CN111048621A - 一种基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法，所述光电探测器以硅/二氧化硅为基底，所述二氧化硅层设置有刻蚀窗口，所述刻蚀窗口中沉积有连续的二硒化铂薄膜层，且二硒化铂薄膜层的边缘伸出刻蚀窗口，平铺于二氧化硅层的上表面，在平铺于二氧化硅层的上表面的二硒化铂薄膜层上设置有上电极，所述硅层下表面设置有下电极，覆盖在刻蚀窗口处的二硒化铂薄膜层上表面覆盖有石墨烯层。该探测器对波长在635nm~2700nm的光信号都有显著的光响应，且具有高灵敏、低暗电流、快速响应和稳定性好等特点。扩展了其应用范围，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是一种能够将光信号转变为电信号的光电器件，是光电系统的重要组成部分，在智能家居和生物医学成像、光通信、环境与安全监测、光电集成电路、可穿戴设备和成像像素等现代社会的众多创新技术中具有实际应用价值。其中超高灵敏度的光电探测器在现代光通讯、环境检测、生物医学研究等研究领域有突出贡献。光电探测器可以简单分为光伏型器件和光电导型器件。虽然现有的光电探测器具有高的探测率和光响应度，对于弱光强度的入射光具有独特的优势，但是其探测的波长范围由于受到半导体材料带隙的限制通常较窄。
以硅(Si)为代表的IV族半导体材料，在半导体行业占据重要的地位，硅基光探测器是目前最成熟的商用器件，具有良好的光响应特性，较高的探测灵敏度，低的暗电流，响应快速等优点，广泛应用在光谱仪、夜间监控、红外导引、光通信等领域。例如使用905nm波长的激光雷达技术中，主要采用硅基光探测器。然而目前商用硅基结型光电探测器响应度低于1A/W，难以满足更加灵敏的光探测需求。此外，由于硅对1100nm以上的近红外光吸收不够强，极大限制了硅在宽带光探测器中的应用。石墨烯二维材料作为一种零带隙半导体材料，自其发现以来得到世界范围的广泛关注。本征单层石墨烯具有高达200000cm2/(V·s)的电子迁移率，高达5300W/mK的热导率，远高于传统的半导体材料。此外石墨烯还具有高的机械强度、良好的弯曲性能、易于与其他材料结合，使得石墨烯能够与很多结构进行良好地集成。在光电探测器方面，石墨烯可以用于制备高速的宽带光电探测器，其良好的热导率及电子迁移率使得探测器的响应速度很快，其零带隙的性质使得探测器响应的波长范围很宽，但是由于本征石墨烯的光吸收率很小(单层石墨烯对于可见、近红外波段的垂直入射光只有2.3％吸收率)，而且电子空穴复合率高、寿命低，导致了其光电增益很小，从而极大限制了器件的光响应度；此外，石墨烯的零带隙导致其无法存在开或关的状态，因此限制了其应用。
综上，现有传统光电探测器很难兼顾高的响应度与宽的响应波长范围的问题。因此开发新的光电探测器具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供了一种基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器及其制备方法，解决现有传统光电探测器很难兼顾高的响应度、响应时间快与宽的响应波长范围的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：一种基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器以硅/二氧化硅为基底，所述二氧化硅层设置有刻蚀窗口，所述刻蚀窗口中沉积有连续的二硒化铂薄膜层，且二硒化铂薄膜层的边缘伸出刻蚀窗口，平铺于二氧化硅层的上表面，在平铺于二氧化硅层的上表面的二硒化铂薄膜层上设置有上电极，所述硅层下表面设置有下电极，覆盖在刻蚀窗口处的二硒化铂薄膜层上表面设置有石墨烯层。
作为优选的，所述上电极选自金、镓-铟、银、钯、铂、铝或铜，优选为金。下电极为镓-铟，这是根据n硅和镓-铟的功函数相近而得到的。
作为优选的，所述二硒化铂薄膜层分别与硅层和石墨烯层相接触。
作为有选的，所述石墨烯层为单层石墨烯。
本发明还提供了上述基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1：将硅/二氧化硅基底在H2气氛中进行高温退火，然后在所述基底表面刻蚀掉部分的二氧化硅层暴露出硅层得到刻蚀窗口；其中，刻蚀窗口为探测器工作区域，窗口的设计可以很好阻断异质结与其他物体接触，很好的避免探测器和其他导电物体接触而发生的短路现象；
S2：用电子束蒸镀机蒸镀一层高质量Pt薄膜沉积在刻蚀窗口内，并延伸出刻蚀窗口平铺于二氧化硅层的上表面，再使用双温区管式炉对沉积在窗口的Pt薄膜在氩气气氛下进行Se化，即沉积得到连续的二硒化铂薄膜层；这样，电子束蒸镀相对于磁控溅射更加温和，所得到的薄膜质量更好，薄膜表面更加平整；
S3：使用磁控溅射金属电极沉积到平铺于二氧化硅层的上表面的二硒化铂薄膜层上作为上电极，再用刷子在基底下表面涂附一层金属下电极作为下电极；
S4：转移一层石墨烯对所述刻蚀窗口处的二硒化铂薄膜层上表面进行封装，即得到所述光电探测器。这样，封装后提高器件响应速度，隔绝材料与空气接触防止被氧化，增加器件使用寿命。
作为有选的，所述高温退火温度为400~500℃，时间为15~30min。
作为优选的，所述刻蚀窗口的大小为1mm×1mm。
本发明的作用机理：采用直接在基底上生长二硒化铂材料与硅基底形成异质结，异质结品质良好。由于二硒化铂材料对多个波段的光都有良好的吸收，所以所制备的器件对635nm到2700nm波段的光都有不错的响应。通过转移高质量的单层石墨烯作为保护层，利用石墨烯超高的载流子迁移率来提高器件光生载流子的复合速度，从而达到缩短器件响应时间的效果。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明制备的Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器，对波长在635nm~2700nm的光信号都有显著的光响应，同时具有较快的响应速度，实现了对宽波段光信号的高灵敏、快速探测以及响应速度快的优点。且二硒化铂纳米薄膜具有较好的化学稳定性，基于其的光电探测器可以在空气中长期稳定的工作。另外，转移石墨烯薄膜作为保护层，不仅有效避免了材料被空气中的氧气氧化和被空气中的杂质污染，而且超高的载流子迁移率有效提高响应速度。从而解决了现有传统光电探测器很难兼顾高的响应度、响应时间快与宽的响应波长范围的问题。
2、本发明工艺简单，材料生长温度需求不高，便于控制和节约成本，器件的电极制备使用简单的磁控溅射技术和表面涂敷工艺，可行性高，简单可控、成本低廉，适合于工业生产。所获得的器件性能优异，扩宽了光响应范围，可应用于光谱仪、指纹识别、激光雷达等光电器件检测器和传感器领域，扩展了其应用范围，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器横截面的结构示意图。
图2为本发明Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器的结构示意图。
图3为本发明Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器制备流程图。
图4为本发明Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器的n-Si能带图。
图5为本发明Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器在光照下的光电响应。
图6为本发明Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器在黑暗下的光电响应。
图7为本发明Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器在不同波段的I-V曲线。
图8为本发明Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器的光响应时间特征图；A为635nm波段，B为1550nm波段。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一、Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器的制备方法
实施例1
图1和图2为本发明Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器的结构示意图，所述光电探测器以硅/二氧化硅为基底，所述二氧化硅层设置有刻蚀窗口，所述刻蚀窗口中沉积有连续的二硒化铂薄膜层，且二硒化铂薄膜层的边缘伸出刻蚀窗口，平铺于二氧化硅层的上表面，在平铺于二氧化硅层的上表面的二硒化铂薄膜层上设置有上电极，所述硅层下表面设置有下电极，覆盖在刻蚀窗口处的二硒化铂薄膜层上表面覆盖有石墨烯层。
为实现图1的器件，本实施例制备的详细流程如图3所示，包括以下步骤：
S1：将硅/二氧化硅基底在H2气氛中进行高温退火，然后在所述基底表面刻蚀掉部分的二氧化硅层暴露出硅层得到1mm×1mm的刻蚀窗口；
S2：用电子束蒸镀机蒸镀一层高质量Pt薄膜沉积在刻蚀窗口内，并延伸出刻蚀窗口平铺于二氧化硅层的上表面，再使用双温区管式炉对沉积在窗口的Pt薄膜在氩气气氛中进行Se化，即沉积得到连续的二硒化铂薄膜层；
S3：使用磁控溅射Au电极沉积到平铺于二氧化硅层的上表面的二硒化铂薄膜层周围作为上电极，再用刷子在器件的基底下面涂敷一层Ga-In作为下电极；
S4：转移一层石墨烯对所述刻蚀窗口处的二硒化铂薄膜层上表面进行封装，即得到所述光电探测器。
二、对本发明制备的光电探测器进行性能测试。
1、为了研究具有Graphene/PtSe2/Si异质结光电探测器的机理，分析实施例1制备光电探测器的肖特基结区的能带图，结果如图4所示。
从图中可以看出，二硒化铂的费米能级低于硅的费米能级。当二硒化铂与硅接触时，一些电子从硅流向二硒化铂，直到末端的费米能级相同。由于电子的移动，在二硒化铂和硅之间形成了从硅到二硒化铂的空间电荷区域和内置电场，从而达到动态平衡。
2、分析了本发明制备的石墨烯/二硒化铂/硅异质结光电探测器的光生伏特效应，结果如图5和图6所示。
从图5可以看出，在施加外部光照的情况下，由于二硒化铂中固有载流子，暗电流Idark流经外部电，当将光照射到器件上时，在内置电场的作用下，在硅和载流子中产生的电子-空穴对被分离到空间电荷区中，电子流向硅，空穴流向二硒化铂，从而导致二硒化铂和硅之间的电势差很大，形成光电流。而当黑暗时，载流子寿命结束，空穴反向流回到硅中，并且空穴和电子重新结合，最终，光电响应结束（图6）。
3、在零偏压下，记录本发明制备光电探测器的暗电流以及光电流的响应曲线得到器件在不同波段的I-V曲线，结果如图7所示。
从线性的I-V曲线可以看出器件具有良好的欧姆接触，改变入射光的波长，器件均具有较低的暗电流，并且该器件对635nm到2700nm波段的光都有良好的响应，具有很宽的工作带宽。其中，光电流在635nm波段最大，在2700nm波段最小。这是由于随着波段的变长，入射光的能量逐渐减弱，产生的光生电子空穴对减少，从而导致光电流变弱。
4、图8为本发明制备光电探测器在635nm波段（图8A）和1550nm波段（图8B）的响应时间特征图，从图中可以看出，该器件在635nm波段的响应时间为5μs，上升时间为3μs，下降时间为2μs，器件在1550nm波段的响应时间为11μs，上升时间为5μs，下降时间为6μs，说明该器件具有快速的响应，明显提高了光电探测器的灵敏度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围的，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器以硅/二氧化硅为基底，所述二氧化硅层设置有刻蚀窗口，所述刻蚀窗口中沉积有连续的二硒化铂薄膜层，且二硒化铂薄膜层的边缘伸出刻蚀窗口，平铺于二氧化硅层的上表面，在平铺于二氧化硅层的上表面的二硒化铂薄膜层上设置有上电极，所述硅层下表面设置有下电极，覆盖在刻蚀窗口处的二硒化铂薄膜层上表面设置有石墨烯层。
2.根据权利要求1所述基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器，其特征在于，所述上电极选自金、银、铂、铝或铜，优选为金；所述下电极为镓-铟。
3.根据权利要求1所述基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器，其特征在于，所述二硒化铂薄膜层分别与硅层和石墨烯层相接触。
4.根据权利要求1所述基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器，其特征在于，所述石墨烯层为单层石墨烯。
5.一种如权利要求1~4任一项所述基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将硅/二氧化硅基底在H2气氛中进行高温退火，然后在所述基底表面刻蚀掉部分的二氧化硅层暴露出硅层得到刻蚀窗口；
S2：用电子束蒸镀机蒸镀一层高质量Pt薄膜沉积在刻蚀窗口内，并延伸出刻蚀窗口平铺于二氧化硅层的上表面，再使用双温区管式炉对沉积在窗口的Pt薄膜进行Se化，即沉积得到连续的二硒化铂薄膜层；
S3：使用磁控溅射金属电极沉积到平铺于二氧化硅层的上表面的二硒化铂薄膜层周围作为上电极，再用刷子在基底下表面涂附一层镓-铟作为下电极；
S4：转移一层石墨烯对所述刻蚀窗口处的二硒化铂薄膜层上表面进行封装，即得到所述光电探测器。
6.根据权利要求5所述基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述高温退火温度为400~500℃，时间为15~30min。
7.根据权利要求5所述基于石墨烯/二硒化铂/硅复合异质结的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述刻蚀窗口的大小为1mm×1mm。
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