基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光探測器領(lǐng)域，具體的涉及一種基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]對光探測器而言，光探測器的探測帶寬和響應(yīng)速度是衡量其性能的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的基于IV族和II1-V族半導(dǎo)體(例如硅和砷化鎵)的光探測器的波譜范圍和探測帶寬受到其能帶和載流子渡越時間的限制，因此難以實現(xiàn)超快寬帶吸收的光探測器，不適用于某些對器件性能要求更加嚴(yán)格的應(yīng)用場合，如超快寬帶數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。另一方面，隨著對器件集成度的要求的提高，器件尺寸需要不斷減小，傳統(tǒng)基于IV族和II1-V族半導(dǎo)體的器件尺寸已經(jīng)接近其極限。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型提供了一種基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測器，旨在保證器件具有快速寬帶響應(yīng)特性，同時采用橫向光電導(dǎo)探測結(jié)構(gòu)，可以提高器件的單片集成度。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]一種基于石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料的光探測器，包括一覆蓋有二氧化硅的硅襯底，所述硅襯底可以充當(dāng)柵電極，也可以由其覆蓋的二氧化硅充當(dāng)柵介質(zhì)層，所述硅襯底上表面的中部設(shè)有石墨烯導(dǎo)電層，所述石墨烯導(dǎo)電層上表面的中部分布有若干納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層，所述石墨烯導(dǎo)電層與所述納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述石墨烯導(dǎo)電層上表面的左右兩端分別設(shè)有第一電極層和第二電極層；所述硅襯底的最上方設(shè)有一鈍化層，所述鈍化層將所述石墨烯導(dǎo)電層、所述納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層、所述第一電極層和所述第二電極層全部覆蓋；位于所述第一電極層和所述第二電極層上方的所述鈍化層上經(jīng)光刻和刻蝕分別形成電極的第一接觸孔和第二接觸孔，所述第一接觸孔和所述第二接觸孔上分別淀積有第一金屬引出電極和第二金屬引出電極。
[0006]進一步的，所述石墨烯導(dǎo)電層為單層或數(shù)層石墨烯。
[0007]進一步的，所述納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層為CH3NH3PbBr3、CH3NH3PbI3或CH3NH3PbI(3-X)ClX的感光層；所述納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層的厚度為5-300納米；所述納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物媽鈦礦材料層的納米結(jié)構(gòu)包括納米顆粒、納米線或納米片。
[0008]進一步的，所述第一電極層和所述第二電極層的厚度為100-300納米，其形狀為條狀或叉指狀。
[0009]進一步的，所述第一電極層和所述第二電極層為金屬材料，所述的金屬材料包括鉻、鈦、鋁或金；或所述第一電極層和所述第二電極層為透明導(dǎo)電材料，所述的透明導(dǎo)電材料包括氧化銦錫(ITO)或氧化鋅鋁(AZO);所述第一電極層和所述第二電極層可以為相同材料，也可以為不同材料。
[0010]進一步的，所述鈍化層為六方氮化硼(hBN)層，其厚度為100-300納米。
[0011]本實用新型還提供了該種光探測器的制備方法，包括以下步驟:
[0012]步驟I)選用二氧化硅覆蓋的硅襯底作為襯底，在所述硅襯底上覆蓋一層石墨烯導(dǎo)電層，所述石墨烯導(dǎo)電層為單層或數(shù)層石墨烯；
[0013]步驟2)在所述石墨烯導(dǎo)電層的中部制備一層厚度為5-300納米的納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層，此時，所述石墨烯導(dǎo)電層與所述納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；
[0014]步驟3)在所述石墨稀導(dǎo)電層的兩端各淀積一層100?300納米厚的第一電極層和第二電極層，此時所述第一電極層和所述第二電極層與所述石墨烯導(dǎo)電層有一定的交疊；
[0015]步驟4)在所述石墨稀導(dǎo)電層上用化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長一層100-300納米厚度的透明的鈍化層，所述鈍化層將所述石墨烯導(dǎo)電層、所述納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層、所述第一電極層和所述第二電極層全部覆蓋；
[0016]步驟5)在所述第一電極層和所述第二電極層上方的所述鈍化層上光刻和刻蝕形成電極的第一接觸孔和第二接觸孔；
[0017]步驟6)在所述第一接觸孔和所述第二接觸孔上分別用磁控濺射方法淀積一層100-300納米厚的金屬導(dǎo)電膜，然后通過光刻和刻蝕的方法制成電極層的第一金屬引出電極、第二金屬引出電極及相應(yīng)的互連線。
[0018]進一步的，步驟I中，所述石墨烯導(dǎo)電層通過機械剝離法或化學(xué)氣相沉積法(CVD)直接生長到所述硅襯底上，或通過轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移到所述硅襯底的目標(biāo)區(qū)域上，然后通過光刻和刻蝕形成石墨烯的納米帶狀結(jié)構(gòu)。
[0019]進一步的，步驟2中，所述納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層通過溶液旋涂法、溶液自組裝法或化學(xué)氣相沉積法(CVD)直接在所述石墨烯導(dǎo)電層上制備。
[0020]所述納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層可以選擇不同的納米結(jié)構(gòu)以及納米結(jié)構(gòu)的分布方式來實現(xiàn)最佳的量子效率，還可以通過選擇合適的鈣鈦礦組份來調(diào)控光譜響應(yīng)范圍以及器件的穩(wěn)定性，來滿足不同的實用要求。同時，還可以通過在所述硅襯底上施加電壓控制異質(zhì)結(jié)內(nèi)的能帶特性，大大提高光探測器的響應(yīng)度。
[0021]進一步的，步驟3中，所述金屬鉻膜通過磁控濺射、電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)的方法淀積在所述石墨烯導(dǎo)電層上。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0023]本實用新型采用石墨烯與納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦作為溝道材料，制備出平面結(jié)構(gòu)的光電導(dǎo)型光探測器。二維層狀原子晶體材料通常體現(xiàn)出其相應(yīng)的晶體材料中所沒有的性質(zhì)。以石墨烯為代表，其體現(xiàn)出獨特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)和近彈道輸運的電學(xué)性質(zhì)，直接采用石墨烯構(gòu)建的光電探測器與傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電探測器相比，具有探測波譜范圍寬、超快響應(yīng)速度和高截止頻率的工作特性，然而其缺陷在于器件的光響應(yīng)度低，光生載流子的提取難。而有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料，典型的代表如CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3，為直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有一定的能帶帶隙和很高的載流子迀移率，并且在可見光區(qū)具有很強的光吸收特性，據(jù)研宄300納米厚的CH3NH3PbI3可以吸收95%以上的可見光。
[0024]此外，鈣鈦礦層可以采用溶液法制備，通過控制不同條件來實現(xiàn)不同納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦吸光層。由于納米材料特具有特殊的量子效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦層能夠極大的提高光探測的量子效率。因此，采用石墨烯/納米結(jié)構(gòu)鈣鈦礦材料成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，能夠充分結(jié)合石墨烯高電子迀移率和半導(dǎo)體鈣鈦礦材料高吸光性。本實用新型的光電導(dǎo)型光探測器，一方面可以大幅度地提高光生載流子產(chǎn)生，分離以及提取，另一方面利用鈣鈦礦材料強的光吸收特性可以大幅度提高器件響應(yīng)度，同時，還可以采用不同組分以及不同納米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦材料，調(diào)控探測器的探測波譜范圍，增加探測器的量子效率。
[0025]從應(yīng)用角度而言，本實用新型的制備方法構(gòu)建光探測器件的技術(shù)與當(dāng)前的硅電子工藝平臺相比具有良好的兼容性，并且制備工藝簡單，器件成功率高，因此具有實現(xiàn)快速、寬帶響應(yīng)、寬光譜光探測的極大潛力。其納米尺度的器件尺寸，還有有利于提高器件的集成度。
[0026]上述說明僅是本實用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳細說明。本實用新型的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。
【附圖說明】
[0027]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0028]圖1是本實用新型硅襯底上覆蓋墨烯導(dǎo)電層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是本實用新型墨烯導(dǎo)電層上覆蓋納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3是本實用新型墨烯導(dǎo)電層上覆蓋電極層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4是本實用新型硅襯底最上方覆蓋鈍化層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5是本實用新型鈍化層上形成電極的接觸孔后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖6是本實用新型接觸孔上積淀金屬引出電極后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖7是本實用新型納米結(jié)構(gòu)有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料層為鈣鈦礦納米顆粒時的掃描電子顯微鏡照片；