基于石墨烯薄膜的光電探測器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)，尤其涉及一種基于石墨烯薄膜的光電探測器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種特殊的材料，它是由SP2碳原子雜化形成的二維六角蜂窩狀結(jié)構(gòu)，它可以吸收垂直入射光的2.3%，范圍從紫外到遠(yuǎn)紅外光，引起人們的廣泛關(guān)注。石墨烯具有零帶隙，零有效靜質(zhì)量，載流子迀移率極高，對(duì)光吸收率高等優(yōu)秀特點(diǎn)。因此利用好石墨烯一直是人們的目標(biāo)，其中基于石墨烯的光電響應(yīng)特性，利用其開發(fā)光電探測器是一種極富前景的新型光電探測技術(shù)。
[0003]探測器的主要原理是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，當(dāng)有光照的時(shí)候，光激熱載流子從頂層運(yùn)動(dòng)至底層，使電荷聚集在底層，形成電流；包括光伏效應(yīng)、光熱電效應(yīng)、輻射熱效應(yīng)、等離子體激發(fā)機(jī)制。本領(lǐng)域技術(shù)人員主要用這些物理量來描述光電探測器的性能，如:內(nèi)外部量子效應(yīng)、光電響應(yīng)率、噪聲等效功率。其中光電響應(yīng)率是最為重要的一個(gè)參數(shù)，它是由響應(yīng)電流強(qiáng)度除以入射光功率；響應(yīng)率越大說明該探測器性能越好。
[0004]目前，基于石墨烯的光電探測器的響應(yīng)率被限制在lOmAW1，主要是由于單層石墨原子對(duì)光的吸收減小。將膠體量子點(diǎn)與石墨烯組合成集合體，可以提高石墨烯的響應(yīng)率，但是此時(shí)探測器可以檢測的光譜范圍減少。為了減少CVD生長法得到石墨烯質(zhì)量差的缺陷，引進(jìn)PbS量子點(diǎn)摻雜，提高光吸收，增加載流子，現(xiàn)有技術(shù)中基于石墨烯的光電探測器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
[0005]2011年首次公開了在硅波導(dǎo)上平鋪單層石墨烯，中間為氧化鋁，波導(dǎo)通過硅與電極連接。通過控制外加電壓改變費(fèi)米能級(jí)，控制光吸收。石墨稀光電探測器的自身帶寬高達(dá)500GHz，在高頻率波段沒有觀察到光電流降低的現(xiàn)象。更重要的是，光載流子的產(chǎn)生及移動(dòng)和其他已知的半導(dǎo)體探測器不一樣，它有高帶寬，源漏電壓為零以及很好的內(nèi)部量子效應(yīng)。
[0006]這些方法雖然提高了光響應(yīng)率，但制備工藝復(fù)雜，成本較高，不適合大量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯薄膜的光電探測器的制備方法。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0009]基于石墨烯薄膜的光電探測器，采用Si/Si02做基底，石墨烯做光吸收材料，Au做源漏電極。
[0010]進(jìn)一步，在基底上制備單層或少層石墨烯，在石墨烯上制作電極，形成晶體管結(jié)構(gòu)的探測器。
[0011]進(jìn)一步，基于石墨烯薄膜的光電探測器的制備方法，步驟如下:
[0012]1)基底清洗:分別用丙酮、乙醇、去離子水、氧等離子體依次清洗基底；
[0013]2)制備石墨稀:采用微機(jī)械剝離法，用膠帶粘上高定向熱解石墨，對(duì)折分離3-4次，轉(zhuǎn)移至硅片上，用烘箱抽真空在100°C溫度條件下加熱1?2min，自然冷卻至室溫，撕下膠帶，得到覆蓋石墨烯的基底；
[0014]3)制作電極:用正光刻膠S1805均勻覆蓋基底，設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)，然后采用激光直寫在石墨烯處，得到電極圖樣，采用蒸鍍法一次蒸鍍厚度為10?20nm的金屬Ti和厚度為40?80nm的Au，然后用丙酮清洗光刻膠和多余的金屬，得到含電極和石墨烯的探測器結(jié)構(gòu)。
[0015]進(jìn)一步，在經(jīng)步驟1)處理完成的基底上制作數(shù)字標(biāo)記，具體方式如下:
[0016]1)采用正光刻膠S1805均勻覆蓋基底，厚度在500±10nm，用二元曝光機(jī)以自制數(shù)字掩膜版進(jìn)行曝光2?3s，在AZ300顯影液中顯影30±2s，得到初步的數(shù)字標(biāo)記圖樣；
[0017]2)采用磁控濺射鍍膜法在基底表面鍍Cr 5土 ls，然后在Cr上鍍Au，Au厚度為5?10nm，然后用丙酮清洗，得到金標(biāo)記。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明公開的基于石墨烯的光電探測器，其制備工藝簡單，成本較低適合大量生產(chǎn)，并且光電探測器性能優(yōu)異。可以應(yīng)用于弱光探測，超快光脈沖探測，光學(xué)通訊等領(lǐng)域，適用于波長范圍在可見光以及遠(yuǎn)紅外光之內(nèi)的波長。
【附圖說明】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:
[0020]圖1為光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為石墨烯薄膜的拉曼光譜特性圖；
[0022]圖3為實(shí)施例1中石墨烯光電探測器結(jié)構(gòu)圖，其中1代表石墨烯，2代表電極，3代表石圭片;
[0023]圖4為石墨烯光電探測器測量結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0025]實(shí)施例1
[0026]1.清洗硅片表面
[0027](1)將3X3cm2硅片用丙酮、乙醇、去離子水分別依次清洗硅片15分鐘；
[0028](2)用氧等離子體清洗硅片5分鐘；
[0029]2.制作數(shù)字標(biāo)記
[0030](1)采用正光刻膠S1805均勻覆蓋硅片，涂膠時(shí)轉(zhuǎn)速在3000?4000run/min，最后厚度在500nm，然后進(jìn)行曝光2s，然后顯影30s，得到初步的數(shù)字標(biāo)記圖樣；
[0031 ] (2)采用磁控濺射鍍膜法在硅片表面鍍Cr時(shí)間5s，然后在Cr上鍍Au時(shí)間10s，厚度為8nm，然后用丙酮清洗，得到金標(biāo)記；
[0032]3.制備石墨烯
[0033]采用微機(jī)械剝離法，用膠帶粘上高定向熱解石墨(HOPG)，對(duì)折分離3-4次，轉(zhuǎn)移至娃片上，用烘箱抽真空在100°C加熱2min，等待自然冷卻至室溫，撕下膠帶，得到石墨??；
[0034]4.用光學(xué)顯微鏡尋找石墨烯，并做記錄；
[0035]5.測量步驟4中選中區(qū)域的石墨烯的拉曼圖譜，則可推知石墨烯層數(shù)，如圖2所示，并用原子力顯微鏡測試膜厚，驗(yàn)證石墨烯層數(shù)；
[0036]6.制作電極
[0037](1)用正光刻膠S1805均勻覆蓋硅片，設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)，然后采用激光直寫在石墨烯處，進(jìn)而得到電極圖樣；
[0038](2)采用蒸鍍法一次蒸鍍厚度為15nm的金屬Ti和厚度為40nm的Au ;然后用丙酮清洗光刻膠和多余的金屬，得到僅含電極和石墨烯的探測器結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其中1代表石墨烯，2代表電極，3代表硅片。
[0039]實(shí)施例2
[0040]1.清洗硅片表面
[0041](1)將3X3cm2硅片在丙酮、乙醇以及去離子水中分別清洗15分鐘；
[0042](2)用氧等離子體清洗硅片5分鐘；
[0043]2.制作數(shù)字標(biāo)記
[0044](1)采用正光刻膠S1805，以轉(zhuǎn)速3500run/s旋轉(zhuǎn)，使光刻膠均勻覆蓋硅片，用二元曝光機(jī)以自制數(shù)字掩膜版進(jìn)行曝光2.2s，在AZ300顯影液中顯影30s，得到初步的數(shù)字標(biāo)記圖樣；
[0045](2)采用磁控濺射鍍膜法在硅片表面鍍Cr時(shí)間5s，然后在鉻上鍍Au時(shí)間10s，厚度為8納米，然后用丙酮清洗，得到金標(biāo)記；
[0046]3.制備石墨烯
[0047]采用微機(jī)械剝離法，用膠帶粘上石墨片，對(duì)折分離3-4次，轉(zhuǎn)移至硅片上，用烘箱抽真空在100°C加熱2min，等待自然冷卻至室溫，撕下膠帶，得到石墨稀；
[0048]4.用光學(xué)顯微鏡尋找石墨烯，并做記錄；
[0049]5.測量石墨烯拉曼圖譜，用拉曼光譜確定所得石墨烯層數(shù)，用原子力顯微鏡表征石墨烯表面形貌，
[0050]6.制作電極
[0051](1)用正光刻膠S1805均勻覆蓋硅片，使光刻膠均勻覆蓋石墨烯表面；用激光直寫以自制電極圖樣在石墨烯處進(jìn)行曝光，進(jìn)而得到電極圖樣；
[0052](2)采用蒸鍍法鍍厚度為20nm的Ti和厚度80nm的Au ;用丙酮清洗，得到帶電極結(jié)構(gòu)的石墨烯光電探測器。
[0053]利用實(shí)施例1所制備的石墨烯光電探測器，室溫下，對(duì)1550nm波長光照條件下，可以明顯看到電流輸出1-V曲線與無光照時(shí)的差別，如圖4所示。
[0054]最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于石墨烯薄膜的光電探測器，其特征在于，采用Si/Si02做基底，石墨烯做光吸收材料，Au做源漏電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于石墨烯薄膜的光電探測器，其特征在于，在基底上制備單層或少層石墨烯，在石墨烯上制作電極，形成晶體管結(jié)構(gòu)的探測器。3.由權(quán)利要求1或2所述基于石墨烯薄膜的光電探測器的制備方法，其特征在于，步驟如下: 1)基底清洗:分別用丙酮、乙醇、去離子水、氧等離子體依次清洗基底； 2)制備石墨烯:采用微機(jī)械剝離法，用膠帶粘上高定向熱解石墨，對(duì)折分離3-4次，轉(zhuǎn)移至娃片上，用烘箱抽真空在100°c溫度條件下加熱1?2min，自然冷卻至室溫，撕下膠帶，得到覆蓋石墨烯的基底； 3)制作電極:用正光刻膠S1805均勻覆蓋基底，設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)，然后采用激光直寫在石墨烯處，得到電極圖樣，采用蒸鍍法一次蒸鍍厚度為10?20nm的金屬Ti和厚度為40?80nm的Au，然后用丙酮清洗光刻膠和多余的金屬，得到含電極和石墨烯的探測器結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于石墨烯薄膜的光電探測器的制備方法，其特征在于，在經(jīng)步驟1)處理完成的基底上制作數(shù)字標(biāo)記，具體方式如下: 1)采用正光刻膠S1805均勻覆蓋基底，厚度在500± 10nm，用二元曝光機(jī)以自制數(shù)字掩膜版進(jìn)行曝光2?3s，在AZ300顯影液中顯影30±2s，得到初步的數(shù)字標(biāo)記圖樣； 2)采用磁控濺射鍍膜法在基底表面鍍Cr5± ls，然后在Cr上鍍Au，Au厚度為5?10nm，然后用丙酮清洗，得到金標(biāo)記。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于石墨烯薄膜的光電探測器，采用Si/SiO2做基底，石墨烯做光吸收材料，Au做源漏電極。在基底上制備單層或少層石墨烯，在石墨烯上制作電極，形成晶體管結(jié)構(gòu)的探測器。本發(fā)明還公開了一種基于石墨烯薄膜的光電探測器的制備方法，其制備工藝簡單，成本較低適合大量生產(chǎn)，并且光電探測器性能優(yōu)異?？梢詰?yīng)用于弱光探測，超快光脈沖探測，光學(xué)通訊等領(lǐng)域，適用于波長范圍在可見光以及遠(yuǎn)紅外光之內(nèi)的波長。
【IPC分類】H01L31/028, H01L31/18, H01L31/101
【公開號(hào)】CN105280749
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510825269
【發(fā)明人】周大華, 魏興戰(zhàn), 馮雙龍, 申均, 魏大鵬, 史浩飛
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院
【公開日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2015年11月24日