CN111952384A - 光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于光电子技术领域，尤其涉及一种光电探测器，所述光电探测器包括依次叠层设置的P型衬底层、非导电介质层、光生载流子接收层和光电转换层，以及设置在光电转换层相对的两端的金属电极层，且所述金属电极层与所述光生载流子接收层接触设置；所述光生载流子接收层包括石墨烯，所述光电转换层包括贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛。本申请光电探测器，通过光电转换层中贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛，不但能更好的减少因石墨烯表面的脱附效应产生的暗电流，并且可增加场效应管响应面积，提高光电探测器在可见光范围内的响应度和探测灵敏度。
Description
技术领域
本申请属于光电子技术领域，尤其涉及一种光电探测器，以及一种光电探测器的制备方法。
背景技术
光电探测器广泛应用于光谱分析、成像、红外夜视、通讯等领域。光谱带宽和暗电流是衡量探测器性能的重要指标，光谱带宽由半导体材料的带隙宽度和载流子迁移速率决定。
石墨烯光电探测器是直接利用石墨烯作为光电响应材料的典型器件，因石墨烯带隙为零，且离子迁移速率高，可达2×105cm2/V·s，这类器件最大响应带宽可达40GHz。但是，石墨烯表面与O2或H2O等的脱附作用导致器件产生明显暗电流，且石墨烯沟道内的光生载流子寿命短，使这类器件的光电响应区域仅集中在电极附近的几百纳米内。同时，石墨烯的光吸收率仅为2.3％，响应度较低。
目前，在石墨烯表面沉积二氧化钛制备石墨烯/二氧化钛异质结场效应光电探测管，是常规的减少因石墨烯表面的脱附效应产生暗电流和增加场效应管响应面积的方法。但是，二氧化钛为带隙半导体(Eg＝3.02eV)，本征光学吸收范围主要为150～450nm，处于紫外波段，这部分光仅占到地球太阳光的4％，极大限制了探测管对太阳光的吸收与转化效率。导致石墨烯/二氧化钛异质结光电探测器在可见光范围内的响应中，仍仅有石墨烯作为光子吸收层，吸收效率低，光电流小，可见光探测性能无明显改善。因此，目前仍存在可见光探测性能无明显改善的缺点。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光电探测器及其制备方法，旨在一定程度上解决现有光电探测器光吸收波长范围窄，吸收效率低，而导致光电转化效率低的问题。
为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种光电探测器，所述光电探测器包括依次叠层设置的P型衬底层、非导电介质层、光生载流子接收层和光电转换层，以及设置在光电转换层相对的两端的金属电极层，且所述金属电极层与所述光生载流子接收层接触设置；所述光生载流子接收层包括石墨烯，所述光电转换层包括贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛。
第二方面，本申请提供一种光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
获取P型衬底层，在所述P型衬底层的表面沉积非导电介质材料，得到非导电介质层；
在所述非导电介质层背离所述P型衬底层的表面设置石墨烯薄膜，得到光生载流子接收层；
在所述光生载流子接收层背离所述非导电介质层的表面沉积贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛，得到光电转换层；
在所述光电转换层相对的两端设置金属电极层，所述金属电极层与所述光生载流子接收层接触设置，形成光电探测器。
本申请第一方面提供的光电探测器中，通过贫氧二氧化钛中氧空位或者掺杂铜的二氧化钛中铜掺杂引入的缺陷能级，在光电转换层的带隙中部引入缺陷态，增大功能层的吸光波长范围，提高功能层在可见光能量范围内的光子吸收强度。同时，贫氧二氧化钛隔绝石墨烯与空气的直接接触，减少因石墨烯表面的脱附效应产生的暗电流。另外，光电转换层中贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛为本征N型半导体材料，电荷载流子浓度大，在光电探测器的异质结中，与下层光生载流子接收层中P型石墨烯形成宽耗尽层的PN节，有更好的暗电流抑制效果，进一步降低可探测的最小光信号强度，提高光电探测器的探测灵敏度。
本申请第二方面提供的光电探测器的制备方法，通过光电转换层中贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛引入缺陷能级，在光电转换层的带隙中部引入缺陷态，增大功能层的吸光范围，提高功能层在可见光能量范围内的光子吸收强度。同时，贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛为本征N型半导体材料，与P型石墨烯光生载流子接收层形成耗尽层宽的PN节，能更好的减少因石墨烯表面的脱附效应产生的暗电流，提高光电探测器在可见光范围内的响应度和探测灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的光电探测器的结构示意图，Vbg为背栅电压，Vds为漏源电压；
图2是本申请实施例1和对比例1～3光电探测器的光谱响应图；
图3是本申请实施例2和对比例4～5光电探测器的光谱响应图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
如附图1所示，本申请实施例第一方面提供一种光电探测器，光电探测器包括依次叠层设置的P型衬底层、非导电介质层、光生载流子接收层和光电转换层，以及设置在光电转换层相对的两端的金属电极层，且金属电极层与光生载流子接收层接触设置；光生载流子接收层包括石墨烯，光电转换层包括贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛。
本申请第一方面提供的光电探测器中，在包括石墨烯的光生载流子接收层上设置包括贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛的光电转换层，以光生载流子接收层和光电转换层的整体作为光电探测器中的N型层，与I型非导电介质层和P型衬底层形成PIN异质结光电探测器。非导电介质层、光生载流子接收层和光电转换层等功能层在光的照射下产生电子和空穴，在漏源电压作用下，使产生的电子或空穴移动形成电流，实现光电转化。本申请实施例光电探测器，一方面，通过贫氧二氧化钛中氧空位或者掺杂铜的二氧化钛中铜掺杂引入的缺陷能级，在光电转换层的带隙中部引入缺陷态，增大功能层的吸光波长范围，提高功能层在可见光能量范围内的光子吸收强度。另一方面，贫氧二氧化钛隔绝石墨烯与空气的直接接触，减少因石墨烯表面的脱附效应产生的暗电流。同时，光电转换层中贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛为本征N型半导体材料，电荷载流子浓度大，在光电探测器的异质结中，与下层光生载流子接收层中P型石墨烯形成耗尽层宽的PN节，有更好的暗电流抑制效果，在背栅电压1V时，暗电流可降至1mA左右，从而可进一步降低可探测的最小光信号强度，提高光电探测器的探测灵敏度。
在一些实施例中，贫氧二氧化钛中氧空位含量为5％～10％，二氧化钛的氧空位处形成F+色心(F+色心指在缺陷部分有一个电子被束缚的色心)，含有F+色心的贫氧二氧化钛，可见光范围的吸收强度大，使本申请光电探测管在可见光范围的响应度提高。并与光生载流子接收层中石墨烯层可自发形成PN结，减少光电探测器暗电流。本申请实施例纯金红石相或锐钛矿相的二氧化钛为宽带隙半导体，含氧空位时，态密度带隙中间(距离导带底约0.7eV-1.0eV)将产生缺陷态。带隙中部被引入缺陷态，意味着能量小于3.2eV的光子也易于被吸收转换，即可见光范围内的光子也易于被吸收。氧空位含量为5％～10％的贫氧二氧化钛在1.5eV-3.0eV可见光能量范围的光子吸收强度增大，出现新吸收峰，从而使光电探测器在可见光范围内的响应度明显增加，可增加至105A/W量级)。当贫氧二氧化钛中氧空位含量低于5％，可见光范围响应度仍然较低，对光电探测器性能提高不明显；当贫氧二氧化钛中氧空位含量高于10％，过量的氧空位会导致二氧化钛晶格畸变，结构不稳定，且过度贫氧的二氧化钛容易从空气中获得氧，极大的降低光电探测器的使用寿命。
在一些实施例中，掺杂铜的二氧化钛中，铜的掺杂质量百分含量为6％～8％。二氧化钛中铜原子存在的时候，周围的氧空位形成能降低，会有部分氧空位伴随铜掺杂原子存在。本申请通过铜掺杂在二氧化钛中引入缺陷态能级，从而在带隙中部被引入缺陷态，使光电转换层对低能量的光子也具有吸收能力，拓宽光电转换层对可见光的吸收范围，提高功能层在可见光能量范围内的光子吸收强度，减少光电探测器产生暗电流，增加场效应管响应面积。若铜掺杂量过低，则对光电探测器光响应增加效果和暗电流抑制效果均不佳；若铜掺杂量过高，则会导致掺杂铜的二氧化钛晶格结构被破环，且结构不稳定，从而降低光电探测器的稳定性和使用寿命。
在一些实施例中，光电转换层的厚度为10纳米～15纳米，该厚度同时确保了光电探测器对光子的吸收效果和对载流子的迁移效果，若光电转换层厚度过薄，则对可见光的吸收少，不足以提高光电探测器整体对可见光光子的吸收转化效率；若光电转换层过厚，则降低了光生载流子的迁移效率。
在一些实施例中，光生载流子接收层包括若干宽度小于50纳米的石墨烯条带，石墨烯条带的两端分别设置在相对的金属电极层位置。一方面，当栅极电压低于狄拉克点电压时，光电转换层吸收可见光光子产生电子空穴对，在内建电场的作用下，光电子进入石墨烯光生载流子接收层，石墨烯中电子的迁移速度极快，进入石墨烯的电子被迁移到两端金属电极层，形成电流。另一方面，光生载流子接收层中石墨烯，不但作为电子沟道，同时也可吸收光产生大量的电子和空穴，在漏源电压的作用下，电子或空穴在石墨烯条带中移动到两端的金属电极层，形成单向电流。若石墨烯条带过宽，则半导体性质不佳。
在一些实施例中，光生载流子接收层的厚度为5纳米～8纳米，若厚度太小，不能有效输运电子和吸收光；若厚度太大，会导致石墨烯沟道内的电子在停止光照后与光电转换层的复合时间长，光电探测器响应速度低，同时造成不必要的浪费。
在一些实施例中，P型衬底层包括：P型硅、P型锗、P型砷化镓、P型磷化铟中的一种，这些衬底材料性能稳定，能为非导电介质层、光生载流子接收层和光电转换层提供支撑，提高光电探测器的稳定性；这些P型衬底层与I型非导电介质层，以及由光生载流子接收层和光电转换层组成异质结的N型，形成PIN结，从而形成内建电场，有利于光生电子和空穴在光电探测器内运动到石墨烯光生载流子接收层中，通过光载流子的运动形成电流，从而实现光电转化效应。在一些具体实施例中，P型硅选自硼掺杂浓度大于等于1018个/cm3的高掺P型硅。
在一些实施例中，P型衬底层的厚度为1.5微米～2微米；若衬底层太薄，则对其他功能层的支撑效果不佳，且耗尽层过薄；若衬底层太厚，则器件响应效率降低。
在一些实施例中，非导电介质层包括：二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氟化镁中的一种。本申请实施例在光电探测器中引入的这些非导电介质层(I型本征层)，可明显增大耗尽层的厚度，也可以明显减少结电容，从而使电路常数减小。
在一些实施例中，非导电介质层的厚度为80～90纳米，若厚度太小，势垒区大，耐击穿电压很小，若光入射到这一层，太薄的话，光吸收能力很小。若厚度太大，无法形成内建电场。在正向偏压时，电子和空穴在I层的复合路径长，光电探测器响应效率低，且工作电压可能很高；在反向偏压时，反向电流拖尾严重，如果作为开关器使用，响应速度很慢。
在一些具体实施例中，光电探测器包括：高掺P型硅衬底层，结合在高掺P型硅衬底层上的二氧化硅层，结合在二氧化硅层背离高掺P型硅衬底层表面的石墨烯层，结合在石墨烯层背离二氧化硅层表面的贫氧二氧化钛层，以及设置在贫氧二氧化钛层相对的两端的金属电极层，且金属电极层与石墨烯层接触设置。
本申请实施例第二方面提供一种光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
S10.获取P型衬底层，在P型衬底层的表面制备非导电介质材料，得到非导电介质层；
S20.在所述非导电介质层背离所述P型衬底层的表面设置石墨烯薄膜，得到光生载流子接收层；
S30.在光生载流子接收层背离非导电介质层的表面沉积贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛，得到光电转换层；
S40.在光电转换层相对的两端设置金属电极层，金属电极层与光生载流子接收层接触设置，形成光电探测器。
本申请第二方面提供的光电探测器的制备方法，在P型衬底层上依次制备非导电介质层，石墨烯光生载流子接收层，贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛光电转换层，以及设置在光电转换层相对的两端的金属电极层，形成异质结光电探测器。本申请实施例制备的光电探测器，通过光电转换层中贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛引入缺陷能级，在光电转换层的带隙中部引入缺陷态，增大功能层的吸光范围，提高功能层在可见光能量范围内的光子吸收强度。同时贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛为本征N型半导体材料，与P型石墨烯光生载流子接收层形成宽耗尽层的PN节。不但能更好的减少因石墨烯表面的脱附效应产生的暗电流，提高光电探测器在可见光范围内的响应度和探测灵敏度。
具体地，上述步骤S10中，在所述P型衬底层的表面通过热氧化法或者外延的方式制备二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氟化镁中的一种非导电介质材料，这些材料均具有非导电性，可与P型衬底层和光生载流子接收层和光电转换层，形成PIN异质结，从而形成内建电场，有利于光生电子和空穴在器件内运动到石墨烯光生载流子接收层中，通过光载流子的运动形成电流，从而实现光电转化效应。
在一些具体实施例中，在P型衬底层的表面制备非导电介质材料的步骤包括：在温度为700℃～1000℃的条件下，对P型硅衬底层的表面进行氧化处理，在P型硅衬底层上形成二氧化硅的非导电介质层。本申请实施例非导电介质层通过对硅衬底直接采用热氧化的方式制备二氧化硅非导电介质层，使形成的二氧化硅非导电介质层均匀致密，且与衬底层结合紧密，避免功能层之间有空隙，从而避免边缘电容和电感，有利提高工作频率，并且工艺简单，性能稳定。在实际应用过程中，可根据具体需要制备的厚度和选择的氧化温度，通过控制氧化时间获得预期厚度的二氧化硅非导电介质层。
在一些实施例中，P型衬底层包括：P型硅、P型锗、P型砷化镓、P型磷化铟中的一种。
在一些实施例中，P型衬底层的厚度为1.5微米～2微米。
在一些实施例中，非导电介质层的厚度为80纳米～90纳米。
本申请上述实施例的有益效果在前文均有详细论述，在此不再赘述。
具体地，上述步骤S20中，在非导电介质层背离P型衬底层的表面通过转移等方式设置石墨烯条带形成石墨烯的光生载流子接收层。不但能够接收其他功能层的光生载流子，通过载流子的移动形成电流；而且石墨烯自身受光照能生成大量的电子和空穴，具有较好的光电转化效应，能够提高光电探测器的光响应度和灵敏度。在一些具体实施例中，获取石墨烯薄膜，将石墨烯薄膜刻蚀成石墨烯条带后，设置在所述非导电介质层背离所述P型衬底层的表面，得到光生载流子接收层。在一些实施例中，石墨烯条带的宽度为5纳米～50纳米。
在一些实施例中，光生载流子接收层的厚度为5纳米～8纳米。
具体地，上述步骤S30中，沉积贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛的步骤包括：获取贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛后，通过真空电子束蒸镀法沉积到所述光生载流子接收层背离所述非导电介质层的表面。本申请通过控制贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛的沉积时间即可控制光电转换层的厚度，制备方法简单，操作灵活方便。
在一些具体实施例中，获取所述贫氧二氧化钛的步骤包括：获取制备原料，调控反应环境中氧元素含量，通过化学气相沉积法制得钛元素与氧元素的摩尔比为1:(1.8～1.9)的贫氧二氧化钛。本申请实施例通过控制气相沉积过程中的氧气含量，如具体可通过控制氧气流速，即可制备特定氧空位的贫氧二氧化钛层。在一些具体实施例中，通过化学气相沉积法制得所述贫氧二氧化钛的步骤包括：以异丙醇钛为原料，调控反应环境中氧气流速来控制氧含量，通过化学气相沉积制备氧空位含量为5％～10％的所述贫氧二氧化钛。原料包括但不限于异丙醇钛，只要能在气相沉积过程中不会引入其他杂质元素即可。
在一些实施例中，贫氧二氧化钛中氧空位含量为5％～10％，氧空位含量可通过气相沉积过程中氧气流速灵活控制。
在另一些实施例中，在光生载流子接收层背离非导电介质层的表面沉积掺杂铜的二氧化钛的步骤可以是，先通过气相法获取掺杂铜的二氧化钛后，通过电子束蒸镀等方式沉积到光生载流子接收层表面。在一些实施例中，掺杂铜的二氧化钛中，铜的掺杂质量百分含量为6％～8％。
在一些实施例中，光电转换层的厚度为10～15纳米。
具体地，上述步骤S40中，在光电转换层相对的两端设置金属电极，形成与光生载流子接收层接触设置的金属电极层，收集光生载流子。在具体实施例中，沿光生载流子接收层中石墨烯条带两端的方向，在光电转换层相对的两端设置金属电极，形成与光生载流子接收层接触设置的金属电极层。
在一些实施例中，在步骤S40中还包括对形成的光电探测器在300～400℃真空条件下进行退火处理，让光电探测器中二氧化钛中的缺陷完成弛豫，使光电探测器达稳定态。若退火温度过高，则石墨烯结构可能被破坏。
为使本申请上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本申请实施例光电探测器及其制备方法的进步性能显著的体现，以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。
实施例1
一种光电探测器，包括以下制备步骤：
1、在700～1000℃条件下，对硅衬底层的表面氧化处理，形成厚度为80纳米的二氧化硅层，硅衬底层的厚度为1.5微米。
2、制备石墨烯薄膜，刻蚀成宽度小于50纳米的石墨烯条带，并转移至二氧化硅表面，石墨烯薄膜的厚度为5纳米。
3、将化学气相法制备的钛与氧摩尔比为1:1.875的贫氧二氧化钛，通过真空电子束蒸镀法，在石墨烯薄膜表面气相沉积贫氧二氧化钛，得到氧空位含量为6.25％的贫氧二氧化钛层，沉积厚度10nm。
4、真空350℃退火。
5、刻蚀出电极电位，装上金属漏源电极，制成场效应管。
实施例2
一种光电探测器，包括以下制备步骤：
1、在700～1000℃条件下，对硅衬底层的表面氧化处理，形成厚度为80纳米的二氧化硅层，硅衬底层的厚度为1.5微米。
2、制备石墨烯薄膜，刻蚀成宽度小于50纳米的石墨烯条带，并转移至二氧化硅表面，石墨烯薄膜的厚度为5纳米。
3、在石墨烯薄膜表面蒸镀铜掺杂百分含量为8％的二氧化钛材料，得到掺杂铜的二氧化钛层，沉积厚度10nm。
4、真空350℃退火。
5、刻蚀出电极电位，装上金属漏源电极，制成场效应管。
对比例1
一种光电探测器，包括以下制备步骤：
1、在700～1000℃条件下，对硅衬底层的表面氧化处理，形成厚度为80纳米的二氧化硅层，硅衬底层的厚度为1.5微米。
2、制备石墨烯薄膜，刻蚀成宽度小于50纳米的石墨烯条带，并转移至二氧化硅表面，石墨烯薄膜的厚度为5纳米。
3、在石墨烯薄膜表面蒸镀二氧化钛，得到二氧化钛层，沉积厚度10nm。
4、真空350℃退火。
5、刻蚀出电极电位，装上金属漏源电极，制成场效应管。
对比例2
一种光电探测器，包括以下制备步骤：
1、在700～1000℃条件下，对硅衬底层的表面氧化处理，形成厚度为80纳米的二氧化硅层，硅衬底层的厚度为1.5微米。
2、制备石墨烯薄膜，刻蚀成宽度小于50纳米的石墨烯条带，并转移至二氧化硅表面，石墨烯薄膜的厚度为5纳米。
3、将化学气相法制备的钛与氧摩尔比为1:1.94的贫氧二氧化钛，通过真空电子束蒸镀法，在石墨烯薄膜表面气相沉积贫氧二氧化钛，得到氧空位含量为3.175％的贫氧二氧化钛层，沉积厚度10nm。
4、真空350℃退火。
5、刻蚀出电极电位，装上金属漏源电极，制成场效应管。
对比例3
一种光电探测器，包括以下制备步骤：
1、在700～1000℃条件下，对硅衬底层的表面氧化处理，形成厚度为80纳米的二氧化硅层，硅衬底层的厚度为1.5微米。
2、制备石墨烯薄膜，刻蚀成宽度小于50纳米的石墨烯条带，并转移至二氧化硅表面，石墨烯薄膜的厚度为5纳米。
3、将化学气相法制备的钛与氧摩尔比为1:1.75的贫氧二氧化钛，通过真空电子束蒸镀法，在石墨烯薄膜表面气相沉积贫氧二氧化钛，得到氧空位含量为12.5％的贫氧二氧化钛层，沉积厚度10nm。
4、真空350℃退火。
5、刻蚀出电极电位，装上金属漏源电极，制成场效应管。
对比例4
一种光电探测器，包括以下制备步骤：
1、在700～1000℃条件下，对硅衬底层的表面氧化处理，形成厚度为80纳米的二氧化硅层，硅衬底层的厚度为1.5微米。
2、制备石墨烯薄膜，刻蚀成宽度小于50纳米的石墨烯条带，并转移至二氧化硅表面，石墨烯薄膜的厚度为5纳米。
3、在石墨烯薄膜表面沉积铜掺杂百分含量为4％的二氧化钛材料，得到掺杂铜的二氧化钛层，沉积厚度10nm。
4、真空350℃退火。
5、刻蚀出电极电位，装上金属漏源电极，制成场效应管。
对比例5
一种光电探测器，包括以下制备步骤：
1、在700～1000℃条件下，对硅衬底层的表面氧化处理，形成厚度为80纳米的二氧化硅层，硅衬底层的厚度为1.5微米。
2、制备石墨烯薄膜，刻蚀成宽度小于50纳米的石墨烯条带，并转移至二氧化硅表面，石墨烯薄膜的厚度为5纳米。
3、在石墨烯薄膜表面沉积铜掺杂质量百分含量为12％的二氧化钛材料，得到掺杂铜的二氧化钛层，沉积厚度10nm。
4、真空350℃退火。
5、刻蚀出电极电位，装上金属漏源电极，制成场效应管。
进一步的，为了验证本申请实施例光电探测器的进步性，本申请通过silvaco软件模拟对实施例1～2和对比例1～5的光电探测器在可见光光谱的响应量级，以及在背栅电压1V时的暗电流进行了检测，测试结果如下表1所示：
表1
进一步，对实施例1和对比例1～3光电探测器的光谱响应进行了测试，如附图2所示，其中，实施例1氧空位6.25％的贫氧二氧化钛光电探测器，对光电探测器的光谱响应度有最佳的提升效果，拓宽了对低能级光子的相应，且不会破坏二氧化钛的结构特性。对比例2氧空位3.175％的贫氧二氧化钛光电探测器，对可见光范围响应度仍然较低。而对比例3氧空位浓度过高达12.5％的贫氧二氧化钛光电探测器，引起二氧化钛晶格畸变，结构不稳定，并且二氧化钛易从空气中获得氧，光电探测器寿命短。
进一步，对实施例2和对比例4～5光电探测器的光谱响应进行了测试，如附图3所示，如对比例4铜掺杂太少的光电探测器，在0～3eV可见光范围内的吸收强度很小；而对比例5铜掺杂太高的光电探测器，虽然可见光吸收强度增大，但是二氧化钛晶体结构发生改变，结构不稳定。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括依次叠层设置的P型衬底层、非导电介质层、光生载流子接收层和光电转换层，以及设置在光电转换层相对的两端的金属电极层，且所述金属电极层与所述光生载流子接收层接触设置；所述光生载流子接收层包括石墨烯，所述光电转换层包括贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛。
2.如权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述贫氧二氧化钛中氧空位含量为5％～10％；和/或
所述掺杂铜的二氧化钛中，铜的掺杂质量百分含量为6％～8％；和/或
所述光电转换层的厚度为10纳米～15纳米。
3.如权利要求1或2所述的光电探测器，其特征在于，所述光生载流子接收层包括若干宽度为5纳米～50纳米的石墨烯条带，所述石墨烯条带的两端分别设置在相对的所述金属电极层位置；和/或
所述光生载流子接收层的厚度为5纳米～8纳米。
4.如权利要求3所述的光电探测器，其特征在于，所述P型衬底层包括：P型硅、P型锗、P型砷化镓、P型磷化铟中的一种；和/或
所述P型衬底层的厚度为1.5微米～2微米。
5.如权利要求4所述的光电探测器，其特征在于，所述非导电介质层包括：二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氟化镁中的一种；和/或
所述非导电介质层的厚度为80～90纳米。
6.如权利要求5所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括：高掺P型硅衬底层，结合在所述高掺P型硅衬底层上的二氧化硅层，结合在所述二氧化硅层背离所述高掺P型硅衬底层表面的石墨烯层，结合在所述石墨烯层背离所述二氧化硅层表面的贫氧二氧化钛层，以及设置在贫氧二氧化钛层相对的两端的金属电极层，且所述金属电极层与所述石墨烯层接触设置。
7.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取P型衬底层，在所述P型衬底层的表面制备非导电介质材料，得到非导电介质层；
在所述非导电介质层背离所述P型衬底层的表面设置石墨烯薄膜，得到光生载流子接收层；
在所述光生载流子接收层背离所述非导电介质层的表面沉积贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛，得到光电转换层；
在所述光电转换层相对的两端设置金属电极层，所述金属电极层与所述光生载流子接收层接触设置，形成光电探测器。
8.如权利要求7所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，沉积贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛的步骤包括：获取贫氧二氧化钛或者掺杂铜的二氧化钛后，通过真空电子束蒸镀法沉积到所述光生载流子接收层背离所述非导电介质层的表面；和/或
获取所述贫氧二氧化钛的步骤包括：获取制备原料，调控反应环境中氧元素含量，通过化学气相沉积法制得钛元素与氧元素的摩尔比为1:(1.8～1.9)的贫氧二氧化钛；和/或
所述贫氧二氧化钛中氧空位含量为5％～10％；和/或
所述掺杂铜的二氧化钛中，铜的掺杂质量百分含量为6％～8％；和/或
所述光电转换层的厚度为10～15纳米。
9.如权利要求8所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备原料选自异丙醇钛；和/或
所述P型衬底层包括：P型硅、P型锗、P型砷化镓、P型磷化铟中的一种；和/或
所述非导电介质材料包括：二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氟化镁中的一种；和/或
所述P型衬底层的厚度为1.5微米～2微米；和/或
所述非导电介质层的厚度为80纳米～90纳米；和/或
所述光生载流子接收层的厚度为5纳米～8纳米。
10.如权利要求9所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，在所述P型衬底层的表面制备非导电介质材料的步骤包括：在温度为700℃～1000℃的条件下，对所述P型硅衬底层的表面进行氧化处理，在所述P型硅衬底层上形成二氧化硅的非导电介质层。
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Also Published As
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|---|---|
| CN111952384B (zh) | 2022-05-10 |
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