一種基于石墨烯平面結(jié)的光電探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于石墨烯平面結(jié)的光電探測器，包括襯底，所述襯底表面兩端各設(shè)置一個(gè)金屬電極，所述金屬電極之間連接有石墨烯整體條帶，所述石墨烯整體條帶一端為寬條帶部，一端為窄條帶部。發(fā)明提出的石墨烯平面結(jié)型光電探測器，利用不同寬度石墨烯條帶能帶結(jié)構(gòu)的差異，引起寬窄條帶塞貝克系數(shù)的差異，從而基于光熱電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)零偏壓光電探測。本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)和工藝流程簡單，避免了冗繁的石墨烯化學(xué)摻雜工藝，并可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)提高光響應(yīng)度；基于石墨烯的紅外吸收特性，本發(fā)明提供的光電探測器可用于中遠(yuǎn)紅外和太赫茲光電探測，是一種極具實(shí)用性的光電探測器結(jié)構(gòu)。
【專利說明】
一種基于石墨烯平面結(jié)的光電探測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬光電探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于石墨烯平面結(jié)的光電探測器。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是一種新興的二維原子晶體材料，其超寬的光吸收波段和超快的載流子迀 移率，以及對硅基集成電路工藝的兼容性，使得石墨烯材料特別適用于光電探測器制作。目 前基于石墨烯材料的光電探測器已經(jīng)在寬波段探測和超快光電探測器方面取得了顯著的 進(jìn)展。
[0003] 目前，基于石墨烯的光電探測器主要基于光電導(dǎo)型、內(nèi)建電場光伏型、光熱電型和 測福射熱計(jì)型（參見Koppens F.H.L.et al.，"Photodetectors based on graphene,other two-dimensional materials and hybrid systems"，Nature Nanotechnology，9，780， 2014)。光電導(dǎo)型石墨烯光電探測器主要面臨暗電流大的問題，內(nèi)建電場光伏型由于石墨烯 的單層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致內(nèi)建電場作用范圍有限。在專利方面，已經(jīng)公開的專利以光電導(dǎo)型和內(nèi)建 電場光伏型為主，基于光熱電型和測輻射熱計(jì)型的較少。楊盛誼等人于2011年申請的專利 "一種基于膠體量子點(diǎn)及石墨烯為光電極的光電探測器及其制備方法"201110237300.8,就 公開了一種量子點(diǎn)增強(qiáng)吸收的石墨烯光電導(dǎo)型光電探測器，其特點(diǎn)在于量子點(diǎn)的加入大大 增強(qiáng)了石墨烯的光吸收，同時(shí)利用光調(diào)制效應(yīng)增加光電流，實(shí)現(xiàn)較高的光響應(yīng)度，但是由于 石墨烯薄膜的半金屬特性，此結(jié)構(gòu)的石墨烯存在暗電流較大的問題。周大華等人于2015年 申請的專利"基于石墨烯薄膜的光電探測器及其制備方法"201510825269.8,公開了一種基 于石墨烯背柵晶體管的光伏型石墨烯光電探測器，利用金屬-石墨烯接觸的內(nèi)建電場，實(shí)現(xiàn) 光生載流子分離，但是由于金屬接觸區(qū)域的局限性，此結(jié)構(gòu)的光電探測探測效率較低，光響 應(yīng)度受到較大限制。
[0004] 近期的研究表明，光熱電型光電探測器是石墨烯光電探測各項(xiàng)機(jī)理中占主導(dǎo)作 用。然而，目前觀察到的光熱電現(xiàn)象主要基于單層-雙層石墨烯界面(參見Xu X.D.et al.， "Photo-Thermoelectric Effect at a Graphene Interface Junction"，Nano Letters, 10,562,2010)、頂柵背柵同時(shí)調(diào)制的雙柵器件（參見6&13(^111.6七 &1.，"11(^〇&燈16廣 Assisted Intrinsic Photoresponse in Graphene"，Science，4，334，2011)等復(fù)雜結(jié)構(gòu) 中，不利于光電探測器的應(yīng)用開發(fā)。
[0005] 總的來說，石墨烯的特殊能帶結(jié)構(gòu)使其成為很有希望的光電探測器材料，但是目 前的石墨烯光電探測器結(jié)構(gòu)普遍存在暗電流偏大、效率較低等問題，一種工藝簡單，具有實(shí) 際工藝操作性的光熱電型石墨烯光電探測器結(jié)構(gòu)具有重大的潛力需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯平面結(jié)的光電探測器，基于不同寬度石墨 烯材料能帶結(jié)構(gòu)差異引起的光熱電效應(yīng)，在平面結(jié)附近形成一定的光電壓和光電流，實(shí)現(xiàn) 零偏壓光信號探測。
[0007] 本發(fā)明的基于石墨烯平面結(jié)的光電探測器，包括襯底，所述襯底表面兩端各設(shè)置 一個(gè)金屬電極，所述金屬電極之間連接有石墨烯整體條帶，所述石墨烯整體條帶一端為寬 條帶部，一端為窄條帶部，所述石墨烯整體條帶的最大寬度小于100納米。
[0008] 作為優(yōu)選，所述石墨烯整體條帶為一條，或者平行設(shè)置的多條。
[0009] 作為優(yōu)選，所述襯底為絕緣襯底，或者所述襯底為覆蓋有一層絕緣層的非絕緣襯 底。
[0010] 作為優(yōu)選，所述襯底設(shè)置有凹槽，所述石墨烯整體條帶懸空于凹槽之上。
[0011]作為優(yōu)選，所述石墨烯整體條帶為單層或雙層。
[0012] 作為優(yōu)選，所述金屬電極包括但不限于金、鉻、鈦、鈀、鋁、鈧或銀。
[0013] 本發(fā)明還提供一種基于石墨烯平面結(jié)的光電探測器的制備方法，其特征在于，包 括以下步驟：
[0014] (1)襯底準(zhǔn)備:所述襯底為絕緣襯底或者覆蓋有一層絕緣層的非絕緣襯底；
[0015] (2)制備石墨烯薄膜并轉(zhuǎn)移至襯底上；
[0016] (3)在石墨烯薄膜表面沉積金屬形成金屬電極；
[0017] (4)刻蝕石墨烯薄膜形成石墨烯條帶；
[0018] (5)利用微納加工技術(shù)，使石墨烯條帶形成寬條帶部和窄條帶部。
[0019] 作為優(yōu)選，步驟(1)還包括通過刻蝕技術(shù)在襯底上形成凹槽。
[0020] 作為優(yōu)選，步驟(2)所述石墨烯薄膜的制備方法包括利用化學(xué)氣相沉積生長石墨 烯薄膜，基底采用表面平整的銅箱。
[0021] 作為優(yōu)選，步驟(2)石墨烯的轉(zhuǎn)移為濕法轉(zhuǎn)移;轉(zhuǎn)移可一次或兩次。
[0022] 作為優(yōu)選，步驟(3)利用光刻技術(shù)在底層石墨烯表面進(jìn)行電極圖形化，通過鍍膜機(jī) 沉積金屬并結(jié)合剝離工藝，形成金屬電極。
[0023] 作為優(yōu)選，步驟(4)利用光刻和氧等離子體刻蝕技術(shù)，形成石墨烯條帶，然后去除 光刻膠。
[0024] 作為優(yōu)選，步驟(5)利用微納加工技術(shù)，形成不同寬度的石墨烯條帶?？梢圆捎玫?不限于聚焦氦離子束加工技術(shù)。
[0025] 本發(fā)明提供的石墨烯平面結(jié)的光電探測器，其主要原理是，通過不同寬度的石墨 烯條帶形成能帶結(jié)構(gòu)不同的石墨烯平面結(jié)兩端器件，利用平面結(jié)作為核心光敏結(jié)構(gòu)，基于 平面結(jié)兩端能帶差異引起的塞貝克系數(shù)差異，通過光熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電探測，如圖1所示。 基于光熱電效應(yīng)的器件光電流由下式?jīng)Q定：
[0027]可見，結(jié)附近的塞貝克系數(shù)之差Si-Ss是光電流產(chǎn)生的決定因素，而石墨烯材料的 塞貝克系數(shù)與能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對于小于1〇〇納米的石墨烯條帶，能帶結(jié)構(gòu)隨著石墨烯條 帶的寬度而變化，從而引起塞貝克系數(shù)的變化。此外，從上面的公式可以看出，結(jié)兩端材料 的溫度差對于可探測光電流的大小有重要影響，而加入懸空結(jié)構(gòu)可以大大增加結(jié)兩端石墨 烯條帶的溫度差，有利于提高探測器可響應(yīng)的光電流水平。同時(shí)，由于寬度小于100納米的 石墨烯條帶將會(huì)形成一定的禁帶寬度，避免了石墨烯薄膜半金屬特性帶來的較大的暗電 流，所以石墨烯條帶的引入對暗電流產(chǎn)生抑制作用。
[0028]本發(fā)明提出的石墨烯平面結(jié)型光電探測器，避免了冗繁的石墨烯化學(xué)摻雜工藝， 利用能帶結(jié)構(gòu)的差異形成平面結(jié)，可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)提高光響應(yīng)度，結(jié)構(gòu)簡單是一種極具實(shí) 用性的光電探測器結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明石墨烯平面結(jié)光熱電效應(yīng)原理圖
[0030] 圖2是本發(fā)明石墨烯平面結(jié)光電探測器的平面圖
[0031] 圖3是本發(fā)明石墨烯平面結(jié)光電探測器的剖面圖
[0032] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的石墨烯平面結(jié)陣列的平面圖 [0033] 附圖標(biāo)記說明
[0034] 1 石墨烯整體條帶的寬條帶部
[0035] 2 石墨烯整體條帶的窄條帶部
[0036] 3,4金屬電極
[0037] 5 凹槽
[0038] 6 襯底 具體實(shí)施例
[0039]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0040]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明提出的石墨烯平面結(jié)型光電探測器，如圖2-4所示。 主要工藝步驟包括：
[0041] 1、襯底6準(zhǔn)備。襯底6為絕緣襯底或者具有一層絕緣層的非絕緣襯底。在本實(shí)施例 中，采用覆蓋有熱氧化二氧化硅的重?fù)诫sP型硅襯底。襯底6在使用前，利用SC1+SC2溶液方 式清洗。優(yōu)選在襯底6上形成凹槽5:采用光刻+濕法腐蝕工藝，利用稀釋的HF酸(HF飽和溶 液:H20=10:l)刻蝕掉凹槽5區(qū)域硅片表面的部分氧化硅，形成凹槽5,之后用丙酮去除光刻 膠，其中凹槽5深度為20納米~200納米；
[0042] 2、石墨烯生長。利用化學(xué)氣相沉積儀生長石墨烯薄膜，基底采用表面較為平整的 銅箱，原料為分析純乙醇。在高溫作用下，乙醇中的碳原子通過在銅襯底上吸附、迀移等過 程后沉積在襯底表面形成石墨烯薄膜。最終獲得的石墨烯薄膜層數(shù)控制在1~2層。
[0043] 3、石墨烯轉(zhuǎn)移。利用PMMA膠有機(jī)光刻膠作為支撐體，將石墨烯從銅箱上轉(zhuǎn)移到硅 片表面。將石墨稀切割成大約所需尺寸(在本實(shí)施例中，可選3cm*3cm)，用膠布粘貼到硬質(zhì) 襯底上，比如硅片上，然后將PMMA溶液旋涂至石墨烯表面，轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)~4000轉(zhuǎn)，隨后在 烘箱中100度烘烤10分鐘。將上述旋涂有PMMA的石墨烯和銅箱從硬質(zhì)襯底上取下后，先利用 氧等離子刻蝕去除背面的石墨烯，然后用濕法腐蝕去除銅箱，以FeCl 3+HCl溶液（1:1)為刻 蝕溶液，反應(yīng)時(shí)間為3小時(shí)~12小時(shí)。溶銅完成后，利用去離子水反復(fù)漂洗，然后將帶有PMMA 的石墨烯放置到硅片襯底上，等待半小時(shí)左右，然后100度后烘10分鐘，再將硅片進(jìn)入丙酮 溶液去除PMMA膠，石墨烯轉(zhuǎn)移完成。
[0044] 4、金屬電極3，4。金屬電極采用光刻+剝離的方式制備，金屬電極可采用熱蒸鍍或 者電子束蒸鍍制備。在本實(shí)施例中，采用Cr+Au組合，厚度分別為5納米+45納米。
[0045] 5、石墨烯條帶化。此工步主要實(shí)現(xiàn)微米級的石墨烯條帶化，基于光刻+反應(yīng)離子刻 蝕的方式加工。
[0046] 6、平面結(jié)制備。此工步可以但不限于物理或者化學(xué)刻蝕方式，在此實(shí)施例中，利用 聚焦氦離子束實(shí)現(xiàn)小于1〇〇納米的不同寬度石墨烯條帶，即寬條帶部1和窄條帶部2。
[0047] 為了增大光電流信號，提高探測水平，本發(fā)明的平面結(jié)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)平面結(jié)陣列， 如圖4所示，具體工藝步驟與上述實(shí)施例完全一致。
[0048]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖 然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更 動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的 技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的 范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于石墨烯平面結(jié)的光電探測器，其特征在于，包括襯底，所述襯底表面兩端各 設(shè)置一個(gè)金屬電極，所述金屬電極之間連接有石墨烯整體條帶，所述石墨烯整體條帶一端 為寬條帶部，一端為窄條帶部，所述石墨烯整體條帶的最大寬度小于100納米。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電探測器，其特征在于，所述石墨烯整體條帶為一條，或者 平行設(shè)置的多條平面結(jié)陣列。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電探測器，其特征在于，所述襯底為絕緣襯底，或者所述 襯底為覆蓋有一層絕緣層的非絕緣襯底。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電探測器，其特征在于，所述襯底設(shè)置有凹槽，所述石墨 烯整體條帶懸空于凹槽之上。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電探測器，其特征在于，所述石墨烯整體條帶為單層或 雙層。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電探測器，其特征在于，所述金屬電極包括但不限于： 金、絡(luò)、欽、韋巴、錯(cuò)、銳、銀。7. -種基于石墨烯平面結(jié)的光電探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 襯底準(zhǔn)備:所述襯底為襯底絕緣或者覆蓋有一層絕緣層的非絕緣襯底； (2) 制備石墨烯薄膜并轉(zhuǎn)移至襯底上； (3) 在石墨稀薄膜表面沉積金屬形成金屬電極；（4)刻蝕石墨稀薄膜形成石墨稀條帶； (5)利用微納加工技術(shù)，使石墨烯條帶形成寬條帶部和窄條帶部。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述光電探測器的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述石墨烯薄膜 的制備方法包括利用化學(xué)氣相沉積生長石墨烯薄膜，基底采用表面平整的銅箱；以PMMA膠 作為支撐體將銅箱上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到已經(jīng)刻蝕好凹槽的襯底上。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述光電探測器的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)包括:利 用光刻和氧等離子體刻蝕技術(shù)，形成石墨烯條帶，然后用去除光刻膠。10. 據(jù)權(quán)利要求7或8所述光電探測器的制備方法，其特征在于，步驟(6)所述的微納加 工技術(shù)，采用但不限于聚焦氦離子束加工技術(shù)。
【文檔編號】H01L35/34GK105957955SQ201610566510
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月19日
【發(fā)明人】申鈞, 魏興戰(zhàn), 馮雙龍, 魏大鵬, 楊俊 , 周大華, 史浩飛, 杜春雷
【申請人】中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院