一种石墨烯中远红外探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯中远红外探测器及其制备方法，该红外探测器包含一层石墨烯薄膜，其基本单元为一个以胶体量子点层作为光控顶栅的石墨烯红外光电晶体管。该器件克服了石墨烯对光的吸收率低的问题，同时石墨烯沟道的电学可调特性得到了保持，因此该器件可同时受到光学与电学偏置的控制。该晶体管具有超高的红外光吸收率、内量子效率、增益和很低的噪声水平，且可根据所探测红外波长范围的不同选用不同的胶体量子点层材料。该器件易与现有硅基CMOS集成电路工艺相兼容，因此可以实现大规模、低成本传感器阵列的生产。该敏感器件的成功制备，将为高性能石墨烯基红外焦平面阵列传感器的研究奠定基础。
【专利说明】一种石墨烯中远红外探测器及其制备方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种红外探测器的结构设计及制备工艺，特别是一种石墨烯中远红外探测器的结构设计及制备工艺。
【背景技术】:
[0002]红外辐射包含丰富的客观信息，其探测倍受关注。经过70年的发展，红外探测器已覆盖短波、中波与长波范围，在军事和民用领域得到了广泛应用。目前，基于热释电、半导体量子阱和量子点的高性能红外焦平面阵列传感器的关键技术主要被欧美日等国家所掌握，迫使国内研究机构进行攻关，追赶甚至超越现有技术。
[0003]石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，具有优异的力学、热学、电学和光学特性，在电子器件和光电器件领域具有巨大应用潜力。现有石墨烯基光电传感器不但具有探测光谱范围宽、响应度高、速度快和噪声低的优点，且易与现有硅基CMOS集成电路工艺相兼容，实现大规模、低成本传感器阵列的生产。到目前为止，石墨烯基光电探测器的研究主要集中在如何提高石墨烯的光吸收率。例如，利用热电效应、金属激子结构、石墨烯激子或者为微腔结构等。然而，制作超敏感的石墨烯基光探测器的关键问题是如何实现光电导增益，即一个入射光子能够产生多个载流子。然而到目前为止，所有的石墨烯光探测器中都未观察到光电导增益。而具有超高敏感度的增益型光探测器仅利用雪崩光电二极管和光倍增器中实现了，但这些器件都是体型的，不能与现有的集成电路制备工艺相兼容，同时在应用时需要施加很高的电压。据报道，包含晶体管沟道与光控制栅的光晶体管在可见光波长或短波红夕卜(SWIR)范围内具有超高的敏感度，其中量子点使用外延生长的II1-V族化合物半导体制作的。然而，此类探测器需要工作在超低的4K温度下。同时，基于II1-V族化合物半导体的异质结光晶体管以及光场效应晶体管的增益为100到1000，而增益带宽乘积为1X108Hz。这些器件依赖外延生长的II1-V族化合物半导体，从而限制了其与现有CMOS集成电路的单片集成，阻碍了其用于高敏感探测与成像系统。最近报道的胶体量子点光探测器的光电导增益为100到1000，其增益主要受到胶体量子点中的低载流子迁移率的限制，其中载流子迁移率为lXl(T3?lcm2/Vs。
[0004]石墨烯FET中的载流子迁移率已经超过了 104cm2/Vs，比常温下单晶硅的载流子迁移率高I到2个数量级。石墨烯沟道的电导率还可以通过栅压进行快速控制，并已经成功用于射频器件中。然而石墨烯仅能吸收约2.3%的入射光，虽然对单程材料来说已经是很高的吸收率了，但要用于实际的光探测，则这样水平的吸收率则远远不够。当然，如果将多层石墨烯堆叠在一起，可以有效提高吸收率，但这将会不可避免地影响石墨烯的输运特性和栅电场可调特性。这就需要通过其它方法来提高石墨烯的光吸收率，即光被一个媒介吸收，而光生载流子则被转移到石墨烯内进行输运。
【发明内容】
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[0005]本发明提出了一种新型的石墨烯中远红外探测器器件，并介绍了其制备工艺。[0006]该器件在石墨烯薄膜层上淀积了量子点结构。当有中红外或远红外光对器件进行照射时，在量子点中产生光生载流子，量子点中的光生载流子寿命远大于石墨烯中光生载流子的皮秒级寿命，因此量子点中的光生载流子有足够时间沿垂直方向进入石墨烯沟道。光生空穴注入石墨烯，而光生电子则留在量子点薄膜中。沟道中的空穴密度增大了，因此漏源电阻减小了。当光生空穴从漏电极离开石墨烯沟道时，另一个光生空穴会从源极进入沟道，以代替原来的空穴。该循环一直持续到量子点中的光生空穴与光生电子通过复合作用完全消失的时候。由于量子点中的光生电子具有很长的寿命，而石墨烯则具有很高的载流子迁移率，因此该光探测器具有很高的增益，即每个光子会产生IO8个电子，远大于以前所提出的石墨稀基光探测器的小于I的效率。
[0007]本发明的中远红外探测器器件包含一层石墨烯薄膜，该薄膜用胶体量子点进行了敏感化处理。石墨烯是载流子输运沟道，量子点是光子吸收材料。光电晶体管的沟道包含由量子点修饰的单层或双侧石墨烯薄膜，沟道被放置在Si02/Si晶圆上，如图1所示。器件中所用石墨烯是通过标准机械剥离工艺获取的，剥离的对象为高定向热解石墨，剥离的石墨烯被转移到具有285nm的Si02/Si衬底上。通过光学显微镜找到单层与双层石墨烯，并通过RenishawInviaRaman显微镜进行Raman散射谱测量,确定所选石墨烯片的其实际层数。用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻制作器件的漏、源电极，漏源电极金属为5nmTi/100nmAu。选择吸收波长为中红外或远红外光的胶体量子点，对器件进行电学测量后，在沟道表面通过一层层的方式沉积量子点，从而制成了石墨烯中远红外探测器。
[0008]本发明的红外探测器基本单元为一个以胶体量子点层作为光控顶栅的石墨烯红外光电晶体管。
[0009]所述石墨烯红外光电晶体管的沟道包含由量子点修饰的单层或双层石墨烯薄膜。
[0010]所述的沟道被放置在Si02/Si晶圆上。
[0011]所述单层或双层石墨烯薄膜是通过对高定向热解石墨进行标准机械剥离工艺获取的。
[0012]所述石墨烯中远红外探测器的制备方法，按照如下步骤:
[0013](I)制备石墨烯薄膜:通过标准机械剥离工艺获取石墨烯薄膜，剥离的对象为高定向热解石墨；
[0014](2)转移石墨烯薄膜:将剥离的石墨烯转移到具有285nm的Si02/Si衬底上；通过光学显微镜找到单层与双层石墨烯，并通过显微镜进行喇曼散射谱测量，确定所选石墨烯片的实际层数；
[0015](3)制作源、漏电极:用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻制作器件的漏、源电极，漏、源电极金属为5nmTi/100nmAu ；
[0016](4)淀积InSb量子点:采用惰性气体中蒸发法制备InSb量子点；
[0017](5)选择吸收波长为中红外或远红外光的胶体量子点，对器件进行电学测量后，在沟道表面通过一层层的方式沉积量子点，从而制成了石墨烯中远红外探测器。
[0018]所述步骤(4)采用的设备为低能团簇束流淀积设备，将步骤(3)中所得的器件置于加热室的坩埚内后，将纯度为99.999%的InSb多晶粉末放在石英坩埚中，打开分子涡轮泵使沉积腔内真空度达到1.5X 10_4Pa，通过无电阻加热器对坩埚进行加热，由于InSb的熔点约为530°C，待温度升高到700°C左右时，InSb粉末熔化成大量源物质蒸汽使蒸发腔中达到饱和蒸汽压；将温度控制在700°C，充入压强为650Pa纯净的惰性气体，并在冷却棒中充入液氮，转动冷却棒使器件对准喷嘴，蒸发腔内的物质原子通过与惰性气体分子的碰撞冷却成核，聚合长大成纳米颗粒，从小孔喷出，沉积在器件表面；待沉积3分钟后移开喷嘴；停止加热，打开真空阀，待蒸发室温度降到室温和沉积室压强恢复到大气压后，打开装置取出InSb量子点。
[0019]该探测器具有超高的红外光吸收率、内量子效率、增益和很低的噪声水平，且可根据所探测红外波长范围的不同选用不同的胶体量子点层材料。该器件易与现有硅基CMOS集成电路工艺相兼容，因此可以实现大规模、低成本传感器阵列的生产。该敏感器件的成功制备，将为高性能石墨烯基红外焦平面阵列传感器的研究奠定基础。
【专利附图】
【附图说明】:
[0020]图1为石墨烯中远红外探测器的器件结构图。
[0021]图2为低能团簇束流淀积设备示意图。
[0022]图3为器件的吸收光谱性质图。
【具体实施方式】:
[0023]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0024]实施例:制作InSb量子点石墨烯中红外探测器
[0025]在制作InSb量子点石墨烯中红外探测器时，本发明采取以下技术方案:
[0026]1、制备石墨烯薄膜:通过标准机械剥离工艺获取石墨烯薄膜，剥离的对象为高定向热解石墨。
[0027]2、转移石墨烯薄膜:将剥离的石墨烯转移到具有285nm的Si02/Si衬底上。通过光学显微镜找到单层与双层石墨烯，并通过RenishawInviaRaman显微镜进行Raman散射谱测量，确定所选石墨烯片的其实际层数。
[0028]3、制作源、漏电极:用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻制作器件的漏、源电极，漏、源电极金属为5nmTi/IOOnmAu。
[0029]4、淀积InSb量子点:采用惰性气体中蒸发法制备InSb量子点，所采用的设备为低能团簇束流淀积设备，如图2所示。将上一步中所得的器件置于加热室的坩埚内后，将纯度为99.999%的InSb多晶粉末放在石英坩埚中，打开分子涡轮泵使沉积腔内真空度达到
1.5X 10_4Pa，通过无电阻加热器对坩埚进行加热，由于InSb的熔点约为530°C，待温度升高到700°C左右时，InSb粉末熔化成大量源物质蒸汽使蒸发腔中达到饱和蒸汽压。将温度控制在700°C，充入压强为650Pa纯净的惰性气体(Ar气)并在冷却棒中充入液氮，转动冷却棒使器件对准喷嘴，蒸发腔内的物质原子通过与惰性气体分子的碰撞冷却成核，聚合长大成纳米颗粒，从小孔喷出，沉积在器件表面。待沉积3分钟后移开喷嘴。停止加热，打开真空阀，待蒸发室温度降到室温和沉积室压强恢复到大气压后，打开装置取出样品。
[0030]5、制作完成的InSb量子点石墨烯中红外探测器的示意图如图1所示。器件的吸收光谱性质如图3所示，说明该探测器可以探测中红外波长。可以看出，通过本实施例的方法，制备出了 InSb量子点石墨烯中红外探测器。
[0031]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种石墨烯中远红外探测器，其特征在于:该红外探测器包含一层石墨烯薄膜，其基本单元为一个以胶体量子点层作为光控顶栅的石墨烯红外光电晶体管。
2.如权利要求1所述的石墨烯中远红外探测器，其特征在于:所述石墨烯红外光电晶体管的沟道包含由量子点修饰的单层或双层石墨烯薄膜。
3.如权利要求2所述的石墨烯中远红外探测器，其特征在于:所述的沟道被放置在Si02/Si晶圆上。
4.如权利要求2所述的石墨烯中远红外探测器，其特征在于:所述单层或双层石墨烯薄膜是通过对高定向热解石墨进行标准机械剥离工艺获取的。
5.如权利要求1所述石墨烯中远红外探测器的制备方法，其特征在于，按照如下步骤: (1)制备石墨烯薄膜:通过标准机械剥离工艺获取石墨烯薄膜，剥离的对象为高定向热解石墨； (2)转移石墨烯薄膜:将剥离的石墨烯转移到具有285nm的SiO2ZSi衬底上；通过光学显微镜找到单层与双层石墨烯，并通过显微镜进行喇曼散射谱测量，确定所选石墨烯片的实际层数； (3)制作源、漏电极:用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻制作器件的漏、源电极，漏、源电极金属为5nmTi/100nmAu ； (4)淀积InSb量子点:采用惰性气体中蒸发法制备InSb量子点； 选择吸收波长为中红外或远红外光的胶体量子点，对器件进行电学测量后，在沟道表面通过一层层的方式沉积量子点，从而制成了石墨烯中远红外探测器。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(4)采用的设备为低能团簇束流淀积设备，将步骤(3)中所得的器件置于加热室的坩埚内后，将纯度为99.999%的InSb多晶粉末放在石英坩埚中，打开分子涡轮泵使沉积腔内真空度达到1.5X10_4Pa，通过无电阻加热器对坩埚进行加热，由于InSb的熔点约为530°C，待温度升高到700°C左右时，InSb粉末熔化成大量源物质蒸汽使蒸发腔中达到饱和蒸汽压；将温度控制在700°C，充入压强为650Pa纯净的惰性气体，并在冷却棒中充入液氮，转动冷却棒使器件对准喷嘴，蒸发腔内的物质原子通过与惰性气体分子的碰撞冷却成核，聚合长大成纳米颗粒，从小孔喷出，沉积在器件表面；待沉积3分钟后移开喷嘴；停止加热，打开真空阀，待蒸发室温度降到室温和沉积室压强恢复到大气压后，打开装置取出InSb量子点。
【文档编号】H01L31/112GK103633183SQ201310583494
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】张鹏, 马中发, 吴勇, 庄奕琪, 赵钰迪, 冯元博, 陈祎坤 申请人:西安电子科技大学