石墨烯光电探测器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯光电探测器。该探测器的结构从上至下依次包括：金/镍层作为源极和漏极连接外部电路；石墨烯作为电子传输层；二氧化硅作为绝缘介质层；半导体纳米结构作为光吸收载体；硅衬底作为栅电极。该探测器的工作波段可依据采用半导体纳米结构的种类，尺寸等进行有效调控，且同时拥有优异的光灵敏度，响应时间快，成功地突破了石墨烯光电器件在超高速、超灵敏度响应，以及不同需求响应波段范围三者性能之间的瓶颈。此外，该探测器制备工艺简单，且与现今硅技术和半导体纳米结构的制备技术完全兼容。
【专利说明】
石墨烯光电探测器
技术领域
[0001]本发明涉及光电探测技术领域，具体而言，涉及一种基于石墨烯薄膜的光电探测器。
【背景技术】
[0002]2004年，石墨稀由曼彻斯特大学Andre Geim教授领导的研究小组最先发现。它是目前已知最薄的一种材料(只有单个碳原子层厚)，并且具备极高的载流子迀移率(本征迀移率?200，000cm2V—工)、非常好的低维稳定性、超宽的光谱吸收范围、以及电子浓度的电场可调制性，被认为是极具潜力的电子/光电子材料，因而在多个领域都有极其广泛的应用，如可用于制备高性能场效应晶体管等微电子器件，太阳能电池、光电探测器(尤其是红外光探测)等光电器件等。然而，石墨烯的零带隙能带结构导致了其较低的光学吸收(?
2.3%)以及电子空穴对分离效率，进而限制了其光电探测性能(本征石墨烯的响应率只有?6mA W—1)。
[0003]半导体纳米结构(如量子点，纳米管，纳米线/棒等)具有随尺寸可调的光学特性，极高的光学吸收及荧光发射量子效率，以及可靠的光学稳定性，可以用于制备高性能光电器件。然而，半导体纳米结构特别是量子点普遍具有较低的电子迀移率(1X10—3to 1cm2V-1S.1),这也限制了其光电性能的进一步提高。石墨烯具有非常大的比表面积以及优异的电学性能，将其与半导体纳米材料复合可充分利用石墨烯优异的电学性能以及半导体纳米材料突出的光学特性，有望能极大的提升光电性能。
[0004]到目前为止，基于石墨烯与半导体纳米结构的光生伏特、光探测以及发光器件也相继被报道，并指出复合结构的引入能有效的提升光电器件的性能。在该复合结构体系中，采用photo-gating机制，使得该类型的石墨稀光电导探测器(半导体量子点-石墨稀复合结构)具有超高的光增益(108)，从而在光探测灵敏度方面占据相当突出的优势。然而，这种机制存在着很大的局限，即光电转换中存在的电荷转移和/或电荷捕获过程，导致响应速率极低，在毫秒，甚至秒以上。而许多的应用领域，如光学定位、遥感、生物医学成像、都亟需在不同需求的工作波段下实现快速、高灵敏度兼具的光电探测性能。因此，通过避免光吸收材料与石墨烯直接接触，引入电荷转移或电荷捕获过程，研发出在不同工作波段下兼具快速响应和高灵敏度的石墨烯光电探测器，同时满足各个领域的应用需求变得极为需要，也将具有巨大的商业前景。
【发明内容】
[0005]针对以上问题，本发明提供一种石墨烯光电探测器，利用半导体纳米结构层-硅的界面效应，有效地调制石墨烯的载流子浓度，极大地提升石墨烯器件的光电响应。
[0006]—种石墨烯光电探测器，其中源极和漏极连接外部电源，I层或I层以上的石墨烯电子传输层设置在绝缘介质层之上;绝缘介质层下方依次设有半导体纳米结构层和栅电极层;所述半导体纳米结构层为I层或I层以上;所述漏极和栅电极层通过栅电源连接。[OOO7 ]优选地，源极和漏极采用由50nm厚的金层与5nm厚的镍层组成的复合电极。
[0008]优选地，绝缘介质层选用50-200nm的Si02，Al203SHf02。
[0009]优选地，石墨稀电子传输层为1-10层。
[00?0] 优选地，半导体纳米结构层采用CdSe，CdS或PbS半导体材料，单层厚度为3_8nm。
[0011]优选地，半导体纳米结构层为两层以上。
[0012]优选地，栅电极层采用S1、Ge或HgCdTe。
[0013]本发明提供的石墨烯光电探测器，通过采用特定的结构设置，使其具有极优异的光灵敏度，响应时间快，且在保障这二者光电性能稳定的前提下，依据采用量子点类别，尺寸的不同，工作波段可选择。该探测器成功地突破了石墨烯光电器件在超高速，超灵敏度响应，以及工作波段灵活选择性，三者光电重要性能之间瓶颈。此外，当前的器件结构并不需要复杂的制备工艺，且与现今成熟的硅技术和半导体纳米结构的制备技术完全兼容。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的石墨烯光电探测器结构示意图；
[0015]其中，1-漏极，2-石墨烯电子传输层，3-源极，4-绝缘介质层，5-半导体纳米结构层，6-栅电极层，7-栅电源，8-外部电源，9-电流表。
【具体实施方式】
[0016]如图1所示，一种石墨烯光电探测器，其中源极和漏极连接外部电源，I层或I层以上的石墨烯电子传输层设置在绝缘介质层之上;绝缘介质层下方依次设有半导体纳米结构层和栅电极层;所述半导体纳米结构层为I层或I层以上;所述漏极和栅电极层通过栅电源连接。
[0017]其工作机制是基于半导体纳米结构层-栅电极层两种材料之间功函数失匹，从而在该界面处形成一个内建电场;其中栅电极层优选硅。以硅栅电极层为例，当光入射在该探测器上时，半导体纳米结构层吸收光子，产生光生电子和空穴。在该界面处内建电场的驱动下，半导体纳米结构层中的光生电子(或空穴)注入底层的硅中，与此同时，相反的另一种光生空穴(或电子)，仍余留在半导体纳米结构中，这些电荷并充当了一个额外的正的(或负的)栅电压，抬升(或降低)了石墨烯的费米面，调制了石墨烯通道中的载流子浓度，从而产生高的光生电流。
[0018]通过半导体量子点与硅的界面效应，弥补了本征或杂化的石墨烯光电探测器响应度低，响应时间长，或响应波段窄的不足，拓宽了石墨烯光电器件在光电子学等领域的应用前景。
[0019]石墨烯的厚度可以为单层、双层至少数层(10层以内)；制备石墨烯的方法可以不同，如机械剥离法，化学气相沉积法，插层法等。
[0020]半导体纳米结构层的单层厚度定义为一个量子点直径的厚度，该层的整体层数可以单层，双层或多层等；其利用的半导体量子点的种类可以不同，如CdSe，CdS，PbS等。半导体量子点的直径尺寸可以不同，如3nm，5nm，8nm等。
[0021 ]为便于对本发明的目的、形状、构造装置特征及其功效，做更进一步的认识与了解，兹举实例配合附图，来详细说明本发明实施例的结构。
[0022]实施例1
[0023]—种石墨烯光电探测器，该探测器主要结构包括单层石墨烯(撕胶带法制备)；90nm二氧化娃作为绝缘介质层，通过热蒸镀沉积;娃，作为栅电极;一层CdSe半导体量子点，作为光吸收载体，通过旋涂法沉积在硅表面;金/镍作为源极和漏极，连接外部电路，厚度为50nm/5nm，通过电子束光刻和热蒸镀沉积。该光电探测器在近红外波段的响应时间达到纳秒级，响应度达1.1 X 108A/W，响应波长的范围从可见光到近红外波段。
[0024]实施例2
[0025]—种石墨烯光电探测器，该探测器主要结构包括单层石墨烯(化学气相沉积法制备)；120nm AI2O3作为绝缘介质层，通过热蒸镀沉积;Ge作为栅电极;两层PbS半导体量子点，作为光吸收载体，通过旋涂法沉积在Ge表面;金/镍作为源极和漏极，连接外部电路，厚度为50nm/5nm，通过电子束光刻和热蒸镀沉积。该光电探测器在近红外波段的响应时间达到纳秒级，响应度达1.2 X 108A/W，响应波长的范围从可见光到近红外波段。
[0026]实施例3
[0027]—种石墨烯光电探测器，该探测器主要结构包括两层石墨烯(化学气相沉积法制备)；10nm二氧化硅作为绝缘介质层，通过热蒸镀沉积;Si作为栅电极；四层CdS半导体量子点，作为光吸收载体，通过旋涂法沉积在Si表面;金/镍作为源极和漏极，连接外部电路，厚度为50nm/5nm，通过电子束光刻和热蒸镀沉积。该光电探测器在近红外波段的响应时间达到纳秒级，响应度达1.35 X 108A/W，响应波长的范围从可见光到近红外波段。
[0028]以上对本发明所提供的一种石墨烯光电探测器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
【主权项】
1.一种石墨烯光电探测器，其特征在于，源极和漏极连接外部电源，I层或I层以上的石墨烯电子传输层设置在绝缘介质层之上;绝缘介质层下方依次设有半导体纳米结构层和栅电极层;所述半导体纳米结构层为I层或I层以上;所述漏极和栅电极层通过栅电源连接。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯光电探测器，其特征在于，源极和漏极采用由50nm厚的金层与5nm厚的镍层组成的复合电极。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯光电探测器，其特征在于，绝缘介质层选用50-200nm 的 S12, Al2O3 或 HfO2o4.根据权利要求1所述的一种石墨烯光电探测器，其特征在于，石墨烯电子传输层为1-10层。5.根据权利要求1所述的一种石墨烯光电探测器，其特征在于，半导体纳米结构层采用CdSe，CdS或PbS半导体材料，单层厚度为3-8nm。6.根据权利要求1-5所述的一种石墨烯光电探测器，其特征在于，半导体纳米结构层为两层以上。7.根据权利要求1-5所述的一种石墨烯光电探测器，其特征在于，栅电极层采用S1、Ge或HgCdTe。
【文档编号】H01L31/112GK105895729SQ201610392574
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】梁铮, 倪振华, 丁荣, 梁贺君, 陈谷, 陈谷一, 袁文军, 王阳晖
【申请人】泰州巨纳新能源有限公司