CN111952402B - 一种基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器及其制备方法，该颜色探测器是由两个相同的石墨烯‑超薄硅‑石墨烯异质结单元上下叠合而成，在光照下，下层异质结单元与上层异质结单元的电流比，随被探测光波长的增大而增大，从而可根据电流比识别被探测光的波长。本发明的颜色探测器制备工艺简单、成本低廉、性质稳定、可靠性强、响应速度快。
Description
技术领域
本发明属于颜色探测器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器及其制备方法。
背景技术
颜色探测器是一种能将光信号转换成电信号的光电器件，属于光电探测器的一种，不仅可以实现光信号的探测，还能实现波长的有效识别。低成本高性能颜色探测器在人工智能辅助驾驶、图像传感、光通信、火灾检测、生物医学成像、环境监测、空间探测与安全检测等诸多科学研究与工业技术领域有重要的应用价值，因而得到了人们广泛的关注。
目前，在应用广泛的可见光-近红外光波段(波长<1100nm)，基于晶体硅的光电探测器占据主要的市场份额。硅作为一种重要的半导体材料，一直推动着半导体工业的进步。但是，由于硅的厚度过大，不适合与各种形状和大小的基础设施集成，给光电探测器的发展带来了很大的不便。基于对轻量级和灵活性的更高要求，超薄硅片慢慢进入研究中。此外对于扩散长度较短的少数载流子来说，使用较薄的硅衬底有助于减少电子-空穴复合，也是其的一种优势。但是，目前普遍研究的是由单个超薄硅片组成的光电探测器，研究角度过于局限、研究范围过于狭窄，制约了硅基光电探测器的进一步发展和广泛应用。另一方面，单一的光电探测器只能实现光信号的探测，无法实现对光波长的识别，严重阻碍了其在科学研究、工业生产和人民生活中的广泛应用。
发明内容
为了避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种器件工艺简单、成本低廉的基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器，该器件可以有效识别被探测光的波长。
本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：
一种基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器，其特点在于：所述颜色探测器是由两个相同的异质结单元组合而成；
所述异质结单元是在玻璃衬底上表面的部分区域固定有n-型超薄硅片，在所述n-型超薄硅片上铺设有一对呈叉指电极结构的石墨烯薄膜；两石墨烯薄膜的一侧分别超出所述n-型超薄硅片的区域、位于玻璃衬底上，且在其超出区域滴有银浆电极，以保证所述银浆电极与所述n-型超薄硅片不接触；在所述异质结单元中，由两石墨烯薄膜与n-型超薄硅片构成金属半导体金属异质结；
以上层异质结单元的玻璃衬底的下表面与下层异质结单元的玻璃衬底的上表面叠合，即构成颜色探测器；
当光从上层异质结单元的上表面向下逐层照射所述颜色探测器时，下层异质结单元与上层异质结单元的电流比，随被探测光波长的增大而增大，从而可根据电流比识别被探测光的波长。
进一步地，所述玻璃衬底的厚度为0.8-1mm。
进一步地，所述n-型超薄硅片采用厚度为20-30μm、电阻率为1-7Ω·cm的n-型轻掺杂硅片。
进一步地，所述石墨烯薄膜的厚度为5-10nm。
进一步地，所述石墨烯薄膜是以铜箔为基底，通过化学气相沉积法制得。
进一步地，所述银浆电极的厚度为30-500nm。
进一步地，所述叉指电极结构的叉指宽度为150-250μm、相邻叉指之间的间隙距离为150-250μm。
本发明所述颜色探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将n-型超薄硅片放在质量浓度为5％-10％的氢氟酸溶液或BOE刻蚀液中刻蚀5-10分钟，去除n-型超薄硅片表面的自然氧化层，取出后进行清洗并干燥；
所述BOE刻蚀液是将6g NH4F和3mL质量浓度不低于40％的氢氟酸加入到10mL去离子水中形成的混合液；
步骤2、将经步骤1处理后的n-型超薄硅片转移到清洗干净的玻璃衬底上；
步骤3、将石墨烯转移到n-型超薄硅片上，然后通过光刻的方法将其刻蚀为一对呈叉指电极结构的石墨烯薄膜，两石墨烯薄膜的一侧超出所述n-型超薄硅片的区域、位于玻璃衬底上；
步骤4、在两石墨烯薄膜超出n-型超薄硅片的区域上分别滴银浆电极，即形成异质结单元；
步骤5、取两个按照步骤1～4制得的相同的异质结单元，以上层异质结单元的玻璃衬底的下表面与下层异质结单元的玻璃衬底的上表面叠合，即完成基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器的制备。
具体的，两异质结单元单元可以粘贴固定，也可以捆绑固定。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明设计了一种基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器，该器件是由两个完全相同的石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结单元组合而成，对于相同功率、不同波长的可见光具有不同的光电响应，而且下层异质结单元与上层异质结单元的电流比随着波长的增加单调增大，因此可以有效识别入射光的波长。
2、本发明的颜色探测器，所用石墨烯不仅和超薄硅片形成异质结，而且作为透明电极，具有高稳定性、高导电性等优点，非常适合在光电探测领域的使用，同时易与传统的硅基材料结合，与传统的CMOS工艺兼容性好，具有很高的应用潜力。
3、本发明的颜色探测器采用具有高透过率的石墨烯，不会遮挡下层异质结单元的光。
4、本发明的颜色探测器，既可以利用不同厚度的硅片对可见光-近红外光的不同吸收程度，又可以结合石墨烯的高透过率和高导电性等优点，从而通过观测其对探测光的吸收效率以及光生载流子的传输效率，推算出光电流的变化与对应波长的关系。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例1所得颜色探测器在波长为200-1300nm、强度为～500μW/cm2的光照下，在温度300K、偏压2V的检测条件下，上层异质结单元(图中I1)和下层异质结单元(图中I2)的电流-波长特性曲线；
图3为本发明实施例1所得颜色探测器在波长为200-1300nm、强度为～500μW/cm2的光照下，在温度300K、偏压2V的检测条件下，下层异质结单元和上层异质结单元的电流比(I2/I1)-波长曲线；
图4为本发明实施例1所得颜色探测器在波长为400-1100nm、强度为～500μW/cm2的光照下，在温度400K、偏压2V的检测条件下，上层异质结单元(图中I1)和下层异质结单元(图中I2)的电流-波长特性曲线；
图5为本发明实施例1所得颜色探测器在波长为400-1100nm、强度为～500μW/cm2的光照下，在温度400K、偏压2V的检测条件下，下层异质结单元和上层异质结单元的电流比(I2/I1)-波长曲线；
图中标号：1为玻璃衬底；2为n-型超薄硅片；3为石墨烯薄膜；4为银浆电极。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本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，本实施例基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器具有如下结构：颜色探测器是由两个相同的异质结单元组合而成；
异质结单元是在玻璃衬底1上表面的部分区域固定有n-型超薄硅片2，在n-型超薄硅片2上铺设有一对呈叉指电极结构的石墨烯薄膜3；两石墨烯薄膜3的一侧分别超出n-型超薄硅片2的区域、位于玻璃衬底1上，且在其超出区域滴有银浆电极4；在异质结单元中，由两石墨烯薄膜与n-型超薄硅片构成金属半导体金属异质结；
以上层异质结单元的玻璃衬底的下表面与下层异质结单元的玻璃衬底的上表面叠合，即构成颜色探测器。图1中，为清楚显示两异质结单元单元的结构，将二者进行了拆分，未叠合，具体使用中，即可以将二者粘结，也可以捆绑，只要保证二者的位置固定。
具体的透明玻璃衬底1的厚度为1mm；n-型超薄硅片2采用厚度为20μm、电阻率为5Ω·cm的n-型轻掺杂硅片；石墨烯薄膜3的厚度为10nm；银浆电极4的厚度为50nm；石墨烯薄膜是以铜箔为基底，通过化学气相沉积法制得；叉指电极结构的叉指宽度为200μm、相邻叉指之间的间隙距离为200μm。
本实施例的颜色探测器按如下步骤进行制备：
步骤1、将面积为1cm×1cm、电阻率为5Ω·cm、厚度为20μm的n-型轻掺杂硅片放在质量浓度为5％的氢氟酸溶液中刻蚀5分钟，去除n-型轻掺杂硅片表面的自然氧化层，取出后依次用丙酮、酒精、去离子水各超声清洗15分钟，并用氮气吹干。
步骤2、将经步骤1处理后的n-型超薄硅片转移到清洗干净的玻璃衬底上。
步骤3、将石墨烯转移到n-型超薄硅片上，然后通过光刻的方法将其刻蚀为一对呈叉指电极结构的石墨烯薄膜，两石墨烯薄膜的一侧分别超出n-型超薄硅片的区域、位于玻璃衬底上。
步骤4、在两石墨烯薄膜超出n-型超薄硅片的区域上分别滴银浆电极，即形成异质结单元；
步骤5、取两个按照步骤1～4制得的相同的异质结单元，以上层异质结单元的玻璃衬底的下表面与下层异质结单元的玻璃衬底的上表面叠合，即完成基于石墨烯/超薄硅异质结的颜色探测器的制备。
图2为本实施例所得颜色探测器在波长为200-1300nm、强度为～500μW/cm2的光照下(光照方向是从上层异质结单元的上表面向下逐层照射颜色探测器，下同)，在温度300K、偏压2V的检测条件下，上层异质结单元(图中I1)和下层异质结单元(图中I2)的电流-波长特性曲线。从图中看出，上层异质结单元在600nm波长时光响应最大，下层异质结单元在900nm波长时光响应最大。
图3为本实施例所得颜色探测器在波长为200-1300nm、强度为～500μW/cm2的光照下，在温度300K、偏压2V的检测条件下，下层异质结单元和上层异质结单元的电流比(I2/I1)-波长曲线。从图中可以看出当波长200-1300nm时，光电流比值随着波长增加而单调增加，可以得出本实施例颜色探测器可以探测的颜色范围包括200-1300nm。
图4为本实施例所得颜色探测器在波长为400-1100nm、强度为～500μW/cm2的光照下，在温度400K、偏压2V的检测条件下，上层异质结单元(图中I1)和下层异质结单元(图中I2)的电流-波长特性曲线。从图中看出上层异质结单元在600nm波长时光响应最大，下层异质结单元在900nm波长时光响应最大。
图5为本实施例所得颜色探测器在波长为400-1100nm、强度为～500μW/cm2的光照下，在温度400K、偏压2V的检测条件下，下层异质结单元和下层异质结单元的电流比(I2/I1)-波长曲线。从图中可以看出当波长400-1100nm时，光电流比值随着波长增加而单调增加，可以得出本实施例颜色探测器可以探测的颜色范围包括400-1100nm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器，其特征在于：所述颜色探测器是由两个相同的异质结单元组合而成；
所述异质结单元是在玻璃衬底(1)上表面的部分区域固定有厚度为20-30μm的n-型超薄硅片(2)，在所述n-型超薄硅片(2)上铺设有一对呈叉指电极结构的石墨烯薄膜(3)；两石墨烯薄膜(3)的一侧分别超出所述n-型超薄硅片(2)的区域、位于玻璃衬底(1)上，且在其超出区域滴有银浆电极(4)；在所述异质结单元中，由两石墨烯薄膜与n-型超薄硅片构成金属半导体金属异质结；
以上层异质结单元的玻璃衬底的下表面与下层异质结单元的玻璃衬底的上表面叠合，即构成颜色探测器；
当光从上层异质结单元的上表面向下逐层照射所述颜色探测器时，下层异质结单元与上层异质结单元的电流比，随被探测光波长的增大而增大，从而可根据电流比识别被探测光的波长。
2.根据权利要求1所述的颜色探测器，其特征在于：所述玻璃衬底(1)的厚度为0.8-1mm。
3.根据权利要求1所述的颜色探测器，其特征在于：所述n-型超薄硅片(2)采用电阻率为1-7Ω·cm的n-型轻掺杂硅片。
4.根据权利要求1所述的颜色探测器，其特征在于：所述石墨烯薄膜(3)的厚度为5-10nm。
5.根据权利要求1或4所述的颜色探测器，其特征在于：所述石墨烯薄膜(3)是以铜箔为基底，通过化学气相沉积法制得。
6.根据权利要求1所述的颜色探测器，其特征在于：所述银浆电极(4)的厚度为30-500nm。
7.根据权利要求1所述的颜色探测器，其特征在于：所述叉指电极结构的叉指宽度为150-250μm、相邻叉指之间的间隙距离为150-250μm。
8.一种权利要求1～7中任意一项所述颜色探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将n-型超薄硅片放在质量浓度为5％-10％的氢氟酸溶液或BOE刻蚀液中刻蚀5-10分钟，去除n-型超薄硅片表面的自然氧化层，取出后进行清洗并干燥；
步骤2、将经步骤1处理后的n-型超薄硅片转移到清洗干净的玻璃衬底上；
步骤3、将石墨烯转移到n-型超薄硅片上，然后通过光刻的方法将其刻蚀为一对呈叉指电极结构的石墨烯薄膜，两石墨烯薄膜的一侧分别超出所述n-型超薄硅片的区域、位于玻璃衬底上；
步骤4、在两石墨烯薄膜超出n-型超薄硅片的区域上分别滴银浆电极，即形成异质结单元；
步骤5、取两个按照步骤1～4制得的相同的异质结单元，以上层异质结单元的玻璃衬底的下表面与下层异质结单元的玻璃衬底的上表面叠合，即完成基于石墨烯/超薄硅/石墨烯异质结的颜色探测器的制备。
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