基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器及制备方法

摘要

本发明公开了一种基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器及制备方法，该光电导探测器包括p型硅衬底、二氧化硅隔离层、顶电极、石墨烯薄膜、掺硼硅量子点薄膜和底电极；本发明光电导探测器可以进行宽光谱探测，解决了传统硅基PIN结对红外探测响应低的问题；该探测器以石墨烯作为有源层和透明电极，消除死层，增强入射光的吸收；二氧化硅隔离层减少了硅表面态的影响；在较小偏压即可正常工作，掺硼硅量子点层吸收光转化为光生载流子，产生的光生载流子(空穴电子对)在内建电场作用下被分离，能够获得超高的增益；本发明采用的制备工艺简单，成本低廉，具有响应度高，响应速度快，内部增益大，开关比小，易于集成的特点。

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，尤其涉及一种基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器(FET)及制备方法。

背景技术

光学探测器在化学材料分析、医疗卫生、空间技术等方面具有广泛的应用。光电探测器具有高灵敏度，高光学响应，响应速度快等优点，在高速调制和微弱信号监测方面有重要应用。传统硅基PIN结型探测器件需要热扩散或者离子注入工艺，而且对红外光几乎不吸收，因此红外波段响应随入射光波长的增加而迅速降低甚至为零。因此，需要提高硅光探测器件对长波长红外光的响应。

石墨烯是由单层sp²杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料。单层石墨烯只吸收2.3％的光，可以作为透明导电薄膜。掺硼硅量子点是通过冷等离子体法制备的。通过在等离子体中加入硼原子的前驱体便可以制备硼掺杂的硅量子点。掺硼硅量子点在可见光近红外乃至中红外都有吸收，尤其是中红外有较强的吸收峰，存在局部等离子激元效应(LSPR)，制备工艺简单，在光电探测领域有广泛应用。由于掺硼硅量子点薄膜与石墨烯接触，会向石墨烯转移电荷，同时也是层增透膜，减少表面复合，可以解决死层问题，提高红外光学响应。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器及制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器，包括：p型硅衬底、二氧化硅隔离层、顶电极、石墨烯薄膜、掺硼硅量子点薄膜和底电极；其中，所述p型硅衬底的上表面覆盖二氧化硅隔离层，在二氧化硅隔离层的上表面覆盖两块顶电极，在两块顶电极上表面及两块顶电极之间的二氧化硅隔离层上表面覆盖石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上表面覆盖掺硼硅量子点薄膜，在p型硅衬底下表面设置底电极。

进一步地，所述的二氧化硅隔离层厚度为100nm。

进一步地，所述的顶电极是金属薄膜电极，材料为铝、金或金铬合金。

进一步地，所述的底电极是金属薄膜电极，材料为镓铟合金、钛金合金或铝。

进一步地，所述的掺硼硅量子点是通过冷等离子体法制备的，通过在等离子体中加入硼原子的前驱体制备硼掺杂的硅量子点；硼原子的前驱体为乙硼烷(B₂H₆)。掺硼硅量子点在可见光近红外乃至中红外都有吸收，尤其是中红外有较强的吸收峰，存在局部等离子激元效应(LSPR)。

一种基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅光电导探测器的制备方法，包括以下步骤：

(1)在p型硅衬底的上表面氧化生长二氧化硅隔离层，所用p型硅衬底的电阻率为<0.01Ω·cm；二氧化硅隔离层的厚度为100nm，生长温度为900～1200℃；

(2)在二氧化硅隔离层表面光刻出两块顶电极图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层，然后生长厚度为60nm的顶电极；

(3)石墨烯薄膜的制备：采用化学气相沉积方法在铜箔基底上制备石墨烯薄膜；

(4)在两块顶电极上表面及两块顶电极之间的二氧化硅隔离层上表面覆盖石墨烯薄膜；其中，石墨烯的转移方法为：将石墨烯薄膜表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到二氧化硅隔离层和顶电极的上表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO₄、HCl和水组成，CuSO₄：HCl：H₂O＝10g:50ml:50ml；

(5)在图形化的器件表面旋涂一层掺硼硅量子点薄膜，掺硼硅量子点在可见光尤其红外波段有很强的吸收峰，粒径大小6nm，转速2000rpm，30s。膜厚约为105nm。

(6)在p型硅衬底底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极，与p型硅衬底形成欧姆接触。

本发明具有以下有益效果：

1.入射光照射到本发明光电探测器表面，被石墨烯和掺硼硅量子点以及衬底吸收。加小偏压加到器件两端，产生的光生载流子(空穴电子对)在内建电场作用下被分离，空穴在掺硼硅量子点中被缺陷态捕获，电荷在电场作用下被快速抽离，少数载流子被释放前，相当于电荷在回路中被多次循环，从而形成很大的光信号电流，具有很高的增益。

2.掺硼硅量子点在可见光尤其红外波段有很强的吸收峰，存在局部等离子激元效应。入射光容易被吸，产生的电子空穴很快被内部电场分离，降低表面复合，消除死层。在红外光区域，量子效率很高。

3.石墨烯作为透明电极，增强入射光吸收，提高光生电流，具有很高的光学响应。石墨烯的载流子迁移率很大，可以提高器件的时间响应。

4.本发明光电探测器所用材料以硅为基本材料，制备过程简单，成本低，易与现有半导体标准工艺兼容。

附图说明

图1为本发明基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器的结构示意图；

图2为本发明中实施例所制备的光电探测器工作在-1-1V电压下，532nm、光能量为0.2μW/cm²的红外光在光开与光关下器件的光学响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器，包括：p型硅衬底1、二氧化硅隔离层2、顶电极3、石墨烯薄膜4、掺硼硅量子点薄膜5和底电极6；其中，所述p型硅衬底1的上表面覆盖二氧化硅隔离层2，在二氧化硅隔离层2的上表面覆盖两块顶电极3，在两块顶电极3上表面及两块顶电极3之间的二氧化硅隔离层2上表面覆盖石墨烯薄膜4，在石墨烯薄膜4上表面覆盖掺硼硅量子点薄膜5，在p型硅衬底1下表面设置底电极6。

进一步地，所述的二氧化硅隔离层2厚度为100nm。

进一步地，所述的顶电极3是金属薄膜电极，材料为铝、金或金铬合金。

进一步地，所述的底电极6是金属薄膜电极，材料为镓铟合金、钛金合金或铝。

进一步地，所述的掺硼硅量子点5是通过冷等离子体法制备的，通过在等离子体中加入硼原子的前驱体制备硼掺杂的硅量子点；硼原子的前驱体为乙硼烷(B₂H₆)。掺硼硅量子点在可见光近红外乃至中红外都有吸收，尤其是中红外有较强的吸收峰，存在局部等离子激元效应(LSPR)。

本发明基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器的工作原理如下：

入射光照射到本发明光电探测器表面，被石墨烯和掺硼硅量子点以及衬底吸收。加小偏压加到器件两端，产生的光生载流子(空穴电子对)在内建电场作用下被分离，空穴在掺硼硅量子点中被缺陷态捕获，电荷在电场作用下被快速抽离，少数载流子被释放前，相当于电荷在回路中被多次循环，从而形成很大的光信号电流，具有很高的增益。

掺硼硅量子点在可见光尤其红外波段有很强的吸收峰，入射光容易被吸，产生的电子空穴很快被内部电场分离，降低表面复合，消除死层。在红外光区域，量子效率很高。

制备上述基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器的方法，包括以下步骤：

(1)在p型硅衬底(1)的上表面氧化生长二氧化硅隔离层(2)，所用p型硅衬底(1)的电阻率为<0.01Ω·cm；二氧化硅隔离层(2)的厚度为100nm，生长温度为900～1200℃；

(2)在二氧化硅隔离层(2)表面光刻出两块顶电极(3)图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层，然后生长厚度为60nm的金电极；

(3)石墨烯薄膜(4)的制备：采用化学气相沉积方法在铜箔基底上制备石墨烯薄膜(4)；

(4)在两块顶电极(3)上表面及两块顶电极(3)之间的二氧化硅隔离层(2)上表面覆盖石墨烯薄膜(4)；其中，石墨烯的转移方法为：将石墨烯薄膜(4)表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，然后放入刻蚀溶液中4h腐蚀去除铜箔，留下由聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜(4)；将聚甲基丙烯酸甲酯支撑的石墨烯薄膜(4)用去离子水清洗后转移到二氧化硅隔离层(2)和顶电极(3)的上表面；最后用丙酮和异丙醇去除聚甲基丙烯酸甲酯；其中，所述刻蚀溶液由CuSO₄、HCl和水组成，CuSO₄：HCl：H₂O＝10g:50ml:50ml；

(5)在图形化的器件表面旋涂一层掺硼硅量子点薄膜(5)，掺硼硅量子点在可见光尤其红外波段有很强的吸收峰，粒径大小6nm，转速2000rpm，30s。

(6)在p型硅衬底(1)底部涂覆镓铟浆料，制备镓铟底电极(6)，与p型硅衬底(1)形成欧姆接触。

对上述基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器加小偏压，使其正常工作，加不同光照条件实现增益。如图1所示。

本实例所制备的基于掺硼硅量子点/石墨烯/二氧化硅的光电导探测器工作在-1V-1V电压下，在不同波长和功率的光照射下的光电流和增益随波长变化曲线如图2所示。其中在器件的顶电极3上加小偏压，在器件的底电极6上加-50V-50V电压，用以调制石墨烯能带，如图1所示。从图2可以看出，所制备的器件在无光条件下，未旋涂掺硼硅量子点的光电流和响应很小；而当入射波长532nm、光能量为0.2μW/cm2的激光照射时产生明显的光电流。在器件工作在1V时，全光谱范围内(300～1900nm)，光学响应为10^9，增益为10^12，证实器件具有非常优越的光电探测特性尤其红外波段。