基于石墨烯薄膜的光电探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种基于石墨烯薄膜的光电探测器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种特殊的材料，它是由SP2碳原子杂化形成的二维六角蜂窝状结构，它可以吸收垂直入射光的2.3%，范围从紫外到远红外光，引起人们的广泛关注。石墨烯具有零带隙，零有效静质量，载流子迀移率极高，对光吸收率高等优秀特点。因此利用好石墨烯一直是人们的目标，其中基于石墨烯的光电响应特性，利用其开发光电探测器是一种极富前景的新型光电探测技术。
[0003]探测器的主要原理是将光信号转变为电信号，当有光照的时候，光激热载流子从顶层运动至底层，使电荷聚集在底层，形成电流；包括光伏效应、光热电效应、辐射热效应、等离子体激发机制。本领域技术人员主要用这些物理量来描述光电探测器的性能，如:内外部量子效应、光电响应率、噪声等效功率。其中光电响应率是最为重要的一个参数，它是由响应电流强度除以入射光功率；响应率越大说明该探测器性能越好。
[0004]目前，基于石墨烯的光电探测器的响应率被限制在lOmAW1，主要是由于单层石墨原子对光的吸收减小。将胶体量子点与石墨烯组合成集合体，可以提高石墨烯的响应率，但是此时探测器可以检测的光谱范围减少。为了减少CVD生长法得到石墨烯质量差的缺陷，引进PbS量子点掺杂，提高光吸收，增加载流子，现有技术中基于石墨烯的光电探测器结构图如图1所示。
[0005]2011年首次公开了在硅波导上平铺单层石墨烯，中间为氧化铝，波导通过硅与电极连接。通过控制外加电压改变费米能级，控制光吸收。石墨稀光电探测器的自身带宽高达500GHz，在高频率波段没有观察到光电流降低的现象。更重要的是，光载流子的产生及移动和其他已知的半导体探测器不一样，它有高带宽，源漏电压为零以及很好的内部量子效应。
[0006]这些方法虽然提高了光响应率，但制备工艺复杂，成本较高，不适合大量生产。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯薄膜的光电探测器的制备方法。
[0008]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0009]基于石墨烯薄膜的光电探测器，采用Si/Si02做基底，石墨烯做光吸收材料，Au做源漏电极。
[0010]进一步，在基底上制备单层或少层石墨烯，在石墨烯上制作电极，形成晶体管结构的探测器。
[0011]进一步，基于石墨烯薄膜的光电探测器的制备方法，步骤如下:
[0012]1)基底清洗:分别用丙酮、乙醇、去离子水、氧等离子体依次清洗基底；
[0013]2)制备石墨稀:采用微机械剥离法，用胶带粘上高定向热解石墨，对折分离3-4次，转移至硅片上，用烘箱抽真空在100°C温度条件下加热1?2min，自然冷却至室温，撕下胶带，得到覆盖石墨烯的基底；
[0014]3)制作电极:用正光刻胶S1805均匀覆盖基底，设计电极结构，然后采用激光直写在石墨烯处，得到电极图样，采用蒸镀法一次蒸镀厚度为10?20nm的金属Ti和厚度为40?80nm的Au，然后用丙酮清洗光刻胶和多余的金属，得到含电极和石墨烯的探测器结构。
[0015]进一步，在经步骤1)处理完成的基底上制作数字标记，具体方式如下:
[0016]1)采用正光刻胶S1805均匀覆盖基底，厚度在500±10nm，用二元曝光机以自制数字掩膜版进行曝光2?3s，在AZ300显影液中显影30±2s，得到初步的数字标记图样；
[0017]2)采用磁控溅射镀膜法在基底表面镀Cr 5土 ls，然后在Cr上镀Au，Au厚度为5?10nm，然后用丙酮清洗，得到金标记。
[0018]本发明的有益效果在于:本发明公开的基于石墨烯的光电探测器，其制备工艺简单，成本较低适合大量生产，并且光电探测器性能优异。可以应用于弱光探测，超快光脉冲探测，光学通讯等领域，适用于波长范围在可见光以及远红外光之内的波长。
【附图说明】
[0019]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0020]图1为光电探测器结构示意图；
[0021]图2为石墨烯薄膜的拉曼光谱特性图；
[0022]图3为实施例1中石墨烯光电探测器结构图，其中1代表石墨烯，2代表电极，3代表石圭片;
[0023]图4为石墨烯光电探测器测量结果。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0025]实施例1
[0026]1.清洗硅片表面
[0027](1)将3X3cm2硅片用丙酮、乙醇、去离子水分别依次清洗硅片15分钟；
[0028](2)用氧等离子体清洗硅片5分钟；
[0029]2.制作数字标记
[0030](1)采用正光刻胶S1805均匀覆盖硅片，涂胶时转速在3000?4000run/min，最后厚度在500nm，然后进行曝光2s，然后显影30s，得到初步的数字标记图样；
[0031 ] (2)采用磁控溅射镀膜法在硅片表面镀Cr时间5s，然后在Cr上镀Au时间10s，厚度为8nm，然后用丙酮清洗，得到金标记；
[0032]3.制备石墨烯
[0033]采用微机械剥离法，用胶带粘上高定向热解石墨(HOPG)，对折分离3-4次，转移至娃片上，用烘箱抽真空在100°C加热2min，等待自然冷却至室温，撕下胶带，得到石墨稀；
[0034]4.用光学显微镜寻找石墨烯，并做记录；
[0035]5.测量步骤4中选中区域的石墨烯的拉曼图谱，则可推知石墨烯层数，如图2所示，并用原子力显微镜测试膜厚，验证石墨烯层数；
[0036]6.制作电极
[0037](1)用正光刻胶S1805均匀覆盖硅片，设计电极结构，然后采用激光直写在石墨烯处，进而得到电极图样；
[0038](2)采用蒸镀法一次蒸镀厚度为15nm的金属Ti和厚度为40nm的Au ;然后用丙酮清洗光刻胶和多余的金属，得到仅含电极和石墨烯的探测器结构，如图3所示，其中1代表石墨烯，2代表电极，3代表硅片。
[0039]实施例2
[0040]1.清洗硅片表面
[0041](1)将3X3cm2硅片在丙酮、乙醇以及去离子水中分别清洗15分钟；
[0042](2)用氧等离子体清洗硅片5分钟；
[0043]2.制作数字标记
[0044](1)采用正光刻胶S1805，以转速3500run/s旋转，使光刻胶均匀覆盖硅片，用二元曝光机以自制数字掩膜版进行曝光2.2s，在AZ300显影液中显影30s，得到初步的数字标记图样；
[0045](2)采用磁控溅射镀膜法在硅片表面镀Cr时间5s，然后在铬上镀Au时间10s，厚度为8纳米，然后用丙酮清洗，得到金标记；
[0046]3.制备石墨烯
[0047]采用微机械剥离法，用胶带粘上石墨片，对折分离3-4次，转移至硅片上，用烘箱抽真空在100°C加热2min，等待自然冷却至室温，撕下胶带，得到石墨稀；
[0048]4.用光学显微镜寻找石墨烯，并做记录；
[0049]5.测量石墨烯拉曼图谱，用拉曼光谱确定所得石墨烯层数，用原子力显微镜表征石墨烯表面形貌，
[0050]6.制作电极
[0051](1)用正光刻胶S1805均匀覆盖硅片，使光刻胶均匀覆盖石墨烯表面；用激光直写以自制电极图样在石墨烯处进行曝光，进而得到电极图样；
[0052](2)采用蒸镀法镀厚度为20nm的Ti和厚度80nm的Au ;用丙酮清洗，得到带电极结构的石墨烯光电探测器。
[0053]利用实施例1所制备的石墨烯光电探测器，室温下，对1550nm波长光照条件下，可以明显看到电流输出1-V曲线与无光照时的差别，如图4所示。
[0054]最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1.基于石墨烯薄膜的光电探测器，其特征在于，采用Si/Si02做基底，石墨烯做光吸收材料，Au做源漏电极。2.根据权利要求1所述基于石墨烯薄膜的光电探测器，其特征在于，在基底上制备单层或少层石墨烯，在石墨烯上制作电极，形成晶体管结构的探测器。3.由权利要求1或2所述基于石墨烯薄膜的光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤如下: 1)基底清洗:分别用丙酮、乙醇、去离子水、氧等离子体依次清洗基底； 2)制备石墨烯:采用微机械剥离法，用胶带粘上高定向热解石墨，对折分离3-4次，转移至娃片上，用烘箱抽真空在100°c温度条件下加热1?2min，自然冷却至室温，撕下胶带，得到覆盖石墨烯的基底； 3)制作电极:用正光刻胶S1805均匀覆盖基底，设计电极结构，然后采用激光直写在石墨烯处，得到电极图样，采用蒸镀法一次蒸镀厚度为10?20nm的金属Ti和厚度为40?80nm的Au，然后用丙酮清洗光刻胶和多余的金属，得到含电极和石墨烯的探测器结构。4.根据权利要求3所述基于石墨烯薄膜的光电探测器的制备方法，其特征在于，在经步骤1)处理完成的基底上制作数字标记，具体方式如下: 1)采用正光刻胶S1805均匀覆盖基底，厚度在500± 10nm，用二元曝光机以自制数字掩膜版进行曝光2?3s，在AZ300显影液中显影30±2s，得到初步的数字标记图样； 2)采用磁控溅射镀膜法在基底表面镀Cr5± ls，然后在Cr上镀Au，Au厚度为5?10nm，然后用丙酮清洗，得到金标记。
【专利摘要】本发明公开了一种基于石墨烯薄膜的光电探测器，采用Si/SiO2做基底，石墨烯做光吸收材料，Au做源漏电极。在基底上制备单层或少层石墨烯，在石墨烯上制作电极，形成晶体管结构的探测器。本发明还公开了一种基于石墨烯薄膜的光电探测器的制备方法，其制备工艺简单，成本较低适合大量生产，并且光电探测器性能优异。可以应用于弱光探测，超快光脉冲探测，光学通讯等领域，适用于波长范围在可见光以及远红外光之内的波长。
【IPC分类】H01L31/028, H01L31/18, H01L31/101
【公开号】CN105280749
【申请号】CN201510825269
【发明人】周大华, 魏兴战, 冯双龙, 申均, 魏大鹏, 史浩飞
【申请人】中国科学院重庆绿色智能技术研究院
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年11月24日