本發(fā)明屬于光電探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電探測器件結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種以氟化氮摻雜石墨烯為感光材料，氮摻雜石墨烯/氟化氮摻雜石墨烯/氮摻雜石墨烯(msm)結(jié)構(gòu)的紫外雪崩光電探測器(apd)及制備方法。

背景技術(shù)：

氮摻雜石墨烯是由單層sp2雜化碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維平面晶體薄膜，具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性能。與普通金屬不同，氮摻雜石墨烯是一種具有透明和柔性的新型二維導(dǎo)電材料。氮摻雜石墨烯和半導(dǎo)體接觸可以形成肖特基結(jié)，制備工藝簡單，在光電探測領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

氟化氮摻雜石墨烯是氮摻雜石墨烯的衍生物，利用氟化氙(xef2)，六氟化硫(sf6)和八氟環(huán)丁烷(c4f8)等含氟氣體對氮摻雜石墨烯進(jìn)行氟化，可以制備氟化氮摻雜石墨烯。通過改變氮摻雜石墨烯的氟化率，可以將氮摻雜石墨烯由導(dǎo)體變?yōu)榘雽?dǎo)體或者絕緣體。氮摻雜石墨烯氟化后禁帶寬度可從0.0ev增加到3.0ev。氟化氮摻雜石墨烯是一種寬禁帶半導(dǎo)體，可以吸收紫外光而透過可光，適合作為紫外光電探測器的感光材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器及制備方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器，包括襯底、金屬電極、氮摻雜石墨烯叉指電極和氟化氮摻雜石墨烯；其中，所述襯底的上表面兩側(cè)分別覆蓋一金屬電極；在兩個金屬電極之間的襯底的上表面、兩個金屬電極的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋氮摻雜石墨烯叉指電極，金屬電極上表面的氮摻雜石墨烯 叉指電極的兩翼的覆蓋范圍小于金屬電極的邊界；在兩個金屬電極之間的襯底和氮摻雜石墨烯叉指電極的上表面覆蓋氟化氮摻雜石墨烯。

進(jìn)一步地，所述的襯底為絕緣材料，選自二氧化硅、云母、pdms或pi。

進(jìn)一步地，所述的金屬電極是金屬薄膜電極，材料為鋁、金或金鉻合金。

進(jìn)一步地，所述的氮摻雜石墨烯叉指電極為單層或多層氮摻雜石墨烯，形狀為叉指。

進(jìn)一步地，所述的氟化氮摻雜石墨烯為單層或多層氟化氮摻雜石墨烯。

制備上述以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的方法，包括以下步驟：

(1)采用二氧化硅或云母作為絕緣的襯底，或者在硅襯底上旋涂pdms或pi形成均勻的薄膜，加熱讓其固化，形成柔性的襯底；

(2)在襯底表面光刻出金屬電極圖形，然后采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，首先生長厚度約為5nm和的cr黏附層，然后生長50nm的au電極；

(3)氮摻雜石墨烯薄膜的制備：采用化學(xué)氣相沉積方法在銅箔基底上制備氮摻雜石墨烯薄膜；

(4)在兩個金屬電極之間的襯底的上表面、兩個金屬電極的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋氮摻雜石墨烯薄膜；其中，氮摻雜石墨烯的轉(zhuǎn)移方法為：將帶有銅箔基底的氮摻雜石墨烯薄膜表面均勻涂覆一層聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蝕溶液中4h腐蝕去除銅箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撐的氮摻雜石墨烯薄膜；將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜支撐的氮摻雜石墨烯薄膜用去離子水清洗后轉(zhuǎn)移到兩個金屬電極之間的襯底的上表面、兩個金屬電極的上表面和內(nèi)側(cè)壁上；最后用丙酮和異丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蝕溶液由cuso4、hcl和水組成，cuso4∶hcl∶h2o＝10g∶50ml∶50ml；

(5)對步驟(4)中轉(zhuǎn)移的氮摻雜石墨烯薄膜光刻出叉指電極圖形，將光刻好的氮摻雜石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)真空腔室，通入氧氣對氮摻雜石墨烯薄膜進(jìn)行刻蝕，獲得氮摻雜石墨烯叉指電極；

(6)氟化氮摻雜石墨烯的制備和轉(zhuǎn)移方法，具體方法如下：

(a)將帶有銅箔基底的氮摻雜石墨烯薄膜進(jìn)行氟化：將氮摻雜石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)的真空腔室中，采用六氟化硫等離子體對氮摻雜石墨烯薄膜表面進(jìn)行氟化，形成氟化氮摻雜石墨烯；

(b)將步驟(a)中形成的氟化氮摻雜石墨烯轉(zhuǎn)移至兩個金屬電極之間的襯底和叉指電極的上表面；其中，氟化氮摻雜石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法與步驟(4)中氮摻雜石墨烯的轉(zhuǎn)移方法相同。

(7)當(dāng)采用柔性的襯底時，揭下制備有氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的pdms或者pi。

本發(fā)明采用寬禁帶的氟化氮摻雜石墨烯作為感光材料，吸收紫外光，過濾可見光，實(shí)現(xiàn)紫外探測；氮摻雜石墨烯作為柔性透明電極和有源層，氮摻雜石墨烯與氟化氮摻雜石墨烯接觸可以形成肖特基結(jié)，氮摻雜石墨烯電極是透明的，可以增強(qiáng)氟化氮摻雜石墨烯對紫外光的吸收；氟化氮摻雜石墨烯的電阻可達(dá)1tω以上，大大降低暗電流。以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層，氮摻雜石墨烯為透明電極的二維紫外雪崩光電探測器將在柔性器件中有廣泛應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、紫外光入射到以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器表面，被氮摻雜石墨烯和氟化氮摻雜石墨烯吸收。較大反向偏壓加到器件兩端，產(chǎn)生的光生載流子(空穴電子對)在apd光二極管表面高電場作用下高速運(yùn)動，在運(yùn)動過程中通過碰撞電離效應(yīng)，產(chǎn)生數(shù)量為初始電子空穴對的幾十倍二次、三次新空穴電子對，從而形成很大的光信號電流，具有很高的增益。

2、氮摻雜石墨烯和氟化氮摻雜石墨烯形成肖特基淺結(jié)，入射紫外光容易被吸收，產(chǎn)生的電子空穴很快被內(nèi)部電場分離。在紫外光區(qū)域，量子效率很高。

3、氮摻雜石墨烯作為透明電極，增強(qiáng)入射光吸收，提高光生電流，具有很高的光學(xué)響應(yīng)。

4、叉指狀的氮摻雜石墨烯電極之間可以形成很強(qiáng)的電場，更容易產(chǎn)生 雪崩效應(yīng)，降低能耗；相鄰電極之間距離小，氮摻雜石墨烯的載流子遷移率很大，可以提高器件的時間響應(yīng)。

5、氟化氮摻雜石墨烯的電阻很高，大大降低暗電流，具有很高的開關(guān)比。

6、本發(fā)明提供的以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器所用材料以氮摻雜石墨烯為基本材料，制備過程簡單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)柔性光電探測器。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1示出了以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明中實(shí)施例所制備的msmapd紫光電探測器的氮摻雜石墨烯叉指電極光學(xué)顯微鏡圖；

圖中，1-襯底、2-金屬電極、3-氮摻雜石墨烯叉指電極、4-氟化氮摻雜石墨烯。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提供的以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的工作原理如下：

氮摻雜石墨烯與氟化氮摻雜石墨烯接觸形成肖特基結(jié)，相鄰氮摻雜石 墨烯叉指電極與氟化氮摻雜石墨烯形成兩個背靠背的肖特基結(jié)。兩端電極加偏壓后，一個肖特基結(jié)正向偏置，另一個肖特基結(jié)反向偏置。當(dāng)入射紫外光照射到氮摻雜石墨烯/氟化氮摻雜石墨烯界面，氮摻雜石墨烯和氟化氮摻雜石墨烯吸收入射紫外光并產(chǎn)生電子-空穴對。在電場作用下，空穴流向正電極，電子流向負(fù)電極，形成光生電流。叉指狀的氮摻雜石墨烯電極之間可以形成很強(qiáng)的電場，光生載流子高速運(yùn)動，與氟化氮摻雜石墨烯中的原子產(chǎn)生碰撞離子化，更容易產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部增益，降低能耗。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方法作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器，包括襯底1、金屬電極2、氮摻雜石墨烯叉指電極3和氟化氮摻雜石墨烯4；其中，所述襯底1的上表面兩側(cè)分別覆蓋一金屬電極2；在兩個金屬電極2之間的襯底1的上表面、兩個金屬電極2的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋氮摻雜石墨烯叉指電極3，金屬電極2上表面的氮摻雜石墨烯叉指電極3的兩翼的覆蓋范圍小于金屬電極2的邊界；在兩個金屬電極2之間的襯底1和氮摻雜石墨烯叉指電極3的上表面覆蓋氟化氮摻雜石墨烯4。

制作以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的方法，包括以下步驟：

(1)采用二氧化硅或云母作為絕緣的襯底1，或者在硅襯底上旋涂pdms或pi形成均勻的薄膜，加熱讓其固化，形成柔性的襯底1；

(2)在襯底1表面光刻出金屬電極2圖形，然后采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，首先生長厚度約為5nm和的cr黏附層，然后生長50nm的au電極；

(3)氮摻雜石墨烯薄膜的制備：采用化學(xué)氣相沉積方法(cvd)在銅箔基底上制備氮摻雜石墨烯薄膜；

(4)在兩個金屬電極2之間的襯底1的上表面、兩個金屬電極2的上表面和內(nèi)側(cè)壁上覆蓋氮摻雜石墨烯薄膜；其中，氮摻雜石墨烯的轉(zhuǎn)移方法為：將帶有銅箔基底的氮摻雜石墨烯薄膜表面均勻涂覆一層聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)薄膜，然后放入刻蝕溶液中4h腐蝕去除銅箔，留下由pmma支撐的氮摻雜石墨烯薄膜；將pmma支撐的氮摻雜石墨烯薄膜用去離子水清洗后轉(zhuǎn)移到兩個金屬電極2之間的襯底1的上表面、兩個金屬電極2的上表 面和內(nèi)側(cè)壁上；最后用丙酮和異丙醇去除pmma；其中，所述刻蝕溶液由cuso4、hcl和水組成，cuso4∶hcl∶h2o＝10g∶50ml∶50ml；

(5)對步驟(4)中轉(zhuǎn)移的氮摻雜石墨烯薄膜光刻出叉指電極圖形，將光刻好的氮摻雜石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)真空腔室，通入氧氣(o2)對氮摻雜石墨烯薄膜進(jìn)行刻蝕，獲得氮摻雜石墨烯叉指電極3；

(6)氟化氮摻雜石墨烯4的制備和轉(zhuǎn)移方法，具體方法如下：

(a)將帶有銅箔基底的氮摻雜石墨烯薄膜進(jìn)行氟化：將氮摻雜石墨烯薄膜放入反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)的真空腔室中，采用六氟化硫(sf6)等離子體對氮摻雜石墨烯薄膜表面進(jìn)行氟化，形成氟化氮摻雜石墨烯4；

(b)將步驟(a)中形成的氟化氮摻雜石墨烯4轉(zhuǎn)移至兩個金屬電極2之間的襯底1和叉指電極3的上表面；其中，氟化氮摻雜石墨烯薄膜4的轉(zhuǎn)移方法與步驟(4)中氮摻雜石墨烯的轉(zhuǎn)移方法相同。

(7)當(dāng)采用柔性的襯底1時，揭下制備有氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器的pdms或者pi。

對上述以氟化氮摻雜石墨烯為吸收層的紫外雪崩光電探測器加偏壓，使其可以產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)增益。其中電壓的正極和負(fù)極分別連接到兩個金屬電極2上，如圖1所示。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所制備的氮摻雜石墨烯叉指電極光學(xué)顯微鏡圖片。每根氮摻雜石墨烯叉指電極是連續(xù)的，相鄰氮摻雜石墨烯叉指電極是斷開的。通過本實(shí)施例可以獲得較高質(zhì)量的氮摻雜石墨烯叉指電極。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。