基于石墨烯pn结的光探测器及其制作方法与应用与流程

本发明涉及一种光探测器，特别是一种基于石墨烯pn结的光探测器及其制作方法与应用。

背景技术：

现代电子学的核心是通过外加电压来控制材料电子属性的能力。在许多情况下，电场效应允许改变半导体器件中的载流子浓度，并由此改变通过它的电流。随着以硅为主导的半导体行业接近现有技术性能改进的极限，性能可以通过电场来控制的非传统材料不断被挖掘。由于石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，所以具有强的导电性及高的载流子迁移率。石墨烯的载流子迁移率受温度变化的影响较小，50-500k之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15,000cm²v^-1s^-1左右。研究发现单层石墨烯具有明显的双极性电场效应，对其施加不同的栅极电压能改变其费米能级，进而改变载流子的类型，使其在电子和空穴之间连续调节，并且浓度可高达10¹³cm^-2，迁移率可以超过15,000cm²v^-1s^-1。

n型半导体与p型半导体在同一块半导体基底上时它们的交界面就形成空间电荷区，称为pn结。pn结中电子向p区扩散，空穴向n区扩散，使p区带负电，n区带正电，形成由不能移动离子组成的空间电荷区，同时出现内建电场，使少子漂移，并阻止电子和空穴继续扩散，达到平衡。

光探测器能检测出入射到其受光面上的光功率，并把这个光功率的变化转化为相应的电流。当光照射pn结时，满足入射光子能量大于材料禁带宽度时，就会在结区产生新的电子－空穴对，在pn结内建电场的作用下运动，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，接通电路后就产生电流。由于单层石墨烯是一种零带隙材料，电子和空穴的能带在狄拉克点相遇，所以具有良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3％。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3％。

肖柯等提出了一种石墨烯光探测器，其包括：基板；基板上形成有第一金属电极图形；第一金属电极图形上形成有第二金属电极图形；且任两个相邻的第一金属电极中：一第一金属电极上形成有第二金属电极，另一第一金属电极上没有第二金属电极；第一金属电极图形和第二金属电极图形上形成有石墨烯，石墨烯的功函数介于第一金属电极的功函数和第二金属电极的功函数之间，石墨烯上还形成有金属接触层图形，各金属接触电极与第一金属电极和第二金属电极对应。降低了器件制备过程中对石墨烯迁移率等特性的影响，提高所制备的探测器的性能，形成良好的电极接触，增大光电感应的频率范围。

丁荣等提出了一种基于复合衬底的石墨烯光电探测器，其栅电极层采用电导率为1-10ωcm的轻掺杂硅。源极和漏极连接外部电源，单层石墨烯电子传输层设置在绝缘介质层之上；绝缘介质层下方设置栅电极层；漏极和栅电极层通过栅电源连接。该探测器同时实现了超快光响应和很高的光电探测效率。此外,该探测器还显示从可见至近红外的宽波段响应。更重要的是，该石墨烯光电探测器不需要复杂的制备工艺，且与现今成熟的硅工艺完全匹配。

王军等人提出了一种费米能级可调的pin结构石墨烯光探测器，主要是利用石墨烯材料做成场效应晶体管结构与pin结构相复合的探测器，实现紫外到红外宽波段高响应快速探测。

但前述的石墨烯光探测器均存在如下缺陷，包括：

1)对金属电极的功函数要求严苛，成本较高。

2)需要在电极或石墨烯中掺杂，容易引入杂质，使石墨烯无法发挥高迁移率的优势以加快光响应速度。

3)器件结构工艺复杂，光探测效率较低，灵敏度较差。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于石墨烯pn结的光探测器、其制作方法及应用，从而克服现有技术的缺陷。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种基于石墨烯pn结的光探测器，其包括：

石墨烯层，其包含相互配合形成插指结构的第一区域和第二区域；

第一电极图形，其用于在被施加一负电压时使所述第一区域呈p型；

第二电极图形，其用于在被施加一正电压时使所述第二区域呈n型；以及

分别与第一区域、第二区域电连接的两个以上接触电极。

在一些实施方案中，所述的基于石墨烯pn结的光探测器包括：

第一电极图形，其包括第一金属电极图形，

形成于第一金属电极图形上的第一介质层，

设置于第一介质层上的石墨烯层，

形成于石墨烯层上的第二介质层，

形成第二介质层上的第二电极图形，所述第二电极图形包括第二金属电极图形，所述第一金属电极图形、第二金属电极图形两者在与石墨烯层平行的面上的正投影形成插指结构；以及分别与石墨烯层电性接触的两个以上间隔设置的接触电极，所述接触电极包括金属接触电极。

进一步地，所述第一金属电极图形可以形成在基底上，所述基底为绝缘体或半导体。

进一步地，所述的两个以上金属接触电极可以沿第一金属电极图形或第二金属电极图形中电极插指的长度方向间隔设置。

进一步地，第一金属电极图形和第二金属电极图形中的任一者被施加负电压而使石墨烯层中相应区域内的石墨烯形成p型石墨烯，另一者被施加正电压而使石墨烯层中相应区域内的石墨烯形成n型石墨烯。

更进一步地，所述正电压、负电压的大小相同，方向相反。

进一步地，所述第一介质层为绝缘体，而所述第二介质层为透光性绝缘体。

本发明实施例还提供了一种制作所述基于石墨烯pn结的光探测器的制作方法，其包括：在基底上依次制作第一金属电极图形、第一介质层、石墨烯层、第二介质层、第二金属电极图形和金属接触电极。

本发明实施例还提供了一种光探测方法，其包括：

提供所述的基于石墨烯pn结的光探测器；

将所述光探测器中的所述两个以上金属接触电极接入检测电路，并对第一金属电极图形和第二金属电极图形中的任一者施加负电压而使石墨烯层中相应区域内的石墨烯形成p型石墨烯，另一者施加正电压而使石墨烯层中相应区域内的石墨烯形成n型石墨烯；

以待测试光的照射所述光探测器的受光面。

较之现有技术，本发明至少具有如下优点：

1)提供的基于石墨烯pn结的光探测器可以有效实现紫外、近红外及可见光波段的光探测；

2)提供的基于石墨烯pn结的光探测器由于不需要对石墨烯或基底进行掺杂，避免了因掺杂工艺引入的杂质和损伤问题；

3)提供的基于石墨烯pn结的光探测器可以将光生电子和空穴有效分离，提高了光响应度和灵敏度；

4)提供的基于石墨烯pn结的光探测器由于采用石墨烯作为电极的一部分，提高了载流子的迁移率，减少了光响应时间；

5)提供的基于石墨烯pn结的光探测器由于石墨烯中的载流子迁移率受温度变化的影响较小，在50-500k之间的任何温度下都可以正常工作。

附图说明

图1是本发明一典型实施方案中一种基于石墨烯pn结的光探测器的俯视图。

图2是本发明一典型实施方案中一种基于石墨烯pn结的光探测器的剖视图。

图3是本发明一典型实施方案中一种基于石墨烯pn结的光探测器在沉积第二金属电极图形之前的俯视图。

附图标记说明：基底1、第一金属电极图形2、第一介质层3、石墨烯层4、第二介质层5、第二金属电极图形6、金属接触电极7、第一金属接触电极7a、第二金属接触电极7b、负电压8、正电压9。

具体实施方式

本发明实施例的一个方面提供的一种基于石墨烯pn结的光探测器，其包括：

石墨烯层，其包含相互配合形成插指结构的第一区域和第二区域；

第一电极图形，其用于在被施加一负电压时使所述第一区域呈p型；

第二电极图形，其用于在被施加一正电压时使所述第二区域呈n型；以及

分别与第一区域、第二区域电连接的两个以上接触电极。

在一些实施方案中，所述的基于石墨烯pn结的光探测器包括：

第一电极图形，其包括第一金属电极图形，

形成于第一金属电极图形上的第一介质层，

设置于第一介质层上的石墨烯层，

形成于石墨烯层上的第二介质层，

形成第二介质层上的第二电极图形，所述第二电极图形包括第二金属电极图形，所述第一金属电极图形、第二金属电极图形两者在与石墨烯层平行的面上的正投影形成插指结构(这些正投影分别对应前述的第一区域、第二区域)；

分别与石墨烯层电性接触的两个以上间隔设置的接触电极，所述接触电极包括金属接触电极。

进一步地，所述第一金属电极图形可以形成在基底上，所述基底为绝缘体或半导体。

优选的，所述基底的厚度为50-1000μm。

进一步地，所述的两个以上金属接触电极可以沿第一金属电极图形或第二金属电极图形中电极插指的长度方向间隔设置。

进一步地，第一金属电极图形和第二金属电极图形中的任一者被施加负电压而使石墨烯层中相应区域内的石墨烯形成p型石墨烯，另一者被施加正电压而使石墨烯层中相应区域内的石墨烯形成n型石墨烯。

进一步地，所述正电压、负电压的大小相同，方向相反。优选的，所述正电压、负电压的大小为1-100v。

优选的，所述第一金属电极图形、第二金属电极图形中电极插指的宽度为1-100μm。

进一步地，所述石墨烯层优选采用单层石墨烯。

进一步地，所述第一介质层为绝缘体。

优选的，所述第一介质层的材质包括sio2，si3n4或aln等，但不限于此。

优选的，所述第一介质层的厚度为1-1000nm。

进一步地，所述第二介质层为透光性绝缘体，特别是具有良好透光性能的绝缘体。

优选的，所述第二介质层的材质包括sio2等，但不限于此。

优选的，所述第二介质层的厚度为1-1000nm。

进一步地，所述第一金属电极图形、第二金属电极图形、金属接触电极可以选用金属材料形成，例如，其材质可以包括ag，au，cu或pt等导电性良好的金属，且不限于此。

优选的，所述第一金属电极图形、第二金属电极图形、金属接触电极的厚度为10-1000nm。

本发明实施例的另一个方面提供的一种制作所述基于石墨烯pn结的光探测器的方法包括：在基底上依次制作第一金属电极图形、第一介质层、石墨烯层、第二介质层、第二金属电极图形和金属接触电极。

本发明实施例的另一个方面提供的一种光探测方法包括：

提供所述的基于石墨烯pn结的光探测器；

将所述光探测器中的所述两个以上金属接触电极接入检测电路，并对第一金属电极图形和第二金属电极图形中的任一者施加负电压而使石墨烯层中相应区域内的石墨烯形成p型石墨烯，另一者施加正电压而使石墨烯层中相应区域内的石墨烯形成n型石墨烯；

以待测试光的照射所述光探测器的受光面。

本发明利用石墨烯双极性电场效应以及强导电性，高载流子迁移率及良好光学特性等特点，通过石墨烯在对应第一金属电极图形与第二金属电极图形范围内垂直方向形成多个pn结，由此形成多个内建电场。由于石墨烯具有良好的光学特性，可以对紫外、近红外及可见光波段响应，当光照射pn结时，就会在结区产生新的电子－空穴对。在内建电场的作用下运动，光生电子和空穴分离：光生空穴流向p区，光生电子流向n区。将器件金属接触电极一边接地，一边施加电压，则p区光生空穴和n区光生电子将通过石墨烯分别向金属接触电极上下两端迁移，实现了光生电子和空穴的大量分离与累积，增加了器件中载流子的浓度，进而提升了器件的电导率，提高了器件的光响应度和灵敏度；同时，由于部分石墨烯与金属接触电极直接接触，石墨烯的高迁移率优势得以发挥，减少了器件的光响应时间，提高了光探测效率。

而且，在本发明基于石墨烯pn结的光探测器的制作过程中，不需要对石墨烯或基底进行掺杂，可以避免因掺杂工艺引入的杂质和损伤问题。

以下结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作更为详细的解释说明。

请参阅图1-图2所示，在本发明的一典型实施例中，一种基于石墨烯pn结的光探测器包括基底1，基底1上形成有第一金属电极图形2，第一金属电极图形2上形成有第一介质层3，第一介质层3上有石墨烯层4，石墨烯层4上形成有第二介质层5，第二介质层5上形成有第二金属电极图形6，第一金属电极图形2与第二金属电极图形6的插指一一交叉(更确切地说，是两者在石墨烯层上投影交叉)，即第一金属电极图形2上没有第二金属电极图形6。同时，所述光探测器的两端形成有金属接触电极7a、7b，其直接与石墨烯层4接触。在第一金属电极图形中加负电压8，可以使第一金属电极图形2上方对应的石墨烯费米能级下降，形成p型石墨烯；在第二金属电极图形中加正电压9，可以使第二金属电极图形6下方对应的石墨烯费米能级抬高，形成n型石墨烯。反之，在第一金属电极图形中加正电压，在第二金属电极图形中加负电压也可。其中，施加的负电压的大小应足以使石墨烯层中与第一金属电极图形相应区域内的石墨烯形成p型石墨烯，施加的正电压的大小足以使石墨烯层中与第二金属电极图形相应区域内的石墨烯形成n型石墨烯。所述正电压、负电压的大小相同，方向相反。例如，所述正电压、负电压的大小可以为1-100v。

本实施例的基于石墨烯pn结的光探测器可以有效实现紫外、近红外及可见光波段的光探测，同时可以将光生电子和空穴有效分离，提高了光响应度和灵敏度，而且由于采用石墨烯作为电极的一部分，提高了载流子的迁移率，减少了光响应时间，另外由于石墨烯中的载流子迁移率受温度变化的影响较小，故而在50-500k之间的任何温度下都可以正常工作。

本实施例中一种制作所述基于石墨烯pn结的光探测器的方法可以包括如下步骤：

1)准备50-1000μm的绝缘体基底(或半导体基底)。

2)将第一金属电极图形通过光刻转移到步骤1)中基底的表面。

3)利用氧等离子体或反应离子刻蚀或离子束刻蚀等刻蚀技术，刻蚀步骤2)所获器件结构表面刻蚀深度为10-1000nm。

4)利用电子束蒸发或溅射等金属沉积技术在步骤3)所获器件表面沉积10-1000nm的金属，如ag、au、cu、pt等，沉积金属厚度与刻蚀深度相同，并剥离表面多余金属形成第一金属电极图形。

5)利用原子层沉积(ald)或化学气相沉积等介质层沉积技术，在步骤4)所获器件表面生长一层1-1000nm绝缘层作为第一介质层，如sio2、si3n4、aln等。

6)生长石墨烯材料并转移到步骤5)所获器件中的材料结构表面或者直接在步骤5)所获器件中的材料结构表面生长石墨烯。

7)利用原子层沉积(ald)或化学气相沉积等介质层沉积技术，在步骤6)所获器件中石墨烯表面生长一层1-1000nm绝缘层作为第二介质层，如sio2。

8)通过光刻刻蚀，除去多余的第二介质层，石墨烯及第一介质层，所获器件的俯视图如图3所示。

9)将第二金属电极图形和金属接触层图形通过光刻移到步骤8)所获器件表面。

10)利用电子束蒸发或溅射等金属沉积技术在步骤9)所获器件表面沉积10-1000nm的金属，如ag、au、cu、pt等，并剥离表面多余金属，形成第二金属电极图形和金属接触电极图形。

在前述制作工艺中，由于不需要对石墨烯或基底进行掺杂，可以避免因掺杂工艺引入的杂质和损伤问题。

一种应用本实施例基于石墨烯pn结的光探测器进行检测的方法可以包括：

在第一金属电极图形中施加负电压，在第二金属电极图形中施加正电压，正、负电压电压大小相同为1-100v，方向相反。

12)将两个金属接触电极接入到测试电路中，在以光照射所述光探测器的受光面时，即可探测到光电信号。

该基于石墨烯pn结的光探测器的检测范围覆盖紫外、近红外及可见光波段，工作温度在50-500k之间，光响应度和灵敏度优异。

需要说明的是，在本说明书中术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，以上较佳实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。