一種提高石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器開關(guān)比的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與測(cè)試，具體是指利用石墨烯與InAs納米線功函數(shù)的差異，引入石墨烯與InAs納米線肖特基勢(shì)皇，利用柵極調(diào)控石墨稀的費(fèi)米能級(jí)，從而調(diào)節(jié)肖特基勢(shì)皇的尚度，有效抑制石墨稀與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的暗電流，提尚開關(guān)比。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的新材料，其中碳原子以Sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維結(jié)構(gòu)。石墨烯目前是世界上最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，具有極高的電子迀移率，因此被期待可以用來(lái)發(fā)展出更薄導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。另外石墨烯材料還是一種優(yōu)良的改性劑，在新能源領(lǐng)域如超級(jí)電容器和鋰離子電池方面，由于其高傳導(dǎo)性和高比表面積，可適用于作為電極材料輔助劑。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明的良好的導(dǎo)體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板和太陽(yáng)能電池等。而且因?yàn)槭┚哂泄庾V帶寬廣和響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，使其在光電子學(xué)和光電探測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域極有潛力。
[0003]砷化銦(InAs)作為重要的II1-V族化合物半導(dǎo)體材料，具有閃鋅礦型的晶體結(jié)構(gòu)，是一種直接帶隙半導(dǎo)體，具有諸多優(yōu)越性能，如半導(dǎo)體、光電、壓電、熱電、氣敏和透明導(dǎo)電等特性，其中高迀移率、大的比表面積、易于形成歐姆接觸和高光響應(yīng)率等很引人注目。作為光電子器件可以在光纖通訊、光電子器件、高速電子器件、生物傳感器、紅外激光探測(cè)器、通訊衛(wèi)星以及太陽(yáng)能電池等高技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的潛在應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，制備一維納米材料及相關(guān)性能的研宄已成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的聚焦熱點(diǎn)。InAs納米線和量子點(diǎn)紅外熒光波長(zhǎng)可調(diào)特性除了在研制新型納米器件上具有應(yīng)用價(jià)值，甚至還可以作為新一代量子信息載體材料，用于研制量子通信光源。同時(shí)，InAs納米線在生物傳感和成像上同樣也極具應(yīng)用潛力。但I(xiàn)nAs納米線的帶隙只有0.36ev,因此InAs納米線光探測(cè)器具有很大的暗電流和很低的開關(guān)比。因此，降低InAs納米線光探測(cè)器的暗電流，提高開關(guān)比，具有非常重要的意義。
[0004]為了解決上述的問題，本發(fā)明提出了一種利用可調(diào)控的肖特基勢(shì)皇抑制石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器暗電流，提高異質(zhì)結(jié)探測(cè)器開關(guān)比的方法。石墨烯與InAs納米線功函數(shù)的差異，導(dǎo)致石墨烯與InAs納米線接觸附近形成肖特基結(jié)。而石墨烯的特性能使肖特基勢(shì)皇受調(diào)控，這種優(yōu)勢(shì)能夠抑制光探測(cè)器的暗電流，提高開關(guān)比。同時(shí)，柵極電壓通過調(diào)控載流子的濃度，可以控制光探測(cè)器的開啟與關(guān)斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種提高石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器開關(guān)比的方法，該方法引入石墨稀與InAs納米線肖特基勢(shì)皇，勢(shì)皇的可調(diào)控優(yōu)勢(shì)能夠抑制石墨稀與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的暗電流，提高探測(cè)器的開關(guān)比，此結(jié)構(gòu)能夠使石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的開關(guān)比超過102。其步驟如下:
[0006]1.利用分子束外延技術(shù)在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)InAs納米線，利用掃描電子顯微鏡表征納米線的長(zhǎng)度和直徑；
[0007]2.利用機(jī)械剝離的方法在長(zhǎng)有3102的P型Si襯底上制備單層石墨烯，將外延生長(zhǎng)的InAs納米線物理轉(zhuǎn)移到單層石墨烯上，轉(zhuǎn)移之前，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的HF溶液浸泡InAs納米線15秒鐘，以去掉表面氧化物，利用光學(xué)顯微鏡尋找InAs納米線與石墨烯上有一部分相接觸的結(jié)構(gòu)；
[0008]3.利用電子束光刻技術(shù)，制備石墨烯與InAs納米線肖特基光探測(cè)器，沉積鉻、金作為源漏電極，InAs納米線端為源電極，石墨烯端為漏電極，整片的P型Si襯底為背柵電極；
[0009]4.由于石墨烯為二維單原子層結(jié)構(gòu)，具有雙極型特性，柵極電壓能夠調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，從而改變石墨烯的功函數(shù)。正柵極電壓能夠抬高石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，使肖特基勢(shì)皇降低，導(dǎo)致更多的電子流入InAs納米線。負(fù)柵極電壓能夠降低石墨稀的費(fèi)米能級(jí)，使肖特基勢(shì)皇升高，導(dǎo)致更少的電子流入InAs納米線；
[0010]5.當(dāng)入射光子的能量大于InAs納米線的禁帶寬度時(shí)，在肖特基勢(shì)皇附近形成電子空穴對(duì)，內(nèi)建電場(chǎng)迅速將電子空穴對(duì)分離，電子流向InAs納米線，空穴流向石墨稀。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0012]本發(fā)明基于肖特基勢(shì)皇的形成機(jī)理，利用石墨烯與InAs納米線功函數(shù)的差異，將石墨烯與InAs納米線做成異質(zhì)結(jié)形成肖特基勢(shì)皇，由于柵極電壓可以調(diào)控石墨烯費(fèi)米能級(jí)，從而調(diào)節(jié)肖特基勢(shì)皇的高度，因此，通過調(diào)節(jié)柵極電壓可以極大抑制了石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的暗電流，同時(shí)明顯提高了器件的開關(guān)比。該方法獲得的開關(guān)比可以超過102，具有非常好的可信度和直觀性。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為石墨稀與InAs納米線肖特基光探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，InAs納米線端為源電極，石墨烯端為漏電極，整片的P型Si襯底為背柵電極。
[0014]圖2為石墨烯與InAs納米線肖特基光探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3為不同背柵電壓下，石墨烯與InAs納米線肖特基光探測(cè)器的輸出特性曲線。
[0016]圖4為石墨烯與InAs納米線肖特基光探測(cè)器光照前后的輸出特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說(shuō)明:
[0018]本發(fā)明研制了石墨烯與InAs納米線肖特基光探測(cè)器，在長(zhǎng)有3102的P型Si襯底上制備單層石墨烯，將外延生長(zhǎng)的InAs納米線物理轉(zhuǎn)移到單層石墨烯上，利用電子束光刻技術(shù)和熱蒸鍍技術(shù)沉積鉻、金作為源漏電極。
[0019]具體步驟如下:
[0020]IInAs納米線是在Riber 32MBE系統(tǒng)中，金納米顆粒的催化下，利用vapor-liquid-solid(VLS)在 GaAs底表面生長(zhǎng)。首先，GaAs 襯底在 630°C下去氧15分鐘，并生長(zhǎng)一層300納米的緩沖層，以得到比較平滑的表面。然后，將GaAs襯底轉(zhuǎn)移到MBE準(zhǔn)備腔內(nèi)，沉積一層極薄的金薄膜，將金薄膜在550°C下高溫退火5分鐘，形成金顆粒。最后，打開indium源，在350°C下，生長(zhǎng)InAs納米線。其中，indium和比例為1:20，生長(zhǎng)時(shí)間為90分鐘。生長(zhǎng)結(jié)束之后，關(guān)閉indium源，GaAs襯底在保護(hù)下降低到300°C。最后，GaAs襯底自然冷卻到室溫。
[0021]2利用掃描電子顯微鏡檢驗(yàn)外延生長(zhǎng)得到的InAs納米線，一般長(zhǎng)度在10微米左右，直徑在50納米左右。
[0022]3利用機(jī)械剝離的方法在長(zhǎng)有S1JA P型Si襯底上制備單層石墨烯，將外延生長(zhǎng)的InAs納米線物理轉(zhuǎn)移到上述長(zhǎng)有S12的P型Si襯底上，轉(zhuǎn)移之前，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的HF溶液浸泡InAs納米線15秒鐘，以去掉表面氧化物，利用光學(xué)顯微鏡尋找到InAs納米線與單層石墨烯部分接觸的結(jié)構(gòu)并確定它們的位置進(jìn)行拍照。
[0023]4按照上述光學(xué)顯微鏡確定的圖像，利用DesignCAD2000軟件畫出電子束光刻的源漏電極圖形。將表面附著InAs納米線與單層石墨烯的襯底進(jìn)行涂膠(首先涂一層MMA，4000轉(zhuǎn)/分鐘，60秒，并在155°C下烘烤I分鐘，然后再涂一層PMMA，4000轉(zhuǎn)/分鐘，60秒，在155°C下烘烤5分鐘)ο利用電子束光刻機(jī)(JEOL 6510with NPGS)按照DesignCAD2000軟件設(shè)計(jì)的源漏電極圖形進(jìn)行電子束光刻。光刻之后，用顯影液進(jìn)行顯影。
[0024]5用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的HF溶液浸泡整個(gè)樣品15秒鐘，以去掉InAs納米線表面氧化物，利用真空鍍膜機(jī)先后沉積20nm鉻和40nm金，沉積完金屬之后用丙酮去掉MMA和PMMA，最后的石墨稀與InAs納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器如圖1所示。InAs納米線端為源電極，石墨稀端為漏電極，整片的P型Si襯底為背柵電極。
[0025]6由于石墨稀與InAs納米線存在功函數(shù)的差異，導(dǎo)致石墨稀與InAs納米線接觸附近形成肖特基勢(shì)皇，圖2為石墨烯與InAs納米線肖特基光探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)圖。
[0026]7柵極電壓能夠調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，從而改變石墨烯的功函數(shù)。正柵極電壓能夠抬高石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，使肖特基勢(shì)皇降低，導(dǎo)致更多的電子流入InAs納米線，源漏電流變大。負(fù)柵極電壓能夠降低石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，使肖特基勢(shì)皇升高，導(dǎo)致更少的電子流入InAs納米線，源漏電流變小。圖3為不同背柵電壓下，石墨烯與InAs納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的輸出特性曲線，本探測(cè)器的載流子濃度能夠很好的被柵極電壓調(diào)控。
[0027]8當(dāng)用波長(zhǎng)為I微米的近紅外光照射石墨烯與InAs納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器時(shí)，在InAs納米線與石墨稀接觸處會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，內(nèi)建電場(chǎng)迅速將電子空穴對(duì)分離，電子流向InAs納米線，空穴流向石墨稀。無(wú)光照時(shí)，探測(cè)器具有很低的暗電流，在nA量級(jí)甚至更小。圖4為石墨烯與InAs納米線肖特基光探測(cè)器光照前后的輸出特性曲線。從圖4可以看出，石墨烯與InAs納米線肖特基光探測(cè)器的最大Ilight/IdaA開關(guān)比超過了 102。說(shuō)明本發(fā)明提供的利用可調(diào)控的肖特基勢(shì)皇提高石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器開關(guān)比的方法是合理的、有效的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器開關(guān)比的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)利用分子束外延技術(shù)在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)InAs納米線，利用掃描電子顯微鏡表征納米線的長(zhǎng)度和直徑； 2)利用機(jī)械剝離的方法在長(zhǎng)有S1dAP型Si襯底上制備單層石墨烯，將外延生長(zhǎng)的InAs納米線物理轉(zhuǎn)移到單層石墨稀上，轉(zhuǎn)移之前，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的HF溶液浸泡InAs納米線15秒鐘，以去掉表面氧化物，利用光學(xué)顯微鏡尋找InAs納米線與石墨烯上有一部分相接觸的結(jié)構(gòu)； 3)利用電子束光刻技術(shù)，制備石墨烯與InAs納米線肖特基光探測(cè)器，沉積鉻、金作為源漏電極，InAs納米線端為源電極，石墨烯端為漏電極，整片的P型Si襯底為背柵電極。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器開關(guān)比的方法。該方法是在機(jī)械剝離的石墨烯上物理轉(zhuǎn)移InAs納米線，形成異質(zhì)結(jié)。由于石墨烯與InAs納米線具有不同的功函數(shù)，接觸處會(huì)形成肖特基勢(shì)壘。而柵極電壓能夠調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，從而調(diào)節(jié)肖特基勢(shì)壘的高度，形成內(nèi)建電場(chǎng)，使光生電子空穴對(duì)迅速分開，電子流向InAs納米線，空穴流向石墨烯。因此，肖特基勢(shì)壘的可調(diào)控優(yōu)勢(shì)能夠有效地抑制石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的暗電流，提高探測(cè)器的開關(guān)比。此結(jié)構(gòu)能夠使石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的開關(guān)比超過102。本發(fā)明對(duì)于提高現(xiàn)有的石墨烯與納米線異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的開關(guān)比有著十分重要的意義。
【IPC分類】H01L31-18
【公開號(hào)】CN104538489
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410748536
【發(fā)明人】胡偉達(dá), 駱文錦, 王鵬, 苗金水, 郭楠, 陳平平, 李天信, 陳效雙, 陸衛(wèi)
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月9日