CN204538089U - 基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，包括一覆盖有二氧化硅的硅衬底，硅衬底上设有石墨烯导电层，石墨烯导电层的中部分布有纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层，并形成异质结结构，石墨烯导电层的左右两端分别设有一电极层；硅衬底的最上方设有一钝化层，钝化层将石墨烯导电层、纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层和两个电极层全部覆盖；位于两个电极层上方的钝化层上经光刻和刻蚀分别形成电极的一个接触孔，两个接触孔上分别淀积有金属引出电极。本实用新型构建光探测器件的技术与当前的硅电子工艺平台相比具有良好的兼容性，并且制备工艺简单，器件成功率高，具有实现快速、宽带响应、宽光谱光探测的极大潜力。
Description
技术领域
本实用新型属于光探测器领域，具体的涉及一种基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器。
背景技术
对光探测器而言，光探测器的探测带宽和响应速度是衡量其性能的重要参数。传统的基于Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体（例如硅和砷化镓）的光探测器的波谱范围和探测带宽受到其能带和载流子渡越时间的限制，因此难以实现超快宽带吸收的光探测器，不适用于某些对器件性能要求更加严格的应用场合，如超快宽带数据传输领域。另一方面，随着对器件集成度的要求的提高，器件尺寸需要不断减小，传统基于Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体的器件尺寸已经接近其极限。
实用新型内容
为克服现有技术的缺点，本实用新型提供了一种基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，旨在保证器件具有快速宽带响应特性，同时采用横向光电导探测结构，可以提高器件的单片集成度。
为解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案实现：
一种基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，包括一覆盖有二氧化硅的硅衬底，所述硅衬底可以充当栅电极，也可以由其覆盖的二氧化硅充当栅介质层，所述硅衬底上表面的中部设有石墨烯导电层，所述石墨烯导电层上表面的中部分布有若干纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层，所述石墨烯导电层与所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层形成异质结结构，所述石墨烯导电层上表面的左右两端分别设有第一电极层和第二电极层；所述硅衬底的最上方设有一钝化层，所述钝化层将所述石墨烯导电层、所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层、所述第一电极层和所述第二电极层全部覆盖；位于所述第一电极层和所述第二电极层上方的所述钝化层上经光刻和刻蚀分别形成电极的第一接触孔和第二接触孔，所述第一接触孔和所述第二接触孔上分别淀积有第一金属引出电极和第二金属引出电极。
进一步的，所述石墨烯导电层为单层或数层石墨烯。
进一步的，所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层为CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI(3-X)ClX的感光层；所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层的厚度为5-300纳米；所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层的纳米结构包括纳米颗粒、纳米线或纳米片。
进一步的，所述第一电极层和所述第二电极层的厚度为100-300纳米，其形状为条状或叉指状。
进一步的，所述第一电极层和所述第二电极层为金属材料，所述的金属材料包括铬、钛、铝或金；或所述第一电极层和所述第二电极层为透明导电材料，所述的透明导电材料包括氧化铟锡（ITO）或氧化锌铝（AZO）；所述第一电极层和所述第二电极层可以为相同材料，也可以为不同材料。
进一步的， 所述钝化层为六方氮化硼（hBN）层，其厚度为100-300纳米。
本实用新型还提供了该种光探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）选用二氧化硅覆盖的硅衬底作为衬底，在所述硅衬底上覆盖一层石墨烯导电层，所述石墨烯导电层为单层或数层石墨烯；
步骤2）在所述石墨烯导电层的中部制备一层厚度为5-300纳米的纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层，此时，所述石墨烯导电层与所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层形成异质结结构；
步骤3）在所述石墨烯导电层的两端各淀积一层100～300纳米厚的第一电极层和第二电极层，此时所述第一电极层和所述第二电极层与所述石墨烯导电层有一定的交叠；
步骤4）在所述石墨烯导电层上用化学气相沉积法（CVD）生长一层100-300纳米厚度的透明的钝化层，所述钝化层将所述石墨烯导电层、所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层、所述第一电极层和所述第二电极层全部覆盖；
步骤5）在所述第一电极层和所述第二电极层上方的所述钝化层上光刻和刻蚀形成电极的第一接触孔和第二接触孔；
步骤6）在所述第一接触孔和所述第二接触孔上分别用磁控溅射方法淀积一层100-300纳米厚的金属导电膜，然后通过光刻和刻蚀的方法制成电极层的第一金属引出电极、第二金属引出电极及相应的互连线。
进一步的，步骤1中，所述石墨烯导电层通过机械剥离法或化学气相沉积法（CVD）直接生长到所述硅衬底上，或通过转移技术转移到所述硅衬底的目标区域上，然后通过光刻和刻蚀形成石墨烯的纳米带状结构。
进一步的，步骤2中，所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层通过溶液旋涂法、溶液自组装法或化学气相沉积法（CVD）直接在所述石墨烯导电层上制备。
所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层可以选择不同的纳米结构以及纳米结构的分布方式来实现最佳的量子效率，还可以通过选择合适的钙钛矿组份来调控光谱响应范围以及器件的稳定性，来满足不同的实用要求。同时，还可以通过在所述硅衬底上施加电压控制异质结内的能带特性，大大提高光探测器的响应度。
进一步的，步骤3中，所述金属铬膜通过磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发的方法淀积在所述石墨烯导电层上。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型采用石墨烯与纳米结构钙钛矿作为沟道材料，制备出平面结构的光电导型光探测器。二维层状原子晶体材料通常体现出其相应的晶体材料中所没有的性质。以石墨烯为代表，其体现出独特的零带隙能带结构和近弹道输运的电学性质，直接采用石墨烯构建的光电探测器与传统半导体光电探测器相比，具有探测波谱范围宽、超快响应速度和高截止频率的工作特性，然而其缺陷在于器件的光响应度低，光生载流子的提取难。而有机铅卤化物钙钛矿材料，典型的代表如CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3，为直接带隙半导体材料，具有一定的能带带隙和很高的载流子迁移率，并且在可见光区具有很强的光吸收特性，据研究300纳米厚的CH3NH3PbI3可以吸收95%以上的可见光。
此外，钙钛矿层可以采用溶液法制备，通过控制不同条件来实现不同纳米结构的钙钛矿吸光层。由于纳米材料特具有特殊的量子效应，纳米结构的钙钛矿层能够极大的提高光探测的量子效率。因此，采用石墨烯/纳米结构钙钛矿材料成异质结结构，能够充分结合石墨烯高电子迁移率和半导体钙钛矿材料高吸光性。本实用新型的光电导型光探测器，一方面可以大幅度地提高光生载流子产生，分离以及提取，另一方面利用钙钛矿材料强的光吸收特性可以大幅度提高器件响应度，同时，还可以采用不同组分以及不同纳米结构的钙钛矿材料，调控探测器的探测波谱范围，增加探测器的量子效率。
从应用角度而言，本实用新型的制备方法构建光探测器件的技术与当前的硅电子工艺平台相比具有良好的兼容性，并且制备工艺简单，器件成功率高，因此具有实现快速、宽带响应、宽光谱光探测的极大潜力。其纳米尺度的器件尺寸，还有有利于提高器件的集成度。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是本实用新型硅衬底上覆盖墨烯导电层后的结构示意图；
图2是本实用新型墨烯导电层上覆盖纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层后的结构示意图；
图3是本实用新型墨烯导电层上覆盖电极层后的结构示意图；
图4是本实用新型硅衬底最上方覆盖钝化层后的结构示意图；
图5是本实用新型钝化层上形成电极的接触孔后的结构示意图；
图6是本实用新型接触孔上积淀金属引出电极后的结构示意图；
图7是本实用新型纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层为钙钛矿纳米颗粒时的扫描电子显微镜照片；
图8是本实用新型纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层为钙钛矿纳米线网状结构时的光学照片。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
参见图1-6所示，一种基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，包括一覆盖有二氧化硅的硅衬底1，所述硅衬底1可以充当栅电极，也可以由其覆盖的二氧化硅充当栅介质层，所述硅衬底1上表面的中部设有石墨烯导电层2，所述石墨烯导电层2上表面的中部分布有若干纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3，所述石墨烯导电层2与所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3形成异质结结构，所述石墨烯导电层2上表面的左右两端分别设有第一电极层4和第二电极层5；所述硅衬底1最上方设有一钝化层6，所述钝化层6将所述石墨烯导电层2、所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3、所述第一电极层4和所述第二电极层5全部覆盖；位于所述第一电极层4和所述第二电极层5上方的所述钝化层6上经光刻和刻蚀分别形成电极的第一接触孔7和第二接触孔8，所述第一接触孔7和所述第二接触孔8上分别淀积有第一金属引出电极9和第二金属引出电极10。
进一步的，所述石墨烯导电层2为单层或数层石墨烯。
进一步的，所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3为CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI(3-X)ClX的感光层；所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3的厚度为5-300纳米；所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3的纳米结构包括纳米颗粒、纳米线或纳米片。
进一步的，所述第一电极层4和所述第二电极层5的厚度为100-300纳米，其形状为条状或叉指状。
进一步的，所述第一电极层4和所述第二电极层5为金属材料，所述的金属材料包括铬、钛、铝或金；亦或所述第一电极层4和所述第二电极层5为透明导电材料，所述的透明导电材料包括氧化铟锡（ITO）或氧化锌铝（AZO）；所述第一电极层4和所述第二电极层5可以为相同材料，也可以为不同材料。
进一步的， 所述钝化层6为六方氮化硼（hBN）层，其厚度为100-300纳米。
本实用新型还提供了该种光探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）参见图1所示，选用二氧化硅覆盖的硅衬底1作为衬底，采用机械剥离法或化学气相沉积法（CVD）在所述硅衬底1上直接生长一层石墨烯导电层2，或者采用转移技术将石墨烯转移到所述硅衬底1的目标区域上，然后通过光刻和刻蚀形成石墨烯的纳米带状结构，所述石墨烯导电层2为单层或数层石墨烯。
步骤2）参见图2所示，在所述石墨烯导电层2的中部通过溶液旋涂法、溶液自组装法或化学气相沉积法（CVD）直接制备一层厚度为5-300纳米的纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3，此时，所述石墨烯导电层2与所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3形成异质结结构。
参见图7、图8所示，所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3可以选择不同的纳米结构以及纳米结构的分布方式来实现最佳的量子效率，还可以通过选择合适的钙钛矿组份来调控光谱响应范围以及器件的稳定性，来满足不同的实用要求。同时，还可以通过在所述硅衬底1上施加电压控制异质结内的能带特性，大大提高光探测器的响应度。
步骤3）参见图3所示，在所述石墨烯导电层2的两端通过磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发的方法各淀积一层100～300纳米厚的第一电极层4和第二电极层5，此时所述第一电极层4和所述第二电极层5与所述石墨烯导电层2有一定的交叠。
步骤4）在参见图4所示，所述石墨烯导电层2上用化学气相沉积法（CVD）生长一层100-300纳米厚度的透明的钝化层6，所述钝化层6将所述石墨烯导电层2、所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层3、所述第一电极层4和所述第二电极层5全部覆盖。
步骤5）在参见图5所示，在所述第一电极层4和所述第二电极层5上方的所述钝化层6上光刻和刻蚀形成电极的第一接触孔7和第二接触孔8。
步骤6）在参见图6所示，在所述第一接触孔7和所述第二接触孔8上分别用磁控溅射方法淀积一层100-300纳米厚的金属导电膜，然后通过光刻和刻蚀的方法制成电极层的第一金属引出电极9、第二金属引出电极10及相应的互连线。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，其特征在于：包括一覆盖有二氧化硅的硅衬底（1），所述硅衬底（1）上表面的中部设有石墨烯导电层（2），所述石墨烯导电层（2）上表面的中部分布有若干纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层（3），所述石墨烯导电层（2）与所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层（3）形成异质结结构，所述石墨烯导电层（2）上表面的左右两端分别设有第一电极层（4）和第二电极层（5）；所述硅衬底（1）的上方设有一钝化层（6），所述钝化层（6）将所述石墨烯导电层（2）、所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层（3）、所述第一电极层（4）和所述第二电极层（5）全部覆盖；位于所述第一电极层（4）和所述第二电极层（5）上方的所述钝化层（6）上经光刻和刻蚀分别形成电极的第一接触孔（7）和第二接触孔（8），所述第一接触孔（7）和所述第二接触孔（8）上分别淀积有第一金属引出电极（9）和第二金属引出电极（10）。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，其特征在于：所述石墨烯导电层（2）为单层或数层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，其特征在于：所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层（3）为CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI(3-X)ClX的感光层；所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层（3）的厚度为5-300纳米；所述纳米结构有机铅卤化物钙钛矿材料层（3）的纳米结构包括纳米颗粒、纳米线或纳米片。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，其特征在于：所述第一电极层（4）和所述第二电极层（5）为金属材料，所述的金属材料包括铬、钛、铝或金；所述第一电极层（4）和所述第二电极层（5）的厚度为100-300纳米，其形状为条状或叉指状。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，其特征在于：所述第一电极层（4）和所述第二电极层（5）为透明导电材料，所述的透明导电材料包括氧化铟锡或氧化锌铝；所述第一电极层（4）和所述第二电极层（5）的厚度为100-300纳米，其形状为条状或叉指状。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯与纳米结构钙钛矿材料的光探测器，其特征在于：所述钝化层（6）为六方氮化硼层，其厚度为100-300纳米。
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| TWI585376B (zh) * | 2016-04-20 | 2017-06-01 | 國立臺灣大學 | 光譜分析裝置及其製作方法 |
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