CN115020529A - 基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于石墨烯‑碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器，属于半导体光电探测技术领域，形成于单晶硅衬底上的应力层；形成于应力层上的异质结，异质结包括顺序设置的栅电极、介电层、石墨烯层、与栅电极平行且等距的源电极与漏电极、碳纳米管层；应力层使得异质结自组装为微管式三维结构。由于碳纳米管与石墨烯同属碳的同素异形体，二者之间进行有效的载流子传输。三维微管状结构提供了一个天然的光学谐振腔，可显著增强内部光场；也使得单位入射光面积内的石墨烯/碳纳米管复合光敏薄膜‑光反应面积大为增加；极大地提高光敏薄膜对光的吸收率。在室温条件下实现具有高响应度、大带宽、快速度等优异光电性能的微型超宽带光电探测器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电探测技术领域，具体涉及一种基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器。
背景技术
作为光探测的重要手段，光电探测器在航天探测、军事侦察、国民生活等领域发挥着重要作用。传统硅基光电探测器由于具有低廉的价格、较快的响应速度(～ns)以及制备工艺与当前主流的互补金属氧化物(CMOS)半导体制造工艺相兼容的特性，使其在光电探测器领域有广泛应用。然而硅材料较宽的带隙(～1.12eV)使其往往工作在可见光及近红外波段。而当今，人们对光电探测器的高性能、宽光谱和多波段等方面的要求越来越高，因此，发展和探索基于新材料的光电探测器具有非常重要的意义。
近年来，基于InGaAs、InSb和HgCdTe等材料的新型光电探测器的出现极大拓宽了探测范围，探测范围从近红外波段覆盖到长波红外波段。尽管该类型光电探测器的制备工艺已经能够成熟应用并实现商业化，但是由于敏感材料制备工艺复杂、与硅基工艺不兼容和需要在制冷环境中工作等问题，因而导致该类型光电探测器体型较大，成本较高，不利于微型化和集成化发展。因此，如何制备出成本低、工艺兼容性好、微型化的高性能光电探测器成为研究热点。
石墨烯的出现为制备高性能光电探测器提供了新的研究思路。石墨烯超高的载流子迁移率、可通过静电掺杂调节光学特性及独特的零带隙结构使得基于石墨烯的光电探测器具有超快的响应速度和从紫外到太赫兹波段超宽的探测光谱。然而单层石墨烯较低的光吸收率(～2.3％)和较快的载流子复合速率使得技术石墨烯的光电探测器响应度极低(～mA/W)，极大限制了其应用范围。
虽然通过表面等离激元共振增强、量子点修饰和耦合其他光学微结构等方法可以提高石墨烯基光电探测器的响应度，但是往往以损失光学带宽或响应速度为代价，而且使器件尺寸急剧增大，不利于器件微型化和集成化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的三维微管式超宽带光电探测器，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的三维微管式超宽带光电探测器，包括：
单晶硅衬底；
形成于所述单晶硅衬底上的应力层；
形成于所述单晶硅衬底及所述应力层上的栅电极；
形成于所述应力层及所述栅电极上的介电层；
形成于所述应力层及所述介电层上的石墨烯层；
形成于所述单晶硅衬底及所述石墨烯层上与所述栅电极4平行且等距的漏电极和源电极；
形成于所述石墨烯层、漏电极和源电极上的碳纳米管层；
所述栅电极、介电层、石墨烯层、与所述栅电极平行且等距的漏电极和源电极、碳纳米管层构成异质结；所述应力层使得所述异质结自组装为微管式三维结构。
所述的应力层为SU-8、氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)等具有高透光率的应力层材料中的一种。优选为氮化硅(SiNx)应力层。
优选的，栅电极、漏电极和源电极为铬/金(Cr/Au)、钛/金(Ti/Au)、铬/铂(Cr/Pt)或钛/铂(Ti/Pt)二维晶体电极。
优选的，应力层上设有铬(Cr)或钛(Ti)粘附层材料，厚度为5nm-30nm，应力层上还设有金(Au)或铂(Pt)导电层，厚度为10nm-100nm。
优选的，所述的介电层5为五氧化二钽(Ta2O5)、氧化铪(HfO2)、二氧化硅(SiO2)或氮化硼(BN)介电层中的一种。
所述的碳纳米管层9为金属性单壁碳纳米管、金属性多壁碳纳米管、半导体性单壁碳纳米管或半导体性多壁碳纳米管中的一种或多种，优选为半导体性单壁碳纳米管。
优选的，所述的石墨烯层6为单层石墨烯、多层石墨烯或还原氧化石墨烯。
优选的，碳纳米管层9中半导体性碳纳米管的含量为90％及以上。
第二方面，本发明提供一种基于石墨烯/碳纳米管全碳复合薄膜的三维微管式超宽带光电探测器的制作方法，包括以下步骤：
S1：清洗硅片并制备牺牲层；将p型单晶硅片1置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85摄氏度下将硅片煮15分钟，去除表面污迹，用去离子水冲洗并烘干。接着对硅片利用光刻图形化技术、金属磁控溅射技术和剥离技术制备牺牲层2，牺牲层2的厚度为10nm～200nm。
S2：制备应力层：在制备完成的牺牲层2上通过采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)分别沉积SiNx压/拉双应力层；通过光刻技术在SiNx上形成图形化光刻胶掩膜层。随后采用电感耦合式等离子体刻蚀法(ICP)对非光刻胶覆盖部分进行干法刻蚀；最后用丙酮洗去光刻胶，完成应力层3图形化制备。
S3：制备栅电极：首先使用负胶光刻工艺进行图形化，之后采用磁控溅射工艺或热蒸发工艺或电子束蒸发工艺等薄膜沉积工艺在应力层3上分别溅射粘附层材料与导电层材料，最后采用剥离工艺将无效区域的图形进行剥离，从而完成栅电极4的图形化制备。
S4：制备介电层：使用等离子增强化学气相沉积法或原子层淀积(ALD)等薄膜工艺技术淀积介电层5，随后使用光刻图形化技术得到所需图案，随后采用电感耦合式等离子体刻蚀法对无光刻胶覆盖的部分进行干法刻蚀，随后采用去胶工艺留下介电层5图形，完成介电层5图形化制备。
S5：转移并图形化石墨烯层：在p型单晶硅片1、应力层3以及介电层5上转移石墨烯层6；采用光刻图形化技术，以光刻胶为阻挡层，使用氧气等离子体刻蚀技术刻蚀无光刻胶覆盖的石墨烯层6；用丙酮清洗石墨烯层6表面的光刻胶，完成石墨烯层6的转移及图形化。
S6：制备源电极与漏电极：首先进行光刻完成图形化设计，之后采用电子束蒸发工艺或热蒸发工艺淀积粘附层金属材料和导电层金属材料，最后使用剥离工艺除去光刻胶及附着在光刻胶表面的金属材料，清洗硅片，完成漏电极7与源电极8的图形化制备。
S7：制备碳纳米管层：通过超声、离心等方法制备碳纳米管悬浮液；之后在所述器件上滴涂碳纳米管悬浮液，烘干，完成碳纳米管层9制备。
S8：刻蚀牺牲层：使用刻蚀液刻蚀所述牺牲层2；所述栅电极4、介电层5、石墨烯层6、漏电极7、源电极8和碳纳米管层9构成异质结；所述应力层3使得所述异质结自组装为微管式三维结构；
优选的，碳纳米管层9通过旋涂法或滴涂法制备。
优选的，牺牲层为能被刻蚀液刻蚀的金属层，例如铝(Al)、铜(Cu)等金属材料。
所述刻蚀液不会对应力层3、栅电极4、介电层5、石墨烯层6、漏电极7、源电极8和碳纳米管层9产生影响。刻蚀牺牲层的刻蚀液优选为盐酸溶液。
本发明有益效果：
(1)碳纳米管与石墨烯同属碳元素家族。碳纳米管可以看作是由单层石墨烯卷曲而成的管状结构，其微观结构和石墨烯类似，一个为管状一个为片状。碳纳米管具有较高的载流子迁移率(79000cm2·V-1·s-1)和超宽的光学带宽(从紫外光到太赫兹波)在光电探测领域具有极大应用潜力。因为碳纳米管与石墨烯具有相似的sp2结构而易于在两者之间形成较强的电子耦合作用，大大减小了二者间的功函数差，所以二者之间的载流子传输效率得以提高。因此，本发明利用石墨烯/碳纳米管复合光敏薄膜不仅可以大大提高异质结空间场的有效感光面积，还可以促进光生载流子的分离与输运，进而提高传感器的响应度与响应速度。
(2)埋栅式FET结构使得栅电压对复合光敏薄膜电导的控制能力增强，有利于提高光电探测器的响应度。与现有的背栅结构光电探测器相比，埋栅FET结构避免了较大栅压(～±50V)的使用，减小了功耗，拓展了光电探测器的应用范围。同时，埋栅FET结构使得光电探测器阵列中每个单元的调整和控制成为可能，有利于器件的阵列化应用。
(3)应力层驱动平面器件自组装技术，通过采用与传统硅基IC工艺相兼容且透明、无生物毒性的应力层实现平面二维器件自卷曲形成三维微管式结构；芯片的占用面积与二维平面场效应管相比有效减少了80％，可极大节约制版费用，降低了成本，同时可有效提高单位面积内石墨烯/碳纳米管复合薄膜的感光面积。
(4)本发明中创新性地使用三维微管式结构可使得石墨烯/碳纳米管复合薄膜与衬底相分离，减小了光敏元件与衬底之间热学、电学相互干扰，有利于在室温条件下实现更高的响应度和信噪比；通过调整高透光率应力层的应力可以控制同轴微管的半径和卷曲层数，即可增加单层石墨烯/碳纳米管复合薄膜的堆叠层数，增加光吸收率；微管式结构形成了天然的光学谐振腔，不仅可以增强内部光场，还可以有效增加光与石墨烯/碳纳米管全碳复合光敏薄膜的作用面积，在大幅度提高光吸收率和光利用率的同时，依然保持着较快的响应速度，使基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的高敏感光电探测器的出现成为可能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例所述的基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的光电探测器结构示意图。
图2为本发明实施例所述的基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的光电探测器制作方法示意图。
图3a为本发明实施例所述的清洗硅片并制作牺牲层示意图。
图3b为本发明实施例所述的制作应力层示意图。
图3c为本发明实施例所述的制作栅电极示意图。
图3d为本发明实施例所述的制作介电层示意图。
图3e为本发明实施例所述的转移并图形化石墨烯示意图。
图3f为本发明实施例所述的制作源电极和漏电极示意图。
图3g为本发明实施例所述的制作碳纳米管层示意图
图3h为本发明实施例所述的刻蚀牺牲层示意图。
图3i为本发明实施例所述的基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的二维场埋栅效应管自组装为卷状的光电探测器的示意图。
其中：1-单晶硅衬底；2-牺牲层；3-应力层；4-栅电极；5-介电层；6-石墨烯层；7-漏电极；8-源电极；9-碳纳米管层。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例
为了在提高石墨烯基光电探测器的综合性能，研究人员将目光投向了石墨烯的同素异形体——碳纳米管(CNTs)。碳纳米管与石墨烯同属碳元素家族，可看做由石墨片卷曲得到的中空结构。碳纳米管的光吸收系数比传统窄隙半导体高一个数量级，同时具有高载流子迁移率、宽光谱吸收和高热导率等优点，在光电探测领域具有极大应用潜力。由于碳纳米管与石墨烯具有相似的sp2结构，所以在两者之间易于形成较强的电子耦合作用，因此二者之间可以进行有效的载流子传输，这可以大大提高石墨烯基光电探测器的响应度与响应速度。
基于此，本实施例中提出了一种将一维材料碳纳米管与二维材料石墨烯结合，构筑全碳基结构的基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的高性能超宽带光电探测器及其制作方法。可采用MEMS加工工艺制备阵列式三维微管式石墨烯/碳纳米管复合薄膜光电探测器。通过制备石墨烯/碳纳米管复合薄膜和创新性地引入三维光学谐振腔结构，构筑全碳基器件。一方面利用石墨烯与单壁碳纳米管之间高载流子输运效率使得该复合薄膜在入射光照下产生光致栅压效应以提高石墨烯基光电探测器的响应度和响应速度；另一方面在减小器件面积的同时，利用3D光学谐振腔对器件周围电场强度的有效增强，以及使入射光局限在腔体内来回反射，在两种效应的作用下增强该复合薄膜对光的吸收，大幅度提高器件的响应度，从而制备得到微型化、阵列化、宽光谱和高性能的基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的三维微管式超宽带光电探测器。
本实施例中，将一维材料碳纳米管与二维材料石墨烯结合，构筑了全碳基结构的高性能超宽带光电探测器及其制作方法。该探测器中由于石墨烯和碳纳米管具有结构上的相似性，所以二者之间可以进行有效的载流子输运；三维微管式结构可以在大大减小芯片占用面积的同时，自然形成光学谐振腔，增强内部光场，提高石墨烯/碳纳米管复合光敏薄膜的光吸收率和光利用率，大幅提高本光电探测器的响应度和响应速度；使得基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的全碳基超宽带光电探测器的出现成为可能。本发明中的基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器利用应力层驱动带有金属电极的介电层/石墨烯/碳纳米管异质结自组装为一种三维微管式超宽带光电探测器装置。
如图1所示，该微型宽带光电探测器具体包括：
单晶硅衬底1；
在单晶硅衬底1上制作有牺牲层2；
在单晶硅衬底1及牺牲层2上制作有应力层3；
在单晶硅衬底1及应力层3上制作有栅电极4；
在栅电极4及应力层3上有介电层5；
在应力层3及介电层5上覆盖有石墨烯层6；
在应力层3、介电层5和石墨烯层6上与制作与栅电极4平行且等距的漏电极7和源电极8；
在石墨烯层6、漏电极7和源电极8上制作碳纳米管层9；
栅电极4、介电层5、石墨烯层6、漏电极7、源电极8和碳纳米管层9形成了一个带有源、漏、栅电极的平面二维介电层/石墨烯/碳纳米管异质结，应力层3使得带有源、漏、栅电极的平面二维介电层/石墨烯/碳纳米管异质结在牺牲层被刻蚀液刻蚀后自组装为三维微管式结构，
应注意的是，牺牲层2由于被刻蚀，未在图中标示出。
本实施例中，应力层3为SU-8、氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)等具有高透光率的应力层材料。
本实施例中，介电层5为五氧化二钽(Ta2O5)或氧化铪(HfO2)或二氧化硅(SiO2)介电层。本发明中的介电层5可为其他具有同等性质的常规介电层，并不限于本发明中五氧化二钽(Ta2O5)或氧化铪(HfO2)或二氧化硅(SiO2)介电层。
本实施例中，栅电极4、漏电极7和源电极8为铬/金(Cr/Au)、钛/金(Ti/Au)、铬/铂(Cr/Pt)或钛/铂(Ti/Pt)二维晶体电极。铬(Cr)或钛(Ti)粘附层材料厚度为5nm-30nm，金(Au)或铂(Pt)导电层厚度为10nm-100nm。石墨烯层6中为单层石墨烯、多层石墨烯或者氧化还原石墨烯。碳纳米管层9中主要为半导体性单壁碳纳米管，掺有少量金属性单壁碳纳米管，半导体性单壁碳纳米管含量为90％及以上。
本实施例中，传感器的感测部分原理如下：首先，石墨烯/碳纳米管复合薄膜可以实现对外界光信号的快速探测。作为一种零带隙半导体材料，石墨烯可以吸收超宽光谱范围内的入射光子能量以产生光生载流子，从而其检测波长范围(光学带宽)覆盖紫外光、可见光、近红外光、中红外光、远红外光和太赫兹波。此外，石墨烯具有超高的载流子迁移率(106cm2 V–1s–1)，可以实现超快的响应速度。只是由于单层石墨烯对入射光的吸收率很低(～2.3％)，导致单纯石墨烯基光电探测器的响应度太低。碳纳米管同样具有从紫外光到太赫兹波的超宽光学带宽，将其与石墨烯相结合，可以基于光热电效应、光栅效应等提升探测器的响应度。同时，由于碳纳米管具有较高的载流子迁移率(79000cm2·V-1·s-1)，并且与石墨烯属于同素异形体，有利于载流子传输，从而可以使石墨烯/碳纳米管异质结器件具有很快的光电响应速度。其次，3D微管式光学谐振腔可以显著提升光电探测器的响应度。当入射光垂直于3D微管管径进入其中后，会在其管壁不断发生反射和折射形成谐振，极大增强内部光场，进而显著提升布置于管壁的光电探测器的响应度。
本实施例中，可以采用以下检测方法：在测试电路中设计可控的恒定电压源提供电气表征所需的可调漏源电压Vds和栅源电压Vgs。在光照条件下，通过栅源电压Vgs和漏源电压Vds分对石墨烯/碳纳米管复合光敏薄膜施加不同的电压，可以使石墨烯/碳纳米管复合光敏薄膜上光激发产生的电子-空穴快速分离，从而产生光电流。通过串联在漏电极7与源电极8回路中的电流表读取到漏极电流Ids，与漏极电流Ids对应光信号即可被检测出来。
如图2所示，本实施例中，基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的微型宽带光电探测器的制作方法包括以下步骤：
S1：如图3a所示，清洗硅片并制备牺牲层：
S101：将p型单晶硅片1置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85摄氏度下将硅片煮15分钟，去除表面污迹，用去离子水冲洗并烘干；
S102：在硅片上利用光刻图形化技术、金属磁控溅射技术和剥离技术制备牺牲层2，牺牲层2的厚度为10～200nm；
S2：如图3b所示，制备应力层3：
S201：在制备完成的牺牲层2上通过采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)分别沉积SiNx压/拉双应力层；
S202：通过光刻技术在SiNx上形成图形化光刻胶掩膜层；
S203：采用电感耦合式等离子体刻蚀法(ICP)对非光刻胶覆盖部分进行干法刻蚀；
S204：用丙酮洗去光刻胶，完成应力层3图形化制备；
S3：如图3c所示，制备栅电极：
S301：使用负胶光刻工艺进行图形化；
S302：采用磁控溅射工艺或热蒸发工艺或电子束蒸发工艺等薄膜沉积工艺在应力层3上分别溅射粘附层材料与导电层材料；
S303：采用剥离工艺将无效区域的图形进行剥离，从而完成栅电极4的图形化制备；
S4：如图3d所示，制备介电层：
S401：使用等离子增强化学气相沉积法或原子层淀积(ALD)等薄膜工艺技术淀积介电层5；
S402：使用光刻图形化技术得到所需图案；
S403：随后采用电感耦合式等离子体刻蚀法对无光刻胶覆盖的部分进行干法刻蚀；
S404：随后采用去胶工艺留下介电层5图形，完成介电层5图形化制备；
S5：如图3e所示，转移并图形化石墨烯层：
S501：在p型单晶硅片1、应力层3以及介电层5上转移石墨烯层6；
S502：采用光刻图形化技术，以光刻胶为阻挡层，使用氧气等离子体刻蚀技术刻蚀无光刻胶覆盖的石墨烯层6；
S503：用丙酮清洗石墨烯层6表面的光刻胶，完成石墨烯层6的转移及图形化制备；
S6：如图3f所示，制备源电极与漏电极：
S601：进行光刻完成图形化设计；
S602：采用电子束蒸发工艺或热蒸发工艺淀积粘附层金属材料和导电层金属材料；
S603：使用剥离工艺除去光刻胶及附着在光刻胶表面的金属材料，清洗硅片，完成漏电7与源电极8的图形化制备；
S7：如图3g所示，制备碳纳米管层：
S701：利用超声、离心等方法制备碳纳米管悬浮液；
S702：在所述器件上滴涂碳纳米管悬浮液，烘干，完成碳纳米管9制备；
S8：如图3h所示，刻蚀牺牲层：
S801：使用刻蚀液刻蚀所述牺牲层2；
S802：栅电极4、介电层5、石墨烯层6、漏电极7、源电极8和碳纳米管层9构成带有源、漏、栅电极的平面二维异质结，应力层3使得该异质结在牺牲层被刻蚀液刻蚀后自组装为微管式三维结构,如图3i所示。
本实施例中，牺牲层为可以被刻蚀液刻蚀的金属层，例如铝、铜等金属材料。刻蚀液不会对应力层3、栅电极4、介电层5、石墨烯层6、漏电极7、源电极8和碳纳米管层9产生影响。碳纳米管层9主要采用滴涂法或旋涂法制备。刻蚀液采用盐酸溶液。
本实施例中，刻蚀牺牲层前，采用光刻工艺预先在器件顶部开窗口，接着将刻蚀液滴到器件表面，使刻蚀液沿着窗口将底部牺牲层进行刻蚀；随着牺牲层完成刻蚀，顶部的应力层3在应力作用下开始自卷曲，使用丙酮去除光刻胶后，释放了原先被光刻胶阻挡无法自卷曲的应力层；应力层3驱动栅电极4、介电层5、石墨烯层6、漏电极7、源电极8和碳纳米管层9自组装为基于石墨烯/碳纳米管复合薄膜的三维微管式微型超宽带宽带光电探测器。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器，其特征在于，包括：
单晶硅衬底(1)；
形成于所述单晶硅衬底(1)上的应力层(3)；
形成于所述单晶硅衬底(1)及所述应力层(3)上的栅电极(4)；
形成于所述栅电极(4)及所述应力层(3)上的介电层(5)；
形成于所述应力层(3)及所述介电层(5)上的石墨烯层(6)；
形成于所述单晶硅衬底(1)及所述石墨烯层(6)上与所述栅电极(4)平行且等距的漏电极(7)和源电极(8)；
形成于所述石墨烯层(6)、漏电极(7)和源电极(8)上的碳纳米管层(9)；
所述栅电极(4)、介电层(5)、石墨烯层(6)、与所述栅电极(4)平行且等距的漏电极(7)和源电极(8)、碳纳米管层(9)构成异质结；所述应力层(3)使得所述异质结自组装为微管式三维结构。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器，其特征在于，所述介电层(5)为五氧化二钽、氧化铪、二氧化硅或氮化硼介电层。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器，其特征在于，所述栅电极(4)、漏电极(7)和源电极(8)均为为铬-金、钛-金、铬-铂或钛-铂二维晶体电极。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器，其特征在于，所述应力层(3)上设粘附层材料，粘附层材料为铬或钛，厚度为5nm-30nm；所述应力层(3)上还设有导电层，导电层材料为金或铂，其厚度为10nm-100nm。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器，其特征在于，所述应力层(3)为SU-8、氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器，其特征在于，所述碳纳米管层(9)中的碳纳米管为金属性单壁碳纳米管、金属性多壁碳纳米管、半导体性单壁碳纳米管或半导体性多壁碳纳米管中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器，其特征在于，所述碳纳米管层(9)通过旋涂法或滴涂法获得。
8.一种基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：清洗硅片并制备牺牲层：将p型单晶硅片(1)置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85摄氏度下将硅片煮15分钟，去除表面污迹，用去离子水冲洗并烘干；对硅片利用光刻图形化技术、金属磁控溅射技术和剥离技术制备牺牲层(2)，牺牲层(2)的厚度为10nm～200nm；
S2：制备应力层：在制备完成的牺牲层(2)上通过采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)分别沉积SiNx压/拉双应力层；通过光刻技术在SiNx上形成图形化光刻胶掩膜层；采用电感耦合式等离子体刻蚀法(ICP)对非光刻胶覆盖部分进行干法刻蚀；最后用丙酮洗去光刻胶，完成应力层(3)图形化制备；
S3：制备栅电极：首先使用负胶光刻工艺进行图形化，之后采用磁控溅射工艺或热蒸发工艺或电子束蒸发工艺等薄膜沉积工艺在应力层(3)上分别溅射粘附层材料与导电层材料，最后采用剥离工艺将无效区域的图形进行剥离，从而完成栅电极(4)的图形化制备；
S4：制备介电层：使用等离子增强化学气相沉积法或原子层淀积(ALD)等薄膜工艺技术淀积介电层(5)，随后使用光刻图形化技术得到所需图案，之后采用电感耦合式等离子体刻蚀法对无光刻胶覆盖的部分进行干法刻蚀，最后采用去胶工艺留下介电层(5)图形，完成介电层(5)图形化制备；
S5：转移并图形化石墨烯层：在p型单晶硅片(1)、应力层(3)以及介电层(5)上转移石墨烯层(6)；采用光刻图形化技术，以光刻胶为阻挡层，使用氧气等离子体刻蚀技术刻蚀无光刻胶覆盖的石墨烯层(6)；用丙酮清洗石墨烯层(6)表面的光刻胶，完成石墨烯层(6)的转移及图形化；
S6：制备源电极与漏电极：首先进行光刻完成图形化设计，之后采用电子束蒸发工艺或热蒸发工艺淀积粘附层金属材料和导电层金属材料，最后使用剥离工艺除去光刻胶及附着在光刻胶表面的金属材料，清洗硅片，完成漏电极(7)与源电极(8)的图形化制备；
S7：制备碳纳米管层：通过超声、离心等方法制备碳纳米管悬浮液；之后在所述器件上滴涂碳纳米管悬浮液，烘干，完成碳纳米管层(9)制备；
S8：刻蚀牺牲层：使用刻蚀液刻蚀所述牺牲层(2)；所述栅电极(4)、介电层(5)、石墨烯层(6)、漏电极(7)、源电极(8)和碳纳米管层(9)构成异质结；所述应力层(3)使得所述异质结自组装为微管式三维结构。
9.根据权利要求8所述的基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器的制作方法，其特征在于，所述牺牲层(2)为能被刻蚀液刻蚀的金属层。
10.根据权利要求9所述的基于石墨烯-碳纳米管复合薄膜的微型超宽带光电探测器的制作方法，其特征在于，所述刻蚀液为盐酸溶液。
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-
2022
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