石墨烯红外探测器

1.本公开涉及光电传感器技术领域，尤其涉及一种石墨烯红外探测器。


背景技术：

2.光电探测器是一种实现光电转换及光信息获取的器件，被广泛应用于光电传感技术领域。石墨烯因具有优良的光电特性，具有超高的载流子迁移率，适合制作高速光电探测器。然而，石墨烯只有单层原子，对光的吸收较弱，并且，石墨烯没有带隙，在有偏压的作用下，会产生巨大的暗电流，进而会影响石墨烯光电探测器的探测性能。


技术实现要素：

3.鉴于上述技术问题，本公开一方面提供一种石墨烯红外探测器，包括：衬底；介质层，形成于衬底上；源电极和漏电极，从介质层的表面延伸至介质层中，其中，源电极与漏电极之间在结构上不对称；石墨烯，形成于介质层、源电极和漏电极的表面；红外敏感半导体薄膜，形成于石墨烯上。
4.根据本公开实施例，漏电极为环形结构电极，源电极为柱状结构电极，柱状结构电极设于环形结构电极的环内。
5.根据本公开实施例，源电极和漏电极均为三层电极结构。
6.根据本公开实施例，源电极和漏电极靠近衬底的底层为由钛或铬构成的粘附层，中间层为由铝或铜构成的金属层，靠近石墨烯的顶层为由金构成的金属层。
7.根据本公开实施例，底层的厚度为1-10nm，中间层的厚度为10-1000nm，顶层的厚度为1-100nm。
8.根据本公开实施例，源电极与漏电极之间的距离为0.1-10μm，源电极的直径为100-1000nm，漏电极的圆环的宽度为100-2000nm。
9.根据本公开实施例，源电极和漏电极的表面与介质层的表面形成完整平坦的表面，整平坦的表面的粗糙度不高于1nm。
10.根据本公开实施例，红外敏感半导体薄膜包括硫化铅量子点薄膜或碲镉汞薄膜或窄带隙半导体材料薄膜。
11.根据本公开实施例，红外敏感半导体薄膜的厚度为10-100nm。
12.根据本公开实施例，石墨烯为单层石墨烯。
13.根据本公开实施例，衬底为石英衬底或塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底或经过抛光处理的cmos芯片。
14.根据本公开实施例，衬底表面的粗糙度小于1nm。
15.根据本公开实施例，石墨烯红外探测器还包括：介质保护层，形成于红外敏感半导体薄膜上。
16.根据本公开实施例，介质保护层的材料为聚对二甲苯、氧化铝、氧化铪、氧化硅、氮化硅中的其中之一。
17.根据本公开实施例，介质保护层的厚度为10-100nm。
18.根据本公开实施例提供的石墨烯红外探测器，至少具备以下有益效果：
19.通过引入非对称电极，可在零偏压下完成光电探测，解决了传统石墨烯红外探测器暗电流过大的问题，通过设置红外敏感半导体薄膜，以提高石墨烯红外光电探测器的响应，解决传统石墨烯红外探测器响应度低的问题，进而实现高性能石墨烯红外探测器。
附图说明
20.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
21.图1示意性示出了根据本公开一实施例的石墨烯红外探测器的结构图。
22.图2示意性示出了根据本公开的石墨烯红外探测器的工作原理图。
23.图3示意性示出了根据本公开另一实施例的石墨烯红外探测器的源漏电极结构俯视图。
24.图4示意性示出了根据本公开另一实施例的石墨烯红外探测器的结构图。
25.图5示意性示出了根据本公开实施例的石墨烯红外探测器的制备方法流程图。
26.图6示意性示出了根据本公开实施例的石墨烯红外探测器的制备方法各操作对应的器件结构图。
27.【附图标记说明】
28.1-衬底，2-介质层，3-源电极，4-漏电极，5-石墨烯，6-红外敏感半导体薄膜，7-介质保护层。
具体实施方式
29.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
30.在此使用的术语仪仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
31.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
32.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
33.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解
造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本公开中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本公开的限制。
34.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
36.针对石墨烯红外探测器存在的暗电流大、响应度低的问题，本公开实施例提供一种石墨烯红外探测器，通过设置非对称电极结构，可实现石墨烯红外探测器零偏压工作，在石墨烯表面引入红外敏感半导体薄膜，可以作为增敏层，提高石墨烯红外探测器的光响应度。本公开实施例提供的石墨烯红外探测器可广泛用于红外探测和红外成像领域。
37.图1示意性示出了根据本公开一实施例的石墨烯红外探测器的结构图。
38.如图1所示，在本实施例中，该石墨烯红外探测器例如可以包括衬底1、介质层2、源电极3、漏电极4、石墨烯5和红外敏感半导体薄膜6。
39.介质层2可以形成于衬底1上，源电极3和漏电极4可以从介质层2的表面延伸至介质层2的内部，其中，源电极3与漏电极4间在结构上不对称，构成非对称的电极结构。石墨烯5形成于介质层2、源电极3与漏电极4三者的表面。红外敏感半导体薄膜6，形成于石墨烯5上。
40.图2示意性示出了根据本公开的石墨烯红外探测器的工作原理图。
41.如图2所示，本公开实施例提供的石墨烯红外探测器的工作原理为：零偏压下，由于墨烯和电极金属接触会在接触边界产生内建电场，当有光照射时，石墨烯和红外敏感半导体薄膜装配产生的载流子会在石墨烯和金属界面内建电场的作用下由电极向石墨烯流动，由于源漏电极具有不对称结构，从漏电极产生的光电流会大于从源电极产生的光电流，这两种光电流极性相反，作差后的净光电流不为零，从而产生对外光电流。
42.也就是说，本公开实施例提供石墨烯红外光电探测器，通过引入非对称电极，可在零偏压下完成光电探测，解决了传统石墨烯红外探测器暗电流过大的问题，通过设置红外敏感半导体薄膜，以提高石墨烯红外光电探测器的响应，解决传统石墨烯红外探测器响应度低的问题，进而实现高性能石墨烯红外探测器。
43.图3示意性示出了根据本公开另一实施例的石墨烯红外探测器的源漏电极结构俯视图。
44.如图3所示，在本实施例中，源电极4例如可以为环形结构电极，源电极3例如可以柱状结构，柱状结构电极设于环形结构电极的环内。该种不对称结构的源电极和漏电极，能
enhanced chemical vapor deposition、pecvd)在硅片表面制备二氧化硅层作为介质层2，例如可以制备厚度为300nm的二氧化硅层作为介质层2。制备得到的器件结构如图6中b所示。
64.在操作s503，在介质层中制备源电极和漏电极。
65.在本公开一实施例中，可以采用光刻、金属沉积、剥离的方式制备出源电极3和漏电极4。例如，电极结构设置为两层，底层为粘附层，厚度为1nm，顶层为金，厚度为100nm。源漏电极的间距为2μm，源极的直径为1000nm，漏极圆环的宽度为1000nm。制备得到的器件结构分别如图6中c所示。
66.在操作s504，在源电极、漏电极以及介质层表面制备二氧化硅层并平坦化处理。
67.在本公开一实施例中，可以采用pecvd的方式在源电极3、漏电极4以及介质层2表面制备二氧化硅层，厚度例如可以为500nm。然后利用化学机械抛光(cmp)工艺使表面平坦化，抛光到源电极3和漏电极4漏出为止。抛光前后得到的器件结构分别如图6中d、e所示
68.在操作s505，在源电极、漏电极和介质层的表面制备石墨烯。
69.在本公开一实施例中，可以直接转移单层cvd石墨烯5到源电极3、漏电极4以及介质层2表面。制备得到的器件结构分别如图6中f所示。
70.在操作s506，在石墨烯表面制备红外敏感半导体薄膜。
71.在本公开一实施例中，可以在石墨烯5表面旋涂硫化铅量子点，制备硫化铅量子点薄膜作为红外敏感半导体薄膜6，厚度例如可以为50nm。制备得到的器件结构分别如图6中g所示。
72.在操作s507，在红外敏感半导体薄膜上制备介质保护层。
73.在本公开实施例中，在表面沉积聚对二甲苯(parylene)薄膜作为介质保护层7，厚度例如可以为50nm。制备得到的器件结构分别如图6中h所示。
74.至此，完成器件的制备。
75.需要说明的是，方法实施例部分未尽细节之处请参见结构实施例部分，此处不再赘述。
76.综上所述，本公开实施例提供的石墨烯红外探测器，通过引入非对称电极，可在零偏压下完成光电探测，解决了传统石墨烯红外探测器暗电流过大的问题，通过设置红外敏感半导体薄膜，以提高石墨烯红外光电探测器的响应，解决传统石墨烯红外探测器响应度低的问题，进而实现高性能石墨烯红外探测器。这种石墨烯红外探测器能够实现红外光传感和红外成像，可降低功耗。这种器件在未来红外图像传感器领域具有巨大应用潜力。
77.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。