CN211480068U - 一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器 - Google Patents
一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于半导体光电子器件领域，具体涉及一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器，该光电探测器结构为：绝缘衬底、金属电极、石墨烯导电沟道和半导体吸光层。实用新型提出的基于超短沟道石墨烯的光电探测器，利用聚焦氦离子束加工亚10纳米石墨烯导电沟道，可提高石墨烯载流子迁移率，实现超短的渡越时间；同时，石墨烯/半导体复合结构有效地提升载流子分离效率，增大载流子的寿命。通过充分发挥石墨烯高迁移率和复合结构有效分离载流子的优势，实现高增益的光电探测器。本实用新型提供的光电探测器具有轻薄、增益高、响应度大、工艺重复性佳、易集成等优点，可应用于微弱光探测，是一种极具实用性的光电探测器结构。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体光电子器件领域，具体涉及一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器。
背景技术
光电探测器是一种把光信号转换为电信号的器件。根据器件对光辐射响应方式的不同，光电探测器可分为光电导型、内建电场光伏型、光热电型和测辐射热计型。根据可探测光波段的不同，光电探测器可分为紫外光电探测器、可见光电探测器以及红外光电探测器。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途，紫外光电探测器主要用于紫外通讯、臭氧监测、明火探测、生物医药分析等方面，可见光电探测器可用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等方面，红外光电探测器则主要用于导弹预警及制导、红外遥感和红外热成像等方面。
硫化镉、钙钛矿、硫化铅、硒化铅等半导体纳米材料由于高的光吸收效率，而被广泛用作光电导型光电探测器的吸光材料。然而，该种光电探测器无法实现电子和空穴的有效分离和电荷的稳定捕获，在吸光层中光诱导产生的电子空穴对在几皮秒内快速复合，导致载流子寿命低，器件增益小。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维材料，碳原子以sp2杂化轨道组成六角型蜂窝状晶格结构。石墨烯薄膜具有电阻率低、载流子迁移率大、吸收光谱宽、响应时间快等优良特性。研究人员将石墨烯与半导体吸光材料相结合，形成复合结构，石墨烯中的电子转移至近端吸光层，填充由光子吸收产生的吸光材料价带中的空态，使得吸光层中光激发产生的电子空穴对复合受到抑制，吸光材料中的电子保留在导带中而不会衰减。同时，石墨烯与半导体吸光材料所形成的异质结可实现光生载流子的有效分离，使得载流子寿命增大，进而导致器件增益和响应度的协同增加。
石墨烯与半导体吸光材料相复合，可有效抑制电子空穴对复合，但渡越时间仍然较长，限制了光电探测器性能。因此，寻找新的解决方法来缩短载流子渡越时间，对复合结构光电探测器的发展显得至关重要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器及其制备方法，通过构筑亚10纳米石墨烯导电沟道，激发石墨烯的高载流子迁移率特性，降低载流子渡越时间，从而获得高增益、高响应度的光电探测器。
本实用新型提供一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器，该器件从下往上依次包括：绝缘衬底；建立在所述绝缘衬底上的金属电极，该金属电极包括金属大电极和沟道电极，用于测试时探针接触的金属大电极与决定沟道线宽的沟道电极相连接；覆盖所述沟道电极的石墨烯导电沟道层；位于所述导电沟道上方的半导体吸光层。
进一步，所述绝缘衬底包括：带有二氧化硅层的硅片。
进一步，所述金属电极中的金属大电极包括：铬/金、铬/银、铬/铝，其中，铬位于绝缘衬底之上，金、银、铝薄膜位于铬之上。
进一步，所述铬的厚度为10nm，金、银、铝薄膜的厚度为100-150nm。
进一步，所述金属电极中的沟道电极材料包括：金、银。由于决定沟道线宽的电极间距在纳米尺度，从沟道加工的深宽比考虑，沟道电极的厚度需远小于外围金属大电极，同时考虑超薄金属膜的连续性问题，金、银的厚度为5-10nm。对此沟道电极进行图形化，实现亚10纳米的电极间距。
进一步，所述石墨烯导电沟道层的层数为1-3。
进一步，所述半导体吸光层包括：硫化镉、钙钛矿、硫化铅、硒化铅。
进一步，所述半导体吸光层中的硫化镉、钙钛矿、硫化铅、硒化铅的厚度为50-300nm。
本实用新型的基本原理为：光电探测器增益由载流子寿命和渡越时间共同决定(G＝Tlifetime/Ttransit)，响应度与增益正相关，由此可见，载流子寿命越高、渡越时间越短，器件增益和响应度越大。在石墨烯复合结构的基础上，构筑亚10纳米石墨烯导电沟道，一方面，复合结构可实现载流子的有效分离，避免电子和空穴的复合，实现载流子寿命的提升。另一方面，采用聚焦氦离子束方法构造出亚10纳米沟道，超短沟道有利于提升石墨烯载流子迁移率，并降低载流子渡越时间。通过载流子寿命和渡越时间的协同调控，获得高增益、高响应度的光电探测器。
本实用新型提出的超短沟道石墨烯光电探测器，结构简单，工艺重复性好，可实现并联结构，能够进行规模化生产，是一种极具实用性的光电探测器结构。
附图说明
图1为本实用新型实施例中光电探测器的三维结构图；
图2为本实用新型实施例中光电探测器的剖面图；
图3为本实用新型实施例中光电探测器的平面图。
具体实施方式
所举实施例是为了更好地对本实用新型进行说明，但并不是本实用新型的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述实用新型内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本实用新型的保护范围。
实施例1
本实用新型提出的超短沟道石墨烯光电探测器的结构如图1-3所示，从下往上依次包括：硅衬底1、二氧化硅绝缘层2、金属电极(包括金属大电极3和沟道电极4两部分)、石墨烯导电沟道层5、半导体吸光层6。本实施例中的绝缘衬底为覆盖有热氧化二氧化硅2的重掺杂P型硅1衬底。金属大电极3为铬/金薄膜，铬的厚度为10nm，金的厚度为100nm。沟道电极4为8nm厚的金，图形化后得到6纳米的电极间距。石墨烯导电沟道层5为单层薄膜。半导体吸光层为100nm厚的硒化铅。
制备硅/二氧化硅/铬/金/石墨烯/硒化铅光电探测器的主要工艺步骤包括：
(1)硅/二氧化硅衬底使用之前，分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗10分钟，然后用氮气吹干备用。
(2)通过电子束蒸镀制备铬/金，并基于双层胶剥离工艺对其进行结构化。首先旋涂双层光刻胶，曝光显影留下胶结构，然后蒸镀沉积铬/金薄膜，使用丙酮去除光刻胶，光刻胶表面的金属薄膜被一并剥离，最终形成金属大电极。
(3)采用溅射法制备金薄膜，基于pA级小束流聚焦氦离子束加工技术实现目标电极间距，最终形成沟道电极。
(4)在铜衬底上，使用化学气相沉积法制备单层石墨烯，通过PMMA将石墨烯从铜箔转移至硅/二氧化硅/金属目标衬底，石墨烯转移过程如下：将石墨烯切割成3cm x 3cm尺寸大小，用胶带粘贴到硅片上，将PMMA溶液旋涂至石墨烯表面，转速为4000RPM，随后在烘箱中100度烘烤10分钟。将上述旋涂有PMMA的石墨烯和铜箔从硅片上取下，先用氧等离子体刻蚀去除背面的石墨烯，然后用湿法腐蚀去除铜箔，以HCl+H2O2溶液(3:1)为刻蚀溶液，反应时间为3小时。溶铜完成后，利用去离子水反复漂洗，用硅/二氧化硅/金属目标衬底捞出石墨烯，放空气中自然晾干，再将其放入丙酮中去除PMMA胶，石墨烯转移完成。最后，采用双层胶工艺图形化石墨烯。
(5)配置浓度为10mg/ml的硒化铅溶液，在3000RPM转速下，通过旋转涂布法制备硒化铅吸光层，完成探测器制备。经测试，在3um入射光波长下，光电探测器的响应度达到102A/W。
实施例2
本实用新型提出的超短沟道石墨烯光电探测器的结构如图1-3所示，从下往上依次包括：硅衬底1、二氧化硅绝缘层2、金属电极(包括金属大电极3和沟道电极4两部分)、石墨烯导电沟道层5、半导体吸光层6。本实施例中的绝缘衬底为覆盖有热氧化二氧化硅2的重掺杂P型硅1衬底。金属大电极3为铬/金薄膜，铬的厚度为10nm，金的厚度为100nm。沟道电极4为8nm厚的金，图形化后得到6纳米的电极间距。石墨烯导电沟道层5为双层薄膜。半导体吸光层为100nm厚的硫化铅。
制备硅/二氧化硅/铬/金/石墨烯/硫化铅光电探测器的主要工艺步骤包括：
(1)硅/二氧化硅衬底使用之前，分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗10分钟，然后用氮气吹干备用。
(2)通过电子束蒸镀制备铬/金，并基于双层胶剥离工艺对其进行结构化。首先旋涂双层光刻胶，曝光显影留下胶结构，然后蒸镀沉积铬/金薄膜，使用丙酮去除光刻胶，光刻胶表面的金属薄膜被一并剥离，最终形成金属大电极。
(3)采用溅射法制备金薄膜，基于pA级小束流聚焦氦离子束加工技术实现目标电极间距，最终形成沟道电极。
(4)在铜衬底上，使用化学气相沉积法制备单层石墨烯，通过PMMA将石墨烯从铜箔转移至硅/二氧化硅/金属目标衬底，石墨烯转移过程如下：将石墨烯切割成3cm x 3cm尺寸大小，用胶带粘贴到硅片上，将PMMA溶液旋涂至石墨烯表面，转速为4000RPM，随后在烘箱中100度烘烤10分钟。将上述旋涂有PMMA的石墨烯和铜箔从硅片上取下，先用氧等离子体刻蚀去除背面的石墨烯，然后用湿法腐蚀去除铜箔，以HCl︰H2O2(3︰1)为刻蚀溶液，反应时间为3小时。溶铜完成后，利用去离子水反复漂洗，用硅/二氧化硅/金属目标衬底捞出石墨烯，放空气中自然晾干，再将其放入丙酮中去除PMMA胶。重复转移两次，得到双层石墨烯。最后，采用双层胶工艺图形化石墨烯。
(5)配置浓度为25mg/ml的硫化铅溶液，在3000RPM转速下，通过旋转涂布法制备硫化铅吸光层，完成探测器制备。经测试，在980nm入射光波长下，光电探测器的响应度达到107A/W。在1550nm入射光波长下，光电探测器的响应度达到103A/W。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于超短沟道石墨烯的光电探测器，其特征在于，该器件从下往上依次包括：绝缘衬底；建立在所述绝缘衬底上的金属电极，该金属电极包括金属大电极和亚10纳米沟道电极，用于测试时探针接触的金属大电极与决定沟道线宽的沟道电极相连接；覆盖所述沟道电极的石墨烯导电沟道层；位于所述导电沟道上方的半导体吸光层。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述绝缘衬底包括：带有二氧化硅层的硅片。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述金属电极中的金属大电极包括：铬/金、铬/银、铬/铝。
4.根据权利要求3所述的光电探测器，其特征在于，所述铬位于绝缘衬底之上，金、银、铝薄膜位于铬之上。
5.根据权利要求3所述的光电探测器，其特征在于，所述金属电极中的金属大电极中铬的厚度为10nm，金、银、铝薄膜的厚度为100-150nm。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述金属电极中的亚10纳米沟道电极材料包括：金、银。
7.根据权利要求6所述的光电探测器，其特征在于，所述金、银的厚度为5-10nm，对此沟道电极进行图形化，实现亚10纳米的电极间距。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述石墨烯导电沟道层的层数为1-3。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述半导体吸光层包括：硫化镉、钙钛矿、硫化铅、硒化铅。
10.根据权利要求9所述的光电探测器，其特征在于，所述半导体吸光层中的硫化镉、钙钛矿、硫化铅、硒化铅的厚度为50-300nm。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112928213A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-08 | 电子科技大学 | 一种超高灵敏度的近红外晶体管光电探测器及其制备方法 |
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2020
- 2020-01-13 CN CN202020060794.1U patent/CN211480068U/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN112928213A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-06-08 | 电子科技大学 | 一种超高灵敏度的近红外晶体管光电探测器及其制备方法 |
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