大小对器件光折射率对比图如图9所示，从图中可以看出在金纳米颗粒进一步增大的情况下，整体器件的折射率也随之增加了，从而导致吸收率进一步降低，导致器件性能下降。
以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种宽探测波段双重等离子工作光电探测器，其特征在于：所述宽探测波段双重等离子光电探测器是以n-型硅片为衬底(1)；在所述衬底(1)的上表面形成有第一层金纳米颗粒层(2)，在所述第一层金纳米颗粒层(2)上转移有一层石墨烯层(3)，在所述石墨烯层(3)上形成有第二层金纳米颗粒层(4)，使得两层金纳米颗粒层之间通过石墨烯层隔开；在所述第二层金纳米颗粒层(4)上设置有顶电极(5)；在所述衬底(1)的下表面设置有底电极(6)。
2.根据权利要求1所述的宽探测波段双重等离子工作光电探测器，其特征在于：所述第一层金纳米颗粒层(2)与所述第二层金纳米颗粒层(4)皆是由均匀分布的金纳米颗粒构成。
3.根据权利要求1或2所述的宽探测波段双重等离子工作光电探测器，其特征在于：所述顶电极(5)和所述底电极(6)皆为通过涂抹银浆而形成的银电极。
4.一种权利要求1～3中任意一项所述宽探测波段双重等离子光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、将n-型硅片依次使用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗，然后使用氮气吹干，作为衬底备用；
b、将衬底放入到电子束沉积腔室中，在衬底上表面蒸镀5nm金薄膜，然后冷却至室温，取出并放入快速退火炉中，在氩气环境中500℃退火30分钟，使金薄膜退火成为由金纳米颗粒均匀分布构成的第一层金纳米颗粒层；
c、在第一层金纳米颗粒层转移一层石墨烯，然后在60℃下烘烤5min，以增强石墨烯的粘附性；
d、将衬底再次放入到电子束沉积腔室中，在石墨烯层上蒸镀5nm的金薄膜，然后冷却至室温，取出并放入快速退火炉中，在氩气环境中250℃退火30分钟，使金薄膜退火成为由金纳米颗粒均匀分布构成的第二层金纳米颗粒层；
e、利用银浆分别从衬底的下表面和第二层金纳米颗粒层的顶部引出底电极和顶电极，即完成宽探测波段双重等离子光电探测器的制备。
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